Inteligentne systemy parkingowe – strumień przestrzenny czujników IoT

W szybko rozwijającej się gospodarce wzrost liczby pojazdów wymaga większej liczby miejsc parkingowych. Niewłaściwe zarządzanie dostępnymi miejscami może prowadzić do powstawania korków ulicznych na obszarach miejskich. Konieczne jest opracowanie inteligentnego systemu parkowania, który pomagałby kierowcy w łatwym wyszukiwaniu dostępnego miejsca parkingowego, a także wspierał efektywne zarządzanie miejscami parkingowymi

Inteligentny system parkingowy to system oparty na IoT, który przesyła dane o wolnych (i zajętych) miejscach parkingowych za pośrednictwem systemu przewodowego lub bezprzewodowego, przy pomocy aplikacji internetowej lub mobilnej. Urządzenia IoT, zawierające sterownik, a także zestaw czujników, można rozmieścić na wielu indywidualnych miejscach parkingowych. Użytkownicy będą cieszyć się aktualizacją „na żywo” dostępnych miejsc parkingowych i będą mogli wybrać dogodną dla siebie lokalizację.

Model architektoniczny inteligentnego parkingu IoT

System składa się z czujników, bramki i chmury danych. Wygenerowane dane z poszczególnych lokalizacji przekazywane są do bramki. Ona z kolei przekazuje je do punktu dostępowego, gdzie użytkownik może je odczytać. Bramka zarządza danymi w swojej sieci, natomiast punkty dostępu są utrzymywane przez różnych dostawców usług. Dane z sieci czujników są udostępniane użytkownikom urządzeń mobilnych.

Rys. 1. Architektura inteligentnego parkingu

 Do najpowszechniej stosowanych czujników w inteligentnych systemach parkingowych IoT należą:

  • Systemy wizyjne,
  • Radary,
  • Magnetometry,
  • Czujniki ultradźwiękowe,
  • Czujniki podczerwieni (IR),

Systemy wizyjne to moduły wbudowane wyposażone w cyfrowe czujniki obrazu. Oferują zintegrowane sprzętowe, a także programowe przetwarzanie danych umożliwiające analizę obrazu i mierzenie różnych atrybutów.

Kamera Raspberry Pi V2 jest w stanie realizować funkcje automatycznego sterowania dzięki zastosowaniu matrycy w technologii OmniBSI (wysoka czułość, niski przesłuch i niski poziom szumów). System wizyjny w projekcie ma za zadanie identyfikowanie tablic rejestracyjnych samochodów w przypadku wykrycia obecności pojazdu w miejscu parkingowym.

Rys. 2. Kamera Raspberry Pi V2

Czujniki radarowe

Czujnik radarowy generuje obrazy 2D przy pomocy sztucznej inteligencji. Może w tym zastąpić kamery wideo. Wytrenowana sieć neuronowa syntezuje obrazy i w rezultacie wyświetla stan parkingu. Czujniki te umożliwiają wykorzystanie jednego potężnego urządzenia do monitorowania wielu wolnych miejsc parkingowych.

Magnetometry

Czujniki te wykorzystują pomiar pola magnetycznego do wykrywania dużych metalowych obiektów takich, jak pojazdy. Sensory są w stanie na przykład zbierać informacje w celu utworzenia profilu zapotrzebowania na miejsca parkingowe, w którym najważniejsze jest rozłożenie zajętych miejsc parkingowych. Detektory pętli magnetycznej pracują w sposób podobny do magnetometrów. Różnicą jest to, że obiekty wykrywane są przez zmianę pola magnetycznego podczas przejścia obiektu przez pętlę. Są też wyposażone w technologię RFID umożliwiającą rezerwację miejsca parkingowego.

Podczerwień

Czujniki podczerwieni mierzą odległość między dwoma obiektami. Kiedy obiekt zbliża się do czujnika, światło podczerwone emitowane przez diodę LED odbija się od przedmiotu i jest wykrywane przez odbiornik. Czujnik podczerwieni wykorzystuje światło, co oznacza, że każdy obiekt znajdujący się przed czujnikiem może prowadzić do fałszywego wykrycia.

Rys. 3. Zasadza działania czujnika podczerwieni

Czujniki na bazie telefonów komórkowych

Niemalże wszyscy posiadają dzisiaj telefony komórkowe. Z tego powodu są też szeroko stosowane w inteligentnych systemach parkingowych. Prawie wszystkie współczesne telefony mają wbudowany aparat fotograficzny oraz skaner kodów QR. Po zeskanowaniu, specjalnie skonstruowane kody QR pomagają użytkownikom znaleźć odpowiednie miejsca parkingowe. Informacje są następnie wysyłane do serwera w celu zaktualizowania stanu. System umożliwia użytkownikom również łatwe ustalanie lokalizacji pojazdów.

Czujniki ultradźwiękowe

Sensory te emitują fale dźwiękowe o określonej częstotliwości i mierzą odległość między czujnikiem a obiektem stojącym na drodze. Skuteczność i precyzja tej technologii sprawiła, że znalazła ona zastosowanie w wielu inteligentnych rozwiązaniach parkingowych. Czujniki te służą do wykrywania, czy miejsce parkingowe jest wolne, czy zajęte (stanu parkowania). Podczas badań wykorzystano różne typy technologii do przesyłania, a także przetwarzania danych generowanych przez sensory. Przykładowe rozwiązanie to czujnik umieszczony na cokole przesyłający dane przez Wi-Fi do komputera Raspberry Pi. Inny sposób polega na zastosowaniu kabla podłączonego do płytki Arduino, połączonego z serwerem za pomocą sieci XBee. Istnieje możliwość podłączenia czujnika do serwera HTTP weryfikującego dostępność miejsca parkingowego. Jeszcze inne rozwiązanie może wykorzystywać sieć bezprzewodową Xmesh. Ciągły rozwój technologii stał się bodźcem do nowych implementacji wykorzystujących technologie LPWAN, takie jak LoRa. Pozwala ona łączyć czujniki, a także transmitować dane dotyczące statusu miejsca parkingowego.

Czujniki ultradźwiękowe są wdrażane „jeden do jednego”. Oznacza to, że na każde miejsce parkingowe musi przypadać jeden sensor. Ponadto należy wspomnieć, że te czujniki są stosunkowo niedrogie i mają wysoką dokładność wykrywania.

Rys. 4. Sposób wykorzystania czujnika ultradźwiękowego

Tworzenie sieci

Połączenie sieciowe można realizować za pomocą Wi-Fi, Bluetooth, technologii komunikacji mobilnej lub protokołów znanych z bezprzewodowych sieciach IoT. Czasami połączenie implementuje się w formie ZigBee, LoRa lub też NB-IoT.

Bezprzewodowe protokoły IoT i technologie Wi-Fi są preferowane do komunikacji z czujnikami bardziej niż technologie 3G i 4G. Można jednak wykorzystywać każdą technologię zapewniającą dostęp do Internetu.

Strategia doboru czujnika

Czujniki dobierane są na podstawie możliwości autonomicznego wykrywania, łatwości instalacji i kosztu produktu. Autonomia wykrywania to zdolność czujnika do samodzielnego określenia, czy miejsce jest wolne, czy zajęte. Na przykład kamery potrzebują dodatkowych elementów do przetwarzania danych, podczas gdy czujniki ultradźwiękowe mogą dokonać wykrywania natychmiast. Fraza “łatwość instalacji” odnosi się do czynności polegającej na montażu czujnika w założonym miejscu, ze sporadycznym dołączaniem do złożonej infrastruktury takiej, jak okablowanie strukturalne, przyłącza elektryczne, a także rynny powietrzne. Inne czujniki wymagają z kolei umieszczenia pod ziemią.

Poniższa tabela ma na celu pomóc czytelnikom w wyborze czujnika na podstawie opisanych warunków w ramach inteligentnych rozwiązań parkingowych. Poniższy rysunek przedstawia porównanie różnych czujników.

Tabela 1. Tabela porównawcza czujników

Typ czujnika Łatwość instalacji Inwazyjność Autonomia wykrywania Koszt
Kamera Nie Nie Umiarkowany
Czujnik smartfona Tak Tak Niski
Ultradźwiękowy Nie Tak Umiarkowany
Magnetometr Tak Tak Niski
Podczerwień Nie Tak Niski
Radar Tak Nie Wysoki
Urządzenia RFID Nie Tak Tak Umiarkowany

O autorze