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系統識別號 U0002-2807202001342500
中文論文名稱 基於藍牙信標技術與卡爾曼濾波器之智慧路邊停車系統實作
英文論文名稱 A Smart Roadside Parking System based on Bluetooth Beacon and Kalman Filter
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 資訊工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Computer Science and Information Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 錢麒方
研究生英文姓名 Chi-Fang Chien
學號 607410320
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2020-07-14
論文頁數 58頁
口試委員 指導教授-林其誼
委員-林其誼
委員-蔡智強
委員-林振緯
中文關鍵字 物聯網  卡爾曼濾波  藍牙信標  低功耗藍牙  IPv6  MQTT  MariaDB 
英文關鍵字 IoT  Kalman Filter  iBeacon  BLE  IPv6  MQTT  MariaDB 
學科別分類 學科別應用科學資訊工程
中文摘要 停車對於一個現代化的城市而言是一件相當棘手的問題,往往停車位的增加遠不及車輛掛牌的數目,造成在使用效率的控管和停車位的增建就相當重要。在停車位增建不易的情況下,就需要以既有的停車位加以管理,許多縣市仍然依靠收費員來巡查路邊停車格並發放繳費單,這樣會造成過度仰賴人力的調度和資訊的不夠即時進而衍生出一些問題。
為了解決停車管理問題,一些研究提出了使用無線感測網路的路邊停車系統或是封閉式停車場的管理系統。不過這些研究當中都只注重在檢測車輛是否正確停放在區域內,並無法獲取停車格內車輛的詳細訊息,對於完整路邊停車管理系統來說還需要更近一步的改善。
在本論文中,我們提出基於藍牙信標技術與卡爾曼濾波器結合的路邊停車管理系統,綜合以上兩個目標,舉例來說當配有 iBeacon 訊號的車輛停進了停車格內,由路邊的裝置掃描並識別車輛資訊後穩定的估算出相關位置,之後將估算出的資料傳送給閘道器進行整合運算,再將計算後的結果傳送給遠端的資料庫存放,並開發網頁串接資料庫進行顯示。本系統可以快速得知路邊停車格的即時狀態,並提供停車格內車輛的詳細訊息給管理員,達到使用者和管理者都能夠滿足需求。我們也在最後一章提出了幾點可以在未來運用更新的技術讓本系統的功能更加完善。
英文摘要 Parking is a very difficult problem for a modern city. Some studies have proposed roadside parking systems or open parking lot management systems that use wireless sensor networks. However, most of these studies only focus on checking whether the vehicle is parked correctly in the area; they cannot get the detailed information of the vehicles in the parking bay. For the complete roadside parking management system, a further improvement is needed.
In this thesis, we propose : a smart roadside parking system based on Bluetooth beacon and Kalman filter to achieve the goals of detecting the occupancy of parking spaces as well as identifying the ID of the vehicles using these parking spaces. Specifically, when a vehicle equipped with an iBeacon transmitter is parked in the parking space, the roadside devices scan and identify the vehicle information to estimate the distance, then send the estimated data to the gateway for integrated calculation. After the calculation is completed, the gateway then sends the calculated result to the remote database, which also serves as a web server to display the parking information. Our system can quickly detect the real-time status of roadside parking spaces, and provide detailed information of the vehicles in the parking bay to the administrator, which meets the needs of both users and managers.
論文目次 第一章:緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 論文架構 2
第二章:技術背景與相關研究 3
2.1 藍牙低功耗 3
2.2 藍牙信標 3
2.2.1 iBeacon 運作原理 4
2.2.2 iBeacon 廣播封包格式 5
2.3 卡爾曼濾波 6
2.4 6LoWPAN 9
2.5 MQTT 9
2.6 相關研究 12
第三章:系統架構 14
3.1 相關硬體介紹 14
3.2 實作架構 16
3.3 實作網路架構 17
3.4 系統作業流程 18
第四章:系統實作與功能展示 21
4.1 實驗環境介紹 21
4.2 iBeacon 與 Reader 21
4.2.1 iBeacon 傳送端裝置 22
4.2.2 Bluepy 23
4.2.3 卡爾曼濾波 24
4.2.4 估計距離 25
4.3 MQTT 26
4.3.1 發布者、訂閱者和 Broker 26
4.4 Gateway 27
4.4.1 運算 28
4.5 使用者介面 29
4.6 資料庫 33
4.7 實驗 34
4.7.1 實驗一:單輛汽車順向停放 34
4.7.2 實驗二:同時兩輛汽車順向停放 36
4.7.3 實驗三:同時有兩輛汽車停放,一順向一逆向 38
4.7.4 實驗四:同時有兩輛汽車逆向停放 41
4.7.5 實驗五:同時有三輛汽車順向停車 43
第五章:結論與未來展望 46
5.1 結論 46
5.2 未來展望 47
參考文獻 48
附錄 - 英文論文 51

圖 2-1 真實液體溫度和估計液體溫度 7
圖 2-2 卡爾曼濾波後的估計值、真實測量值和真實溫度圖 9
圖 2-3 MQTT 發布與訂閱架構 10
圖 2-4 MQTT QoS 0 運作模式 11
圖 2-5 MQTT QoS 1 運作模式 11
圖 2-6 MQTT QoS 2 運作模式 11
圖 3-1 Raspberry Pi 3 14
圖 3-2 Estimote location beacon 15
圖 3-3 系統架構 16
圖 3-4 網路架構 17
圖 3-5 Reader 流程圖 18
圖 3-6 Gateway 流程圖 19
圖 3-7 四個 Reader 針對某一 Beacon 之距離估計值 20
圖 4-1 實驗場域規劃 21
圖 4-2 實驗使用的三個 iBeacon 裝置列表 22
圖 4-3 透過Estimote App觀察 iBeacon UUID 及 Major / Minor 設置 23
圖 4-4 Bluepy 掃描訊號 24
圖 4-5 過濾 UUID 24
圖 4-6 卡爾曼濾波程式 25
圖 4-7 卡爾曼濾波測試 25
圖 4-8 估計距離計算公式 26
圖 4-9 Mosquitto 套件的運作狀態畫面 26
圖 4-10 Reader 、 Gateway設定 27
圖 4-11 Reader 發布 MQTT 訊息 27
圖 4-12 Broker與訂閱者接收 MQTT 訊息 27
圖 4-13 Gateway 輸出畫面 29
圖 4-14 車輛離開 29
圖 4-15 智慧路邊停車系統的首頁畫面 30
圖 4-16 即時停車狀況查詢 31
圖 4-17 使用者車輛註冊 31
圖 4-18 使用者車輛註冊結果 31
圖 4-19 使用者查詢停車歷史紀錄 32
圖 4-20 使用者查詢歷史停車紀錄的結果畫面 32
圖 4-21 管理者以特殊方式登入查詢 32
圖 4-22 管理者查詢結果 33
圖 4-23 實驗環境圖 34
圖 4-24 單輛汽車順向停放示意圖 35
圖 4-25 順向停車 iBeacon 與 Reader 相關位置 35
圖 4-26 單輛順向停車距離 36
圖 4-27 單輛汽車順向停車換算 36
圖 4-28 兩輛汽車順向停車示意圖 37
圖 4-29 兩輛汽車順向停車距離 37
圖 4-30 兩輛汽車順向停車換算 38
圖 4-31 兩輛汽車一順一逆示意圖 39
圖 4-32 逆向停車 iBeacon 與 Reader 相關位置 39
圖 4-33 一順一逆停車距離 40
圖 4-34 一正一逆停車換算 40
圖 4-35 兩輛汽車逆向停車示意圖 41
圖 4-36 兩輛汽車逆向停車距離 42
圖 4-37 兩輛汽車逆向停車換算 42
圖 4-38 三輛汽車順向停放示意圖 43
圖 4-39 三輛汽車順向停放距離 44
圖 4-40 三輛汽車順向停車換算 45

表 2-1 BLE 詳細規格 3
表 2-2 估計距離表示 5
表 2-3 iBeacon 封包格式[4] 6
表 2-4 各地百貨零售商店範例 6
表 3-1 Raspberry Pi 3 Model B 規格[20][22] 14
表 3-2 Raspberry Pi 3 Model B+ 規格[21][22] 15
表 3-3 Estimote location Beacon 規格 16
表 3-4 估計距離 20
表 4-1 Gateway 紀錄格式 28
表 4-2 user 資料表 33
表 4-3 parking / history_parking 資料表 33
參考文獻 [1] Bluetooth Radio Versions, https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/bluetooth-technology/radio-versions/, last accessed May, 2020.
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[3] Bluetooth Company Identifiers, https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/company-identifiers/, last accessed May, 2020.
[4] iBeacon Data Payload, https://support.kontakt.io/hc/en-gb/articles/201492492-iBeacon-advertising-packet-structure, last accessed May, 2020.
[5] Kalman Filter Tutorial, https://www.kalmanfilter.net/default.aspx, last accessed Jan, 2020.
[6] MQTT Essentials, https://www.hivemq.com/mqtt-essentials/, last accessed Jan, 2020.
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[8] Paul Seymer, Duminda Wijesekera, Cing-Dao Kan, “Secure Outdoor Smart Parking using Dual Mode Bluetooth Mesh Networks”, 2019 IEEE 89th Vehicular Technology Conference (VTC2019-Spring), Kuala Lumpur, Malaysia, April 28 - May 1 2019.
[9] Paul Seymer, Duminda Wijesekera, Cing-Dao Kan, “Smart Parking Zones using Dual Mode Routed Bluetooth Fogged Meshes”, 5th International Conference on Vehicle Technology and Intelligent Transport Systems, Setúbal, Portugal, May 3 - 5, 2019
[10] Andrew Mackey, Petros Spachos, Konstantinos N. Plataniotis, “Smart Parking System Based on Bluetooth Low Energy Beacons With Particle Filtering”, IEEE Systems Journal, doi: 10.1109/JSYST.2020.2968883.
[11] Ing-Chau Chang, Peng-Jun Hsu, Yuan-Sheng Lin, Yu-Sheng Wu, Pin-Lin Chen, Xian-Feng Lin, Chin-En Yen, “Design and Implementation of an Internet-of-Things Roadside Parking System Based on Raspberry Pi 3 and Bluetooth Low Energy Mesh Sensor Network”, Sensors and Materials, Vol. 31, No. 2 (2019) 365–376
[12] Acer smart parking meter system, https://www.acerits.com/smart-parking-meter-system, last accessed Apr, 2020.
[13] Taipei smart parking meter system, https://www.ithome.com.tw/news/131922, last accessed Apr, 2020.
[14] Tainan smart parking meter system, https://decing.tw/smartparking/, last accessed Apr, 2020.
[15] Kaohsiung smart parking meter system, https://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=294&t=5454852, last accessed Apr, 2020.
[16] Parchere company smart parking meter system, http://www.parchere.com/page_about03.html, last accessed Apr, 2020.
[17] New Taipei City smart parking meter system, https://speed.ettoday.net/news/1616642, last accessed Apr, 2020.
[18] Tainan geomagnetic system, https://www.tainan.gov.tw/News_Content.aspx?n=13370&s=3750611, last accessed Apr, 2020.
[19] Taichung geomagnetic system, https://www.taichung.gov.tw/1250525/post, last accessed Apr, 2020.
[20] Raspberry Pi 3 Model B, https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/, last accessed Apr, 2020.
[21] Raspberry Pi 3 Model B+, https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b-plus/, last accessed Apr, 2020.
[22] Raspberry Pi 3 Model B / B+ Bluetooth Chip, https://www.argenox.com/library/bluetooth-low-energy/using-raspberry-pi-ble/, last accessed Apr, 2020.
[23] Estimote location beacon, https://estimote.com/products/, last accessed May, 2020.
[24] On-street parking, https://myway.cpami.gov.tw/wiki/wikiSession/1165, last accessed May, 2020.
[25] Bluepy, https://ianharvey.github.io/bluepy-doc/, last accessed May, 2020.
[26] Distance code , https://gist.github.com/eklimcz/446b56c0cb9cfe61d575, last accessed Jan, 2020.
[27] mosquitto, https://mosquitto.org/download/, last accessed Jan, 2020.
[28] paho-mqtt, https://pypi.org/project/paho-mqtt/, last accessed Jan, 2020.
[29] Wordpress, https://zh-tw.wordpress.com, last accessed Jan, 2020.
[30] Xampp, https://www.apachefriends.org/zh_tw/index.html, last accessed Jan, 2020.
[31] Bluetooth 5.1, https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/lessons-and-growth-in-bluetooth-angle-of-arrival-departure/, last accessed May, 2020.
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