1、基于近场通讯技术的地下车库反向寻车系统摘要：随着城市化的加快，当今社会私家车使用量大大增加，机动车的数量骤增，有数据显示全市机动车保有量已达 430 余万辆，小客车总量近 5 年增长了 1 倍。在这样的背景下，许多商场、购物中心等公共场合建设了很多巨型停车场，而由于用地空间的限制，这些大型停车场绝大部分都是地下停车场，但停车场的设计不够人性化，合理化，车主在返回停车场时往往由于停车场空间大、环境及标志物类似、方向不易辨别等原因，容易在停车场内迷失，寻找不到自己的车辆，因此本课题针对地下车库寻车难问题展开研究，力求探索一套寻车导航系统来解决当前问题。本课题设计了一个基于近距离无线通讯技术（Nea
2、r Field Communication，下简称 NFC）独立运转的完整停车系统，选用了性能良好的 Arduino UNO 单片机作为主控制器，NFC 集成模块作为用户识别的载体，感应式智能 IC 卡Mifare 卡作为停车位的信息载体，蓝牙数据传输模块实现与手机移动端的通信，在 APP Inventor2 开源服务器进行 APP 程序的编写，配合停车场自有的地图库信息，实现了整个系统寻车导航的功能设计。本系统较好地解决了地下车库寻车难的问题，借助本系统寻车时间大大缩短，寻车成功率与用时测试数据表明，本系统可以快速帮助用户寻找到自己的车位，同时在一定程度上提高了用户寻找车位的速度，与用户独立
3、寻车相比，寻车时间缩短了 36%，大大地提高了寻车效率，节约了宝贵的时间。此外，本系统硬件成本远低于视频寻车系统，故具有较强的实用推广价值。关键词：近场通讯 蓝牙通信 地下车库 Arduino 单片机 二维导航目录：一、 绪论1.1 研究背景及意义1.2 发展现状与已有研究二、 方案论证及选择2.1 方案论证2.2 导航方案的评估和选择2.3 方案设计三、硬件电路设计四、软件设计4.1 总设计流程4.1.1 出入库注册系统4.1.2 定位系统4.1.3 通信系统4.1.4 路径规划系统4.1.5 导航系统4.1.6 程序 APP 编写五、系统测试5.1 路径引导成功率测试5.2 路径引导时间测
4、试六、反思与总结七、参考文献一、绪论1.1 研究背景及意义在当今的背景之下，用车用户日益增多，全市机动车保有量已达 430 余万辆，小客车总量近 5 年增长了 1 倍，目前，在停车矛盾突出的中心城区，停在居住小区配建车位的车辆仅占 43%，另有 36%的车辆停在小区内部空间（内部通道、空地、绿化带等） ，2%的车辆停在小区门前广场，9%的车辆停在小区周边道路，10%的车辆停在非居住建筑，车位问题日益紧张，为了合理利用空间，人们开发了各种各样的地下车库，从而导致地下车库的面积越来越大。如今在地下车库，寻车成为了一个难题，为缓解停车问题，人们建造了越来越多的大型地下车库，但停车场的设计不够人性化、
5、合理化，使得车主难以寻觅到自己的车辆，如果是在商场、购物中心等大型停车场内，车主在返回停车场时往往由于停车场空间大，环境及标志物类似、方向不易辨别等原因，更加容易在停车场内迷失，寻找不到自己的车辆，此外，很多车主在离开车位后，从不同的出口重新进入车库时，也常常会迷失方向。因此停车寻车的问题亟待解决。现今市面上出现了一种“ 视频寻车系统 ”成本高且使用效果不理想，所以本课题希望寻找一种方便有效且成本低的方法，来解决此问题反观今日的寻车方案，虽有比较合理的“视频寻车方案” ，但是并没有大范围的普及，只是“ 昙花一现 ”，究其原因，是由于其成本太过高昂，实际使用场景下受限太多。虽然已经常态化的通讯技
6、术具有很高的利用效益，但是在生活中的方方面面我们都还未完全认识到其作用。由于目前并没有可以普及的解决方案，结合在停车场停车与寻车的经历，本课题希望以较低的成本以及较高的效率帮助车主找到自己的私家车，从而解决用户寻车难问题。1.2 发展现状与已有研究随着集成芯片技术、定位技术、通讯技术等技术的发展，越来越多的通信方式和协议出现在我们的生活中， “GPS 全球定位系统” 、 “北斗导航系统” 、 “蓝牙通信技术” 、 “NFC 通讯技术”等等。例如蓝牙，正因为其普遍性和低廉的成本，使其得以快速普及。在图书馆等地方，NFC 技术已被普遍应用于复杂场景 【1】 ，例如基于NFC 近场通讯技术的图书馆系
7、统一文中，介绍了一个基于 NFC 技术的图书馆管理系统，包括门禁系统、图书馆活动宣传服务、图书馆行政、图书管理系统和读者服务系统。而在本课题所研究的问题中，由于地下车库中环境封闭，远距离通信讯号无法到达，像 GPS 等导航系统，难以实现定位，现市面上流行着一种“视频寻车技术” 【6】 ，通过图像采集摄像机，利用图像处理和识别等相关技术，将所获取的车位图像通过车牌识别算法完成车牌识别过程，提取并识别有效的车牌号码。但此系统缺点是价格高昂、成本价高，难以大规模使用。因而本课题另辟蹊径，希望利用 NFC 技术和手机 APP 进行导航。查阅了相关文献后，发现已有关于“环保电子卡”的反向寻车系统研究 【
8、2】 ，但都需要预先将用户信息存入卡中，对于公共停车库来说无法使用，因此，本课题展开了基于 NFC 技术对公共停车库反向寻车系统的研究。在主控制器方面，本课题选择了 Arduino UNO，并利用 Arduino MEGA 2560 进行调试。图 0、Arudino MEGA 2560 实物图而在调试过程中，Arduino UNO 硬件上支持一个通信串口，在与电脑通信的过程中，该通信串口默认设置为与电脑通信，而 Arduino UNO 的软串口通信速率并不能满足 NFC 模块的通信速率（38400kbps ） ，故无法直接在电脑终端上看到调试结果，为了可以看到系统运作过程，便于调试，我们在调试
9、过程中选择了功能更加强大的 Arduino MEGA，实物图见图 0，它支持四个通信串口，而且其它硬件资源也更加丰富。当今，近距离通讯技术已经相当成熟。例如蓝牙、Wi-Fi、 Zigbee、 RFID、NFC 等等，本课题选择的其中一种通讯技术是 NFC 通信，它是由 Philips、NOKIA 和 Sony 主推的一种类似于 RFID 的短距离无线通信技术标准。和 RFID 不同，NFC 采用了双向的识别和连接。在 10cm 距离内工作于 13.56MHz 频率范围,使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC 通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保
10、证了数据的安全保护。NFC 被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置 Wi-Fi 容易得多。在本课题研究过程中，我们可以利用 NFC 终端和 Mifare 卡实现数据通信，进行定位。此外，在终端和手机 APP 的通信方面，本课题选择了蓝牙通信技术。 “蓝牙”是一种大容量近距离无线数字通信技术标准，最大传输距离为 10 厘米10 米，通过增加发射功率可达到 100 米，使用 2.4 GHz ISM 频段和调频、跳频技术，速率为 1 Mbps。蓝牙比 Wifi 更具移动性，Wifi 限制在办公室和校园内，而蓝牙却能把一个设备连接到 LAN（局域网）和 WAN（广域网） ，而且目前
11、的 Wifi都需要配置网络才能够使用，而蓝牙技术只需要基于移动手机端的硬件就可以实现通信并实现数据传输等功能。二、 方案论证及选择2.1 方案论证定位方案总方案设计导航方案1 、 A P P 导航 （ 可行性高 ）2 、 L E D 灯导航 （ 可行性低 ）N F C 刷卡定位图 1、总方案设计本课题将总方案分为两个方面：定位方案和导航方案（如图 1） ，分解复杂的总方案设计，更加利于着手开展设计。定位方案：NFC 刷卡定位初步设想利用刷卡定位的方式，在整个停车场区域内，均匀设置若干个定位终端，在用户停好车后，利用停车场内分布于各个区域的定位终端，读写手上的停车凭证即 Mifare 卡，使得系
12、统能根据定位终端的地址来定位车辆停放的位置。用户停好车后，在停车场内分布于各个区域的定位终端中，在最近的一个定位终端上进行刷卡定位。位置信息会被上传至数据采集器。当用户重新进入车库，想要找到自己的车，用户可以从查询终端上刷卡，此时终端会从数据采集器中获取位置信息。当定位完成后，查询终端会立即开始路径规划，寻找到最短的路径，路径规划完毕后，将路径上传至中央处理器，再由各个终端下载，明确自己的指令，当所有的需要亮灯的终端准备完毕，导航开始。导航方案选择：方案一：手机 APP 导航本方案采用了“ 手机 APP”导航的方式，流程图见图 2，该方案具有直观、方便的优点。（1）导航 APP 编写：在停车场
13、地图已知的情况下，将可能的路线利用算法计算，挑选出最短路径显示在用户界面，为用户实现导航。（2）通讯方式：利用蓝牙模块进行与查询终端的通信，以获取位置信息，在 APP 上进行后续导航。图 2、方案一实现流程图为了完成上述定位系统设计，计划运用 DFROBOT 的 NFC 读写模块完成对卡的读写，利用 Arduino UNO 控制模块和 DFROBOT NFC 模块进行 Mifare卡的读写，利用 Arduino 蓝牙模块进行通信。软件编程方面，利用 Arduino IDE软件进行编程和烧录，利用 APPinventor2 进行程序的编写。方案二：总终端控制 LED 导航用户按照亮灯顺序依次刷卡
14、，利用 LED 灯的引导找到车辆。通过得知车辆位置信息，此时终端就会将数据上传至数据采集器进行运算，当运算完成，各终端会从上级终端（数据采集器）下载指令，当路径规划完毕，第一次刷卡的终端上方就会开始亮灯，提示用户导航开始，在近距离的第二个终端上的 LED 灯便也会按照指令亮起，用户只需要走到第二个终端，再次刷卡；第三个终端亮灯，直至到达停车位置，指示灯快速闪烁，如此就完成了到车位的引导。用户进入车库 ， 取卡下车后利用车位旁N F C 终端刷卡定位定位后系统将用户位置信息上传至终端数据录入完成用户进入车库想要找到停车位在车库入口处刷卡查询停车位置数据查询完毕后 ， 规划路径 ， 规划完成后最近
15、的终端 L E D 灯亮起 ， 引导用户前进用户到达第一个中途点刷卡 ， 第二个中途点灯亮用户到达停车位置L E D 灯不断导航图 3、方案二实现流程在研究的过程中，本课题发现初步设想中的亮灯导航，在多用户同时需要寻车时会出现错误，无法为用户提供正确导航，因此，本课题在课题研究中期过程中，改变了导航方案，采用 APP + 蓝牙通信的方式，提高了系统的环境适应性，实用性和精确性。2.2 导航方案的评估和选择当基本的调试已经完成，两个系统已可以投入使用，本课题把定位系统与导航系统结合到一起，第一次进行双系统协作运行，对地下车库场景做真实模拟，实验此系统的实际运行效果。方案一和方案二都可以完成系统要
16、求的功能，但在实际运行的过程中，我们发现，若单人反向寻车，方案一和方案二均合理且有效。但考虑到地下车库复杂的环境和多变的情况，当多用户同时寻车时，系统会同时做出反应，此时寻车系统会发生冲突、交叉，此时方案二便会产生问题，无法正确导航。综合考虑之下，为了避免多用户使用导航时出现的交叉问题，本课题选择了方案一，此方案基于 Arduino 单片机，利用 NFC 刷卡实现定位，且采用了蓝牙 + APP 的方式进行定位后的导航，帮助用户寻车。2.3 方案设计因此，本次设计分为硬件设计和软件设计两部分，见图 4，硬件主要部分包括 NFC 模块 DFROBOT V1.0、单片机 Arduino UNO 和无线蓝牙射频通信芯片BC417。软件设计主要包括 Arduino NFC 模块的程序设计和数据读取、蓝牙通信模块的程序设计以及手机端 APP 的设计。停车寻车系统硬件部分软件部分N F C 读写模块蓝牙通信模块A r d u i n o 单片机蓝牙接收端 （ 手机 ） 接收端 A P P 显示图 4、停车场寻车导航系统示意图一、硬件设计部分：（1）了解各硬件的基本原理、工作模式和工作环境；（2）针对硬件不同特性进行配置; （3）完成硬件接口部分电路连接。二、软件设计部分：（1）NFC 数据采集及处理程序的设计；（2）无线数据发送程序的设计；（3）无线数据接收 APP 的设计。
