停車場自動收費及管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

前言科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展的同時也促進了現(xiàn)代化管理手段日益進步，私家車數(shù)量的驟增也使得大眾對停車場車輛管理的要求越來越高。尤其是一些特殊停車場，比如對商場及政府機關(guān)、校園等環(huán)境的停車場而言，更加對各重視對車輛進行全面地嚴格的管理，再加上現(xiàn)如今各大商場商圈多采用外來車輛收費服務(wù)，人工進行這樣大規(guī)模的收費記錄是特別耗時費力的，在現(xiàn)今的大規(guī)模的場所中，出入的車輛數(shù)目是非常龐大的，如果都要人工對每輛車進行判斷，費時的同時又不利于管理，保衛(wèi)工作也比較困難，效率更是低下。為了改善現(xiàn)今與現(xiàn)代化、自動化停車場不相符合的管理情況，我們需要運用相應(yīng)的軟件管理系統(tǒng)，實現(xiàn)停車場管理的高效率、智能化，對出入的車輛進行有效地、準確地監(jiān)測和管理。該商場停車場自動收費系統(tǒng)是利用車牌識別算法，自動識別車牌號碼，并將車牌號碼等特征信息及入場時間信息等進行記錄，并進行相應(yīng)的分類管理和收費管理，以提供方便快捷的新型服務(wù)模式。在當(dāng)今現(xiàn)代化的生活中，汽車出行是人們不可或缺的一種交通方式，為了更好的管理汽車?？?，現(xiàn)如今很多學(xué)校、高檔社區(qū)和商場的停車場開始實行了停車計時收費政策，但人工的收費管理既浪費人力物力，又有造成車輛擁堵情況的可能。在這種趨勢下，智能交通開始逐漸成為現(xiàn)代交通管理的重要角色。隨著商場停車場進出車輛的增多，無論是工作人員開車來商場上班，還是一些外來車輛的出入對于商場的停車場已經(jīng)提出了考驗，日益增大的車輛管理需求使得建立一個停車場自動收費管理系統(tǒng)顯得尤為重要，該系統(tǒng)既能對車牌進行有效快速的識別，還能將車輛信息與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行對比匹配，以實現(xiàn)對車輛的分類管理。通過加載Keras框架的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)對商場內(nèi)部工作人員的車輛直接放行且不收費，對外來車輛進行計時收費。對確保商場人員安全和避免交通擁擠做出巨大貢獻。

問題定義1.1系統(tǒng)名稱商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)目標商場停車場自動收費管理系統(tǒng)主要分為五大部分，即管理員登錄、模型的訓(xùn)練及調(diào)用、車牌分割識別、數(shù)據(jù)管理及外部車輛收費。其中管理員登錄部分包括普通管理員和超管的注冊和登錄；模型的訓(xùn)練及調(diào)用部分包括對成熟的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的加載和使用；車牌分割識別部分包括對一張本地車牌圖片進行分割識別，并將相關(guān)信息存入數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)管理部分包括超級管理員對該系統(tǒng)車輛的信息和普管信息進行維護和更新，即增加、刪除、修改以及查詢功能，外部車輛收費部分包括對數(shù)據(jù)庫中的商場內(nèi)部車輛信息進行對比，如果確認為外部車輛則對其?？繒r間進行收費。

2、可行性研究2.1項目目標商場停車場自動收費管理系統(tǒng)的目標是可以使超級管理員和普通管理員能高效快速的管理停車場車輛的出入情況，并對商場內(nèi)部車輛信息及普通管理員信息進行更新管理和安全維護。2.2可行性分析2.2.1技術(shù)可行性現(xiàn)今數(shù)據(jù)分析和人工智能最流行的編譯語言是Python，Python是運行在解釋器上的解釋型編碼語言，具有跨平臺的特征。因為Python的代碼簡潔明了，簡單易學(xué)，故選擇Python3作為本系統(tǒng)的開發(fā)語言。此外，在開發(fā)系統(tǒng)時選用的操作系統(tǒng)是較為穩(wěn)定的Windows7，雖然版本相對Windows10有些低，但其穩(wěn)定性和發(fā)展的成熟度十分優(yōu)越；IDE集成開發(fā)環(huán)境有很多選擇，本系統(tǒng)IDE選擇Pycharm，并用Anaconda虛擬環(huán)境下的Python進行相應(yīng)代碼編輯，Anaconda3是一個環(huán)境的管理器，也是一個開源的包。通過使用Anaconda3提供的虛擬環(huán)境，可以在同一個機器上安裝和使用不同版本的軟件包及其依賴，并且能夠通過命令行實現(xiàn)在不同的虛擬環(huán)境之間的自由轉(zhuǎn)換，由于Anaconda3具有的廣泛的兼容性和其完備的功能性，使得本系統(tǒng)所需要的后臺環(huán)境可以方便的下載，提高了卷積模型的訓(xùn)練和調(diào)用速率。界面展示方面，選用Django框架和H5進行Web的頁面布局，布局的同時鏈接數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫方面選用輕量級的Sqlite3，易于學(xué)習(xí)和操作，綜上，該系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。2.2.2經(jīng)濟可行性商場停車場自動收費管理系統(tǒng)在開發(fā)中使用的全部軟件，都可以在網(wǎng)上免費下載官方正版，并且可以直接在自己的電腦上開發(fā)，不需要資金購買，數(shù)據(jù)庫使用的是開源的Sqlite3沒有使用一些收費的數(shù)據(jù)庫，例如Oracle，服務(wù)器使用的是自帶的服務(wù)器，節(jié)約了經(jīng)濟上的花費，在經(jīng)濟上是可行的。2.2.3操作可行性商場停車場自動收費管理系統(tǒng)是面向停車場收費管理人員的，已經(jīng)注冊的管理員可以直接登錄，沒有注冊的只要完成注冊通過審核就可以登陸，不需要安裝任何軟件也無需配置各種環(huán)境，管理員即使沒有經(jīng)驗經(jīng)過一定講解也可以操作，避免了由于復(fù)雜操作可能帶來的問題。管理界面設(shè)計的簡潔明了，管理員根據(jù)顯示的界面就能知道如何去進行操作，通俗易懂。使用該系統(tǒng)可以減少商場雇傭多余的簡單勞動力，并且可以安全有效的保存和管理車輛信息數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)使工作人員對商場進出車輛的管理更加的準確化、規(guī)范化、系統(tǒng)化，在操作上是可行的。2.2.4法律可行性商場停車場自動收費管理系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用的所有軟件都是正版，該系統(tǒng)的開發(fā)所使用的語言、工具、技術(shù)等均不違反任何法律，車輛信息只面向系統(tǒng)管理員進行公開，本次系統(tǒng)演示所需要的車牌信息及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)均為杜撰，故不存在抄襲或者侵權(quán)等責(zé)任問題。商場停車場自動收費管理系統(tǒng)在法律上是可行的。2.2.5社會可行性隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是汽車和住房兩大消費熱點的持續(xù)升溫，人們對于停車場的需求越來越迫切，停車場收費系統(tǒng)作為公共建筑和大型住宅區(qū)的重要組成部分，越來越引起人們的重視，停車場的系統(tǒng)升級改造，顯得尤為重要，建設(shè)商場停車場收費系統(tǒng)也有其社會意義，首先能起到有效的防盜竊作用。車輛進出有時間視頻記錄，能有效防止車輛盜竊和更換；還可以有效防止收費收入的流失；由于車輛進出庫數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)中有詳細的記錄，可以杜絕人為漏收和落個人腰包事件的發(fā)生；商場停車場自動收費管理系統(tǒng)的出現(xiàn)多社會的發(fā)展和穩(wěn)定做出了很大貢獻，因此商場停車場自動收費管理系統(tǒng)在社會層面上是可行的。

3、需求分析3.1系統(tǒng)需求分析商場停車場自動收費系統(tǒng)可以自動識別進入和駛出該停車場車輛的車牌號碼，同時驗證車輛是否為內(nèi)部車輛，并對分類后的車輛進行不同操作，其中包括出、入口管理及收費管理，管理員可以通過界面進行管理、更新和收費等工作。內(nèi)部車輛在該停車場可以通過超級管理員存儲和更新車輛信息。同時通過本系統(tǒng)可以實現(xiàn)該商場停車場對于內(nèi)外部車輛的出入、收費、信息維護等管理的準確化、智能化，并且具有易于操作，保護信息安全等優(yōu)點。3.1.1性能需求商場停車場自動收費系統(tǒng)性能需求有：節(jié)省開支，該系統(tǒng)只需要一到兩名人員進行簡單培訓(xùn)后即可操作系統(tǒng)；全天候正常工作，保持較高的車牌信息識別率；3.1.2功能需求商場停車場自動收費系統(tǒng)功能需求有：1）模型的構(gòu)建及訓(xùn)練；2）車牌圖片分割和識別；3）對車牌信息進行分類；4）停車收費；5）異常車輛處理；6）系統(tǒng)管理功能。3.1.2開發(fā)環(huán)境硬件環(huán)境：三星筆記本電腦，64bit，4G內(nèi)存操作系統(tǒng)：Windows7數(shù)據(jù)庫：Sqlite3開發(fā)工具：Python3.7、Keras2.2.4、Anaconda3、Pycharm3.1.3安全保密需求商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)通過設(shè)置登錄界面來保證車輛信息的安全性，非管理員無法對車輛進行收費和信息管理，就算是系統(tǒng)管理員也必須通過登錄或注冊才能進入系統(tǒng)，且只有管理員有權(quán)限調(diào)用查看和修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全。

4、總體設(shè)計4.1系統(tǒng)功能總體設(shè)計圖圖4-1停車場自動收費及管理系統(tǒng)總體設(shè)計圖Figure4-1Generaldesignofautomaticchargingandmanagementsystemforparkinglot該系統(tǒng)面向停車場收費管理員的用例圖如下：圖4-2收費管理員用例圖Figure4-2ChargeAdministratorUseCaseDiagram由上述用例圖可以看出管理員主要的操作功能包括管理員的登錄注冊功能、車牌分割識別功能、數(shù)據(jù)庫信息管理和車牌分類收費功能等。4.2登錄注冊功能商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)的登錄注冊功能僅對商場的停車場普通管理員和超級管理員進行開放，管理員們登錄到商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)的登錄注冊界面，輸入其唯一的用戶名和密碼，登錄驗證用戶名和密碼及審核情況成功后才能進入該系統(tǒng)，從而管理車輛的出入及收費情況。每個管理員都有各自唯一的賬號和密碼，只有管理員本人使用正確的管理員用戶名和密碼才能登陸成功使用該系統(tǒng)，否則會出現(xiàn)異常提醒，無法登錄。圖4-3管理員類圖Figure4-3AdministratorClassDiagram上圖所示為本系統(tǒng)對于管理員的一個manager類圖，可以看出在該類中有關(guān)于管理員用戶名、密碼、性別和年齡的屬性；并且有Meta函數(shù)進行調(diào)用。圖4-4管理員E-R圖Figure4-4AdministratorE-RDiagram4.3車牌識別模型構(gòu)建及訓(xùn)練本系統(tǒng)的車牌識別模型構(gòu)建及訓(xùn)練部分實質(zhì)上就是通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型達到對圖片上的內(nèi)容進行分類識別的作用。由于時間上的緊湊，故本系統(tǒng)使用的車牌識別模型是一個成熟的訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使用已經(jīng)訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以大大縮減系統(tǒng)開發(fā)時間，且可以提高車牌的識別準確率。本次使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)：圖4-5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖Figure4-5StructuralChartofConvolutionalNeuralNetworkModel由上圖所示，該卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層接收的是大小為20*20，歸一化后的灰度圖像；將其傳入卷積層conv2d_2:Conv2D，該卷積層共有32個卷積核，通過卷積核對輸入圖像進行卷積，得到18*18的特征圖，再將18*18的特征圖作為池化層的輸入，由上結(jié)構(gòu)圖所示，該卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用的池化方法為max_pooling2d_2:MaxPooling2D，即最大池化方式，池的大小為9*9。最大池化方式的池化操作就是將特征圖分割為互不重疊的池塊，將每個池塊的最大值作為每個池的特征值輸出，就得到了32個9*9的特征圖。之后再將9*9的特征圖作為輸入繼續(xù)進行上結(jié)構(gòu)圖的卷積與池化，得到如上述結(jié)構(gòu)圖的3*3特征圖；之后用Flatten函數(shù)將二維的特征圖轉(zhuǎn)換為一維的向量，其長度為576，并將其作為下一層的輸入，下一層即為全連接層Dense，通過全連接層對特征向量進行分類，全連接層包含一個輸入層、多個隱藏層和一個輸出層，每一層也有很多個神經(jīng)節(jié)點，在結(jié)構(gòu)圖中就不予體現(xiàn)了。最后配合激活層Activation的Relu激活函數(shù)，使特征圖中諸如車牌圖片背景等無意義的特征進行規(guī)避，以提高卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準確率。綜上，是本系統(tǒng)應(yīng)用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建原理及結(jié)構(gòu)。此外，本次使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運用的是ResNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，ResNet的來源是出于解決“在不斷增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度時會出現(xiàn)Degradation（退化），導(dǎo)致準確率下降”的問題，本次借鑒的模型應(yīng)用ResNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用ResNet殘差學(xué)習(xí)單元將學(xué)習(xí)目標進行修改，不在輸出學(xué)習(xí)后的完整輸出值而是輸出和輸入的差別，即殘差。圖4-6殘差學(xué)習(xí)：構(gòu)建塊Figure4-6ResidualLearning:BuildingBlocks在使用了ResNet結(jié)構(gòu)后，層數(shù)加深導(dǎo)致的訓(xùn)練集上誤差增大的現(xiàn)象有很大改善，這個結(jié)構(gòu)并不會網(wǎng)絡(luò)增加額外的參數(shù)和計算量，同時可以大大增加模型的訓(xùn)練速度，解決退化問題。上述已經(jīng)建立成熟的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型本身自帶大量的數(shù)據(jù)集并且已經(jīng)訓(xùn)練完成，故在此只做簡略介紹。該模型采用的的是Keras框架，Keras框架在訓(xùn)練模型之前還要進行編譯，如Accuracy函數(shù)和Loss損失函數(shù)。Loss損失函數(shù)是我們訓(xùn)練時的一個重要指標，這個損失函數(shù)的值表示卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于真實結(jié)果的差距，這個值越大則表明誤差越大，和0越接近說明我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的越精確。本次使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的Loss值為0.0003左右，Accuracy值為0.996左右。4.4車牌分割識別功能商場停車場自動收費管理系統(tǒng)的車牌識別功能是本系統(tǒng)的核心功能，在這一功能中，系統(tǒng)自動對車牌進行分割和識別，分割和識別是一個連貫的過程。大體上分為內(nèi)部車輛識別和外來車輛識別部分。首先從電腦本地上傳一張圖片，對車牌圖片進行分割和識別，識別后的車牌號進行輸出顯示，只要不是黑名單車輛均可進入停車場；在出口對車牌圖片進行分割識別時，如果是內(nèi)部車輛，則直接放行，如果是外來車輛，則根據(jù)?？繒r間收取相關(guān)的費用，并且將出入時間及收費金額等存儲到數(shù)據(jù)庫中。車牌識別的功能設(shè)計中主要運用Keras框架來加載使用上述的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分割識別這一部分流程圖如下：圖4-7車牌分割識別流程圖Figure4-7LicensePlateSegmentationandRecognitionProcessDiagram由上述流程圖所示，對輸入的車牌圖片灰度化和二值化處理后進行分割，分割后的單個車牌字符圖片轉(zhuǎn)換成20*20的像素大小后，輸入之前介紹的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，識別過后輸出車牌圖片的字符串。訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只要將權(quán)重文件保存起來，在下一次使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時，用模型加載權(quán)重文件，就可以進行預(yù)測，或者再次訓(xùn)練，采用loaded_model=keras.models.load_model('./save_models/chars_trained_model.h5')語句進行加載已經(jīng)訓(xùn)練和保存好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即可輸出相應(yīng)的識別結(jié)果。4.5數(shù)據(jù)庫信息管理功能商場停車場自動收費管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能主要是管理員根據(jù)現(xiàn)實情況對數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)部車輛的表中的車輛信息進行比對后，可以對內(nèi)部車輛信息進行增加、刪除、修改和查詢的操作，并且對進入商場的外部車輛進行管理和收費。在數(shù)據(jù)庫信息管理這部分，主要用到的是對商場內(nèi)部車輛的信息管理，其類圖如下：圖4-8內(nèi)部車輛類圖Figure4-8InternalVehicleClassDiagram由上述類圖所示，chepai類主要由車牌號、用戶名及聯(lián)系方式等屬性構(gòu)成，可以實現(xiàn)對車輛信息的存儲和介紹，同樣是用Meta函數(shù)進行建表和調(diào)用。概念模型設(shè)計之車牌信息E-R圖：圖4-9內(nèi)部車輛E-R圖Figure4-9InternalVehicleE-RDiagram內(nèi)部車輛信息包括車主姓名、車牌號、聯(lián)系方式、以及所屬部門，通過對內(nèi)部車輛信息的查看和對比可以一目了然內(nèi)部車輛的所屬和外部車輛的判斷。在停車場?？坑涗浀臄?shù)據(jù)庫方面，主要建立的類是關(guān)于車牌識別之后對車輛出入時間的記錄和錄入情況，類圖如下：圖4-10?？寇囕v總記錄類圖Figure4-10GeneralRecordClassDiagramofParkingVehicles由上述類圖所示：記錄停車場?？寇囕v信息的累主要有車牌號碼、進入時間和出場時間等屬性構(gòu)成，同樣由Meta函數(shù)進行調(diào)用。圖4-11?？寇囕vE-R圖Figure4-11E-RDiagramofParkingVehicles車輛停靠信息主要包括車牌號、進出時間及收費金額；對于進入商場停車場的車輛該系統(tǒng)都會進行記錄，而在駛出時會對車輛信息和內(nèi)部車牌進行對比，如果判斷為內(nèi)部車輛則金額記錄為0，如果是外部車輛則按收費標準進行收費并記錄。256784.6.1數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計表4-1管理員表Tab.4-1Administratortable字段名稱數(shù)據(jù)類型長度可否為空主鍵字段說明idint32否是管理員編號usernamechar32否否管理員名passwordchar32否否密碼Sexchar32否否性別Ageshenheint char3232否 否否否年齡 審核情況表4-2商場內(nèi)部車輛表Tab.4-2Vehiclewatchesinshoppingmalls字段名稱數(shù)據(jù)類型長度可否為空主鍵字段說明idint32否否車牌編號platenumchar32否是車牌號ownerchar32否否車主名Telnumint32否否聯(lián)系方式documentchar32否否所屬部門表4-3停車場車輛?？靠傆涗洷鞹ab.4-3GeneralRecordofParkingLots字段名稱數(shù)據(jù)類型長度可否為空主鍵字段說明idint32否否記錄編號platenumchar32否是車牌號intimedatetime32否否進入時間outtimedatetime32否否駛出時間amountchar32否否收費金額4.6車牌分類及收費功能商場停車場自動收費管理系統(tǒng)的車牌分類及收費功能是基于對車輛的車牌信息即車牌號碼進行識別和數(shù)據(jù)庫信息比對后，內(nèi)部車輛可以直接放行，而外部車輛按?？繒r間進行收費。由于商場停車場大多公用出入口，故本功能的出入口管理也可以理解為出口和入口是相同的，具體流程詳見圖5-10和圖5-11。

5、詳細設(shè)計5.1開發(fā)工具的選用及主要技術(shù)介紹商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)是用Python語言進行編寫的，故為了方便，環(huán)境是選擇了Anaconda的虛擬環(huán)境，并且安裝了Keras和Opencv3等包；數(shù)據(jù)庫選擇了Pycharm自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫。因此后臺工具選擇Pycharm，而前端設(shè)計頁面選擇了Django和H5的模式進行編寫；此外車牌識別的部分使用的是基于Keras框架加載的一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型。5.1.1Python與Anaconda3Python有十分簡單通俗的語法，非常適合我這樣的新手上手學(xué)習(xí)。Python的本質(zhì)是運行在解釋器上的解釋型的語言，具有跨平臺的特征。Python不僅是支持面向?qū)ο蟮木幊?，而且它還支持面向過程的編程。它應(yīng)用的如此廣泛得益于Python語言不僅免費而且開源，能夠自由地進行對軟件拷貝、瀏覽源代碼、對它做出一些改變，也可以把它的其中一部分用在其他的地方，比如用在自由系統(tǒng)中。而且大部分的Python程序可以在多種計算機平臺系統(tǒng)上運行。本次設(shè)計我選用的Python版本是在Anaconda3虛擬環(huán)境下的Python3.7。Anaconda3是一個Python的發(fā)行版，它強大的兼容性使得它同樣也支持本次系統(tǒng)開發(fā)用到的Windows7系統(tǒng)。Anaconda3提供了對多種包的管理和對一些虛擬環(huán)境的管理功能，運用Anaconda3能夠很方便地解決在各個虛擬環(huán)境下的多版本Python并存，還可以解決包括這些虛擬環(huán)境及相應(yīng)Python版本之間的切換以及各種第三方包的查詢和安裝等相應(yīng)問題。Anaconda3可以使用其自帶的AnacondaNavigator或者在終端命令行運用conda來進行對包和虛擬環(huán)境的建立、下載及管理等操作，Anaconda3安裝過后就已經(jīng)默認包含了很多包文件以及Python的相關(guān)工具，因此Anaconda3完全可以理解為一個打包的聚合，里面已經(jīng)預(yù)裝好了需要的conda、Python3以及相關(guān)的配套包和工具等等。5.1.2Pycharm本次的IDE我選擇了深度學(xué)習(xí)必不可少的工具Pycharm，Pycharm本身就帶有一整套的工具和環(huán)境，在實際操作中可以幫助程序員在使用Python語言相應(yīng)框架進行開發(fā)時提高其效率，可以說算得上是當(dāng)今使用最廣泛的PythonIDE，，它的功能主要體現(xiàn)在包含Project管理、語法高亮、調(diào)試、代碼跳轉(zhuǎn)等等。此外Pycharm還提供了一些很的簡潔易懂的功能用于Django開發(fā)，本次系統(tǒng)的前端也是在Pycharm下運用Django框架和H5前端共同編寫的界面，下面會在Django部分介紹其詳細設(shè)計過程。5.1.3DjangoDjango是可以使Web開發(fā)工作變得高效率的框架，提供了頻繁進行編程作業(yè)的快速解決方法，本系統(tǒng)界面設(shè)計主要運用MVC模式。其中models.py文件主要是用類來描述數(shù)據(jù)，可以通過該文件來建立和修改數(shù)據(jù)庫中的表；views.py文件包含了頁面展示調(diào)用的函數(shù)以及相應(yīng)的函數(shù)邏輯，通過views.py文件可以對路由和H5前端頁面進行連接，比如在views.py文件中定義的Def后的Request函數(shù)名寫進路由頁，而函數(shù)的Return值可以返回一個Html頁面；urls.py指出定義了怎樣的URL調(diào)用什么樣的視圖。上述這些部分遵循的模式稱為模型-視圖-控制器模式(MVC)。5.1.4SQLiteSQLite是一個C語言庫，它實現(xiàn)了一個小型、快速、獨立、高可靠性、全功能的SQL數(shù)據(jù)庫引擎。SQLite內(nèi)置于所有手機和大多數(shù)計算機中，捆綁在人們每天使用的其他應(yīng)用程序中，是世界上使用最多的數(shù)據(jù)庫引擎。其文件格式穩(wěn)定、跨平臺。SQLite數(shù)據(jù)庫文件通常用作在系統(tǒng)之間傳輸豐富內(nèi)容的容器，并作為數(shù)據(jù)的長期存檔格式。其源代碼在公共域中，每個人都可以出于任何目的自由使用。5.1.5Keras停車場自動收費及管理系統(tǒng)的車牌識別的功能想要實現(xiàn)，最基礎(chǔ)也是最核心的技術(shù)就是搭建一個關(guān)于車牌識別的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，現(xiàn)在很多支持Python語言的深度學(xué)習(xí)框架都能夠完成。本次模型我選擇了當(dāng)下很流行也非常穩(wěn)定的開源程序框架Keras。Keras是純粹由Python編寫而成的框架，我們也可以理解它為是高層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)API，它支持快速實驗，擁有可擴充性、高度模塊化、和簡單易上手等特征；Keras是基于Theano、Tensorflow以及CNTK后端，再次基礎(chǔ)上它比起Tensorflow擁有更強的封裝性，而且Keras能夠無縫進行CPU和GPU切換。其簡潔、高效、易學(xué)的原型設(shè)計可以同時支持CNN和RNN，還支持二者的結(jié)合。由于Keras框架在Tensorflow基礎(chǔ)上完成了再一次的封裝，令搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型變得更加快捷簡單，很適合新手學(xué)習(xí)，并且由于其相應(yīng)部分的開源的特性，使用者也可以根據(jù)現(xiàn)實的需求更改源代碼。5.1.6卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)想要識別一個車牌圖片，其核心方法為分類算法。商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)車牌識別部分的分類工作主要是靠卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全連接層來完成，而卷積層、激活層、池化層的工作都是為了輸入到全連接層做準備，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型雖然層數(shù)比較多，但是層數(shù)的種類只包括上述4種：1）卷積層卷積層的輸入是一張二維的圖片，卷積核工作在卷積層中，卷積核類似于一個小的像素滑動窗口，對輸入進來的圖像進行逐行掃描，滑動的步長為一個像素，一行接替一行掃描。每次掃描到一個位置時，根據(jù)卷積核內(nèi)的n*n個權(quán)重值，對圖片上的像素進行運算，例如如果卷積核大小是3*3，圖片上掃描的像素也為3*3，把掃描到的位置上的像素值與卷積核上的權(quán)重值相乘再相加，得到這個卷積核對應(yīng)特征圖上的一個特征值。一個卷積核掃描完一張圖片后，得到一個特征圖。以上是一個卷積核的工作過程，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的卷積層中通常會有多個卷積核，卷積核的數(shù)量就是特征圖的數(shù)量，比如輸入的圖片（20，20，1），如果有32個卷積核，圖片就變成了（20，20，32），32即為抽象出來的特征圖的個數(shù)。圖5-1卷積層工作原理1Fig.5-1Workingprincipleofconvolutionlayer1圖5-2卷積層工作原理2Fig.5-2Workingprincipleofconvolutionlayer2綜上，卷積層主要做兩件事情，對圖像特征的提取，減少參數(shù)，簡化運算。2）池化層池化層的主要工作就是池化，它與卷積層的工作方式類似，都有一個在圖片上滑動的滑動窗口，池化層連接在卷積層之后，所以池化層中的輸入是一張經(jīng)過卷積過后的特征圖。池化的工作方式就最大池化方式來說，取池化核內(nèi)的最大值，然后映射到池化輸出圖像一個像素點上。池化的步長與卷積核不同，卷積核的步長通常是1，有重復(fù)計算的部分，池化核的步長為池的大小，且直接移動到下一個位置，沒有重復(fù)計算。圖5-3池化層工作原理Fig5-3Workingprincipleofpoollayer綜上，池化層主要的工作就是進一步降低數(shù)據(jù)規(guī)模，使特征圖變小。3）激活層激活層實際上就是使用激活函數(shù)，激活層會被放置在卷積層和全連接層之后，在特征圖生成過程中，很弱的特征不經(jīng)過非線性處理，輸出后后面的層會把它當(dāng)作一個特征，有可能這種特征是背景顏色這樣無意義的特征，這種毫無意義的特征在訓(xùn)練過程中會影響數(shù)據(jù)的分類。激活函數(shù)主要有Relu、Tanh等。4）全連接層 全連接層在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中起到的作用就是分類器的作用，把通過卷積層、激活層和池化層之后得到輸出進行整合，進行圖像分類，從而達到分類識別的目的。5.2管理員登錄注冊界面設(shè)計商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)的管理員登錄注冊頁面主要用于對普通管理員和超管進行對系統(tǒng)的權(quán)限驗證，只有進行注冊的管理員或者已經(jīng)注冊過的管理員，通過其唯一的用戶名和密碼才能進入系統(tǒng)。而普通管理員還需要通過超級管理員的審核才能登錄，本部分的界面設(shè)計主要用到兩個輸入框可以分別輸入用戶名和密碼，還有按鈕可以進行確認和注冊。大致的布局如下：圖5-4登錄界面設(shè)計圖Figure5-4DesignofLoginInterface上圖登錄注冊功能的具體操作流程大致為：管理員進入登錄注冊頁面，對于第一次進入的管理員可以點擊注冊按鈕進行相應(yīng)信息的注冊和錄入；對于已經(jīng)注冊過的管理員可以直接在修改框中輸入其唯一的管理員名稱和對應(yīng)的密碼，點擊登錄按鈕進入商場停車場車牌自動收費與管理系統(tǒng)的信息管理界面。而管理員的職位我也根據(jù)需要分為了普通管理員和超級管理員。其中普通管理員擁有的權(quán)限要比超級管理員的權(quán)限范圍小一些，主要表現(xiàn)在普通管理員注冊其信息以后要由超級管理員進入信息管理頁面來進行相應(yīng)的普通管理員資格審核，只有審核情況為“通過”的普通管理員才能通過正確而又唯一的名稱和密碼登錄車牌及收費管理系統(tǒng)，否則將會顯示“您正處于審核期”；而超級管理員和普通管理員進入的頁面也不盡相同，超管的主頁面主要為對普通管理員的管理，包括對其信息進行相應(yīng)的修改刪除以及對其資格的審核功能，超管頁面還包括對內(nèi)部車輛的管理和添加、對停車場總記錄的查詢。而普通管理員的權(quán)限僅限于控制車輛的進出和對停車總記錄的瀏覽。在此部分我還設(shè)定了超管可以通過超管主頁的操作轉(zhuǎn)換為普通管理員。如果普通管理員還沒有注冊信息，則可以點擊注冊進入注冊頁面，大致布局如下：圖5-5注冊界面設(shè)計圖Figure5-5DesignofRegistrationInterface在上圖注冊功能的具體操作流程大致為，想要注冊的普通管理員可以進入上圖頁面進行信息添加，用戶名一定是字母或數(shù)字組成，兩次輸入的密碼要保持一致，否則會報錯，年齡默認為1-100，點擊注冊則將信息錄入數(shù)據(jù)庫的普通管理員信息表中，等待超級管理員審核，如果審核通過則可以通過注冊的管理員名稱和密碼進行登錄。5.3超級管理員信息管理界面設(shè)計商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)內(nèi)部存儲著本商場的內(nèi)部車輛的相關(guān)車輛信息，而且還有車牌識別后的進出時間等信息。在數(shù)據(jù)庫方面，由于這些信息只對超級管理員開放，只有超級管理員才可以管理這些數(shù)據(jù)，進行刪除、修改和總覽等操作，所以需要聯(lián)系數(shù)據(jù)庫進行信息管理的界面顯示。在此界面中，需要有對車牌信息的修改，添加和刪除功能，用戶通過按鈕可以進入相應(yīng)的更新界面進行操作。粗略的界面如下：圖5-6車輛信息管理界面設(shè)計圖Figure5-6DesignofVehicleInformationManagementInterface上述內(nèi)部車牌信息管理功能的具體操作流程大致為：超級管理員進入內(nèi)部車輛信息管理頁面之后可以總覽所有的內(nèi)部車輛信息，對于想要修改的信息點擊其對應(yīng)的表格后方的修改按鈕進行任意項的修改，進入修改界面后對想要修改的任意項進行改寫；如果想要執(zhí)行刪除功能即點擊想要刪除的車輛信息后方對應(yīng)的刪除按鈕，直接刪除該條信息所有內(nèi)容。圖5-7普通管理員管理界面設(shè)計圖Figure5-7GeneralAdministratorManagementInterfaceDesignDiagram上述普通管理員信息管理功能的具體操作流程大致為：超級管理員進入普通管理員信息管理頁面之后可以總覽所有的內(nèi)部車輛信息，對于想要修改審核信息的點擊其對應(yīng)的表格后方的修改按鈕進行修改，進入修改界面后對想要修改的任意項進行改寫。其中包括改寫普通管理員的認證資格；如果想要執(zhí)行刪除功能即點擊想要刪除的管理員信息后方對應(yīng)的刪除按鈕，直接刪除該條信息所有內(nèi)容，即駁回該管理員的管理申請。5.4車牌信息識別界面設(shè)計圖5-8車牌識別界面設(shè)計圖Figure5-8DesignofLicensePlateRecognitionInterface對于上述管理員車牌識別功能的操作流程大致為：管理員從本地圖片文件夾選擇想要識別的車牌圖片，之后點擊識別按鈕，可以通過跳轉(zhuǎn)到卷積模型識別出車牌號的字符串并輸出；輸出的字符串即車牌號，顯示在上圖的“車牌號為：”后邊。在輸出相應(yīng)車牌號后，如果點擊“進入停車場”，則將入場時間記錄到商場的停車場總記錄中；此外如果選擇“駛出停車場”則將識別后的車牌號字符串與內(nèi)部車輛信息的車牌號進行逐一比對，以便在該車駛出過程中，如果車牌內(nèi)部信息數(shù)據(jù)庫有該車牌的相應(yīng)信息則顯示該條信息并將駛出時間寫入數(shù)據(jù)庫，如果沒有比對相同信息，則記錄出入時間到數(shù)據(jù)庫的同時計算出應(yīng)該繳納的金額。界面布局大致如下：圖5-9停靠車輛界面設(shè)計圖Figure5-9InterfaceDesignofParkingVehicles5.4.1車牌分類及收費功能流程圖圖5-10停車場入口管理流程圖Figure5-10Parkingentrancemanagementflowchart停車場入口管理流程圖說明如下：想要停車的車輛到達停車場入口后停車場自動收費及管理系統(tǒng)可以自動識別車輛的車牌號碼并用字符串顯示出來，對于在黑名單里的車輛實現(xiàn)直接報警或響起警報器功能；其余的車輛則可以由普通管理員手動放行進入停車場，放行的同時將車牌號碼和進入時間的信息寫進數(shù)據(jù)庫的停車場進出情況總記錄中。圖5-11停車場出口管理流程圖Figure5-11Parkinglotexitmanagementflowchart停車場出口管理流程圖說明如下：停車場內(nèi)車輛到達停車場出口后停車場自動收費及管理系統(tǒng)再次進行識別并顯示車輛車牌號碼，根據(jù)數(shù)據(jù)庫里的商場內(nèi)部車輛信息來對車輛的分類做出判斷。對于商場內(nèi)部的車輛直接放行不收費，同時把車輛的出場時間等信息保存到數(shù)據(jù)庫的停車總記錄表中；如果判斷為外來車輛，則按外來車輛停靠時間的收費規(guī)則進行相應(yīng)的收費，收費后普通管理員進行手動放行，同時系統(tǒng)將出場時間和收費金額等信息保存到數(shù)據(jù)庫的總記錄表中。

6、系統(tǒng)實現(xiàn)6.1代碼規(guī)則源程序代碼最好要通俗易懂、有必要的注釋、邏輯簡單清晰，這是好程序的其中幾個標準。程序的編寫最好要包括恰當(dāng)?shù)臉俗R符以及適當(dāng)精簡的注解等，這樣無論是本專業(yè)人員還是非本專業(yè)人員都能對代碼有一定的理解和認識；數(shù)據(jù)和代碼說明的次序應(yīng)該按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或數(shù)據(jù)類型來確定，這樣在有環(huán)節(jié)測試出錯時可以精準的定位到需要完善的代碼部分。運用掌握更為熟練的語言在編碼部分遇到的困難會比較少，可以省去大量時間與精力，并且可以編出更容易更新和更容易維護的源程序；在語句構(gòu)造方面應(yīng)盡量減少比較繁瑣復(fù)雜的條件測試，以避免讀代碼時出現(xiàn)邏輯混淆，也要避免大量使用循環(huán)和條件嵌套；在輸入輸出方面應(yīng)對正常和異常的數(shù)據(jù)類型都進行一定的處理，同時保持輸入內(nèi)容的簡單精煉，輸出形式簡單簡潔等。6.2代碼標準1）需要滿足停車場車牌識別及收費系統(tǒng)的收費管理員的要求。2）編譯編寫的程序需要滿足可以使用的規(guī)則。3）根據(jù)工程的規(guī)模進行調(diào)整。4）程序員的知識可讀懂校驗。5）代碼具有可移植性、標準化等要求。6）軟件的應(yīng)用范圍應(yīng)該廣泛的或是有特定針對性的。6.3系統(tǒng)功能實現(xiàn)商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)的主要功能實現(xiàn)是通過Django框架聯(lián)系Html所構(gòu)建的Web網(wǎng)頁的前端顯示，通過對模型及庫函數(shù)等的調(diào)用和代碼的編寫編譯，調(diào)試出可實現(xiàn)的系統(tǒng)功能，主要包括超級管理員的登錄和普通管理員的登錄注冊功能；超級管理員對商場內(nèi)部車輛和普通管理員信息的審核、修改、刪除和維護功能的實現(xiàn)及前端Web展示；普通管理員對車輛的放行管理；管理員對停車場進出情況及收費情況的總瀏覽功能及頁面實現(xiàn)。6.3.1登錄注冊界面實現(xiàn)通過使用Django和HTML以及Sqlite3數(shù)據(jù)庫，編寫出了簡潔好操作的Web界面，其中登錄注冊界面的實現(xiàn)及效果截圖如下：圖6-1登錄界面截圖Figure6-1ScreenshotofLoginInterface在登錄注冊界面，已經(jīng)審核“通過”的普通管理員和超級管理員可以通過其管理員名稱和密碼進行登錄。如果沒有輸入任何信息點擊“登錄”按鈕，則在登錄框的提示小燈泡后方顯示：用戶名密碼不能為空；當(dāng)管理員輸入的用戶名和密碼有任一錯誤時，則提示小燈泡后方顯示：用戶名/密碼不正確；如果還在審核期間的普通管理員用其用戶名和密碼登錄，則提示：您還處于審核階段，請耐心等待；而超級管理員可以直接通過正確的驗證后進入系統(tǒng)，不會顯示審核提示。圖6-2普通管理員注冊界面Figure6-2GeneralAdministratorRegistrationInterface在注冊界面，想要注冊的普通管理員可以通過點擊登錄界面的“立即注冊”字樣即可進入上截圖頁面。由上截圖所示，想要注冊的普通管理員可以填寫相應(yīng)的管理員信息來注冊普通管理員。在注冊操作中，注冊者填寫的用戶名為3-18位由數(shù)字、字母、下劃線和減號等構(gòu)成的，易于登錄時的輸入操作；填寫的用戶密碼和確認密碼要一致，否則會彈出提示框；年齡的輸入值定在1-100之間，如果不填則默認為1，當(dāng)然年齡如果不符則審核過程則會更加漫長。在全部信息添加完成后可以點擊“注冊”按鈕，之后跳轉(zhuǎn)到注冊成功頁面。圖6-3普通管理員注冊成功界面Figure6-3GeneralAdministratorRegistrationSuccessInterface普通管理員注冊成功后，直接跳轉(zhuǎn)到上述頁面，之后點擊“登錄”，可以回到登錄界面，但剛注冊的信息由于超級管理員還沒有通過審核，故不能直接登錄。6.3.2實現(xiàn)車牌分割商場停車場自動收費及管理系統(tǒng)在實現(xiàn)車牌分割即車牌圖片按字符分割的過程中，我選擇了現(xiàn)在較為流行也很適合新手的Python語言對其進行編寫和實現(xiàn)。為了編寫代碼的方便和簡潔，我使用的是Anaconda3下的Python3.7和Opencv3的方式，分割的具體原理為：本地調(diào)用的車牌圖片由于多是藍白兩色構(gòu)成，所以說每個像素點都是由RGB定義的。在這種時候就很難區(qū)分哪里是背景圖和車牌字符圖，所以就需要對車牌圖片進行一些顏色上的處理，我選擇的方法就是將車牌圖片灰度化，也就是把每個像素的RGB都變成灰色的RGB值即R=G=B的。因為OpenCV有封裝好的函數(shù)，在我的代碼中體現(xiàn)為：img_thre=cv2.cvtColor(img1,cv2.COLOR_BGR2GRAY)，通過這個函數(shù)就可以將圖片進行灰度化了?；叶然鬄榱吮阌谟嬎銠C的識別我們要將灰度化的圖片進行二值化，剛才的第一步灰度化就是為了把每個像素轉(zhuǎn)變成0或1的數(shù)字；每個像素的RGB值都相等了，那么將這個值稱為灰度值，我們大致假設(shè)一張灰度化后的車牌圖片中，其背景的灰度值大約集中在190左右，而車牌號字符的灰度值大約集中在30左右，經(jīng)過幾次實踐之后我規(guī)定了一個較為合適的中間值129，小于129的像素點就將其全部記錄為0，大于129的像素點就全部記錄為1，通過閾值的劃分就實現(xiàn)了二值化，其具體函數(shù)也封裝在opencv3的庫中，我的代碼中體現(xiàn)為：cv2.threshold(img_gray,129,255,cv2.THRESH_BINARY,img_thre)。對于車牌字符的切割我選擇的方法大致是經(jīng)過二值化的車牌圖片現(xiàn)在已經(jīng)看成是一個0-1的矩陣了，其中我規(guī)定arg=True，即其中黑色像素作為背景，而白色像素作為車牌字符，從而可以用每一列的0-1總數(shù)來分類切割。為了更好的測試，我選定的本地車牌圖片幾乎水平，且?guī)缀鯖]有噪點，之后將每一列的1值和0值分別統(tǒng)計起來。代碼如下：white=[]#每一列的白色像素總和black=[]#每一列的黑色像素總和height=img_thre.shape[0]width=img_thre.shape[1]white_max=0black_max=0#計算每一列的黑白色像素總和foriinrange(width):s=0#這一列白色總數(shù)t=0#這一列黑色總數(shù)forjinrange(height):ifimg_thre[j][i]==255:s+=1ifimg_thre[j][i]==0:t+=1由上述代碼我們我們已得到每一列的黑白像素的情況，之后我根據(jù)0-1總和的變換來切割字符。所以就定義了一個分割字符的函數(shù)deffind_end(start_)，分割字符代碼大致如下：deffind_end(start_):#分割圖像end_=start_+1forminrange(start_+1,width-1):if(black[m]ifargelsewhite[m])>(0.95*black_maxifargelse0.95*white_max):#0.95是根據(jù)我選取的本地車牌圖片的情況來調(diào)整的end_=mbreakreturnend_arg=True#arg=False則表示白底黑字；反之則表示黑底白字ifblack_max<white_max:arg=False通過上述代碼我們就實現(xiàn)了對一個本地車牌圖片進行圖片的分割處理，將其統(tǒng)計像素點之后進行統(tǒng)計分割，得到的是車牌字符串分割后的單個字符，例如：圖6-4車牌分割效果圖Figure6-4LicensePlateSegmentationEffectMap6.3.3實現(xiàn)車牌識別及卷積模型的調(diào)用根據(jù)上述6.3.2介紹所得出的分割后的字符，我將其保存在相應(yīng)的文件夾中，之后為了讓其更好的輸入模型中，我由通過Opencv3中的Resize函數(shù)對圖片進行了格式像素的改變，以便它可以輸入模型進行識別。在車牌分割識別頁面的實現(xiàn)中，我設(shè)置了可以打開本地文件的功能，通過該功能可以獲取本地圖片的路徑，得到路徑后通過load.models函數(shù)在views.py文件中運用Keras框架對識別模型進行加載和調(diào)用。圖6-5選取識別車牌圖片界面Figure6-5SelectionandRecognitionofLicensePlatePictureInterface由上截圖所示，點擊“選擇文件”按鈕，即可彈出截圖所示的本地文件夾，在文件夾中選取想要識別的車牌圖片，點擊圖片后點擊“打開”按鈕，之后界面會顯示圖片的路徑，此時點擊“識別”按鈕，就會將圖片的路徑傳到分割識別代碼中，識別完成后顯示如下頁面：圖6-6車輛放行管理界面Figure6-6VehicleReleaseManagementInterface由上截圖所示，通過調(diào)用車牌識別模型將選取的圖片進行分割識別后顯示在上述頁面的“車牌號為：”之后；通過識別后的車牌由管理員判斷是進入停車場還是駛出停車場。點擊“進入停車場”按鈕則跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)庫錄入界面。點擊“駛出停車場”按鈕則對車牌進行分類進入不同界面，如果為外部車輛則進行相應(yīng)收費，如果為內(nèi)部車輛直接放行。圖6-7車輛進入停車場界面Figure6-7VehicleEntryParkingInterface上述截圖可以看出，這是管理員選擇了“進入停車場”按鈕后對車牌信息進行數(shù)據(jù)庫的錄入，點擊“主頁”則進入普通管理員管理主頁，點擊“總記錄”則進入停車場停靠記錄頁面，同樣的，對于駛出停車場的車輛也會進行相應(yīng)的分類和界面展示，其截圖如下：圖6-8內(nèi)部車輛放行界面Figure6-8InternalVehicleReleaseInterface圖6-9外部車輛收費界面Figure6-9ExternalVehicleChargingInterface6.3.4數(shù)據(jù)庫信息實現(xiàn)圖6-10停車場車輛?？坑涗浌芾斫缑鍲igure6-10ParkingRecordManagementInterface上述截圖是普通管理員和超級管理員都能進入的記錄查看頁面，兩者都可以對停靠記錄進行查驗，而沒有權(quán)限進行更改和刪除。圖6-11內(nèi)部車輛信息管理界面Figure6-11InternalVehicleInformationManagementInterface圖6-12內(nèi)部車輛信息添加界面Figure6-12InternalVehicleInformationAddingInterface圖6-13內(nèi)部車輛信息修改界面Figure6-13InternalVehicleInformationModificationInterface上述三張截圖展示的是超級管理員對商場內(nèi)部車輛的管理和更新功能，即可以進行增刪改查等操作。圖6-14普通管理員管理界面Figure6-14GeneralAdministratorManagementInterface上述截圖是超級管理員