孫二杰，孫冰瑩，神瑞寶，李偉，石震

（1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250101；2、國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司）

引 言

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下車庫燈光導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過燈光控制器對車位進(jìn)行檢測，然后通過算法為到來的車輛分配一個最近的空車位，最后通過控制該路徑上的照明燈完成對車主的引導(dǎo)。同時，該系統(tǒng)能合理控制車庫內(nèi)的照明，在保證車庫照度要求的情況下，避免了大量長明燈的存在，節(jié)約了電能。

1 總體方案設(shè)計

圖1為地下車庫燈光導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由控制中心計算機(jī)、車牌識別系統(tǒng)、通信控制器、無線燈光控制器組成。

無線燈光控制器主要由MSP430單片機(jī)、微波檢測模塊、超聲波檢測模塊、ZigBee 無線模塊、照明控制電路、電源及看門狗電路組成，如圖2所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

該控制器選用MSP430F149，因為該系列單片機(jī)是一種超級低功耗的混合信號處理器，具有簡潔的內(nèi)核、精簡的指令結(jié)構(gòu)、大量片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和豐富的尋址方式［13］。超聲波檢測模塊用來檢測車位占用情況及行車方向，超聲波檢測模塊通過將所測距離與其所安裝的高度進(jìn)行對比來確定車位是否被占用，假設(shè)無線燈光控制器安裝高度為3m，則規(guī)定：如果所測距離2.5m＜d≤3 m，則車位無車；如果0≤d≤2.5 m，則車位有車。

無線燈光控制器上安裝有兩個超聲波傳感器A、B，通過判斷這兩個超聲波狀態(tài)改變的先后順序來判斷車的行車方向，在沒有車輛經(jīng)過的情況下，A、B 的狀態(tài)均為無車，當(dāng)A 的狀態(tài)發(fā)生改變后，如果在很短的時間內(nèi)B的狀態(tài)也發(fā)生改變，則行車方向為由A 到B；反之，則行車方向為由B到A。微波檢測模塊用來檢測探測范圍內(nèi)是否有人或車輛移動，如果有，照明控制電路點亮所控?zé)艟撸?s后燈具自動熄滅。看門狗電路用來實時監(jiān)測程序運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)程序發(fā)生故障進(jìn)入死循環(huán)后，看門狗定時器溢出，從而引起看門狗中斷，給MCU 一個復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。

ZigBee模塊用于無線燈光控制器與主控制器之間的通信，ZigBee技術(shù)是一種低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高可靠性、高安全性的雙向無線通信技術(shù)，使用該通信方式可以避免有線電纜的鋪設(shè)，降低了系統(tǒng)的安裝成本與安裝難度。電源模塊用來給整個無線燈光控制器提供電源。照明控制電路主要是用來控制燈具的亮滅。

當(dāng)車輛入庫時，入口攝像頭獲取車輛的車牌信息，出入口控制管理計算機(jī)對車牌進(jìn)行識別。如果該車是長期用戶，則開啟道閘，放行車輛。若車牌信息不存在，說明該車為臨時車輛，發(fā)放臨時電子標(biāo)簽，開啟道閘，并對車輛進(jìn)行路徑規(guī)劃，并逐步給最短路徑上對應(yīng)的智能無線燈光控制器發(fā)出指令，智能無線燈光控制器控制相應(yīng)的燈具亮起，車輛經(jīng)過后，燈具自動熄滅。車輛出庫時，無線燈光控制器判斷車輛離開車位，并將信息通過ZigBee發(fā)送到出入口控制管理計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)車輛位置以及出口位置，為出庫車輛規(guī)劃出一條最短路徑，并逐步給這條路徑上對應(yīng)的智能無線燈光控制器發(fā)出指令，智能無線燈光控制器控制相應(yīng)的燈具亮起，車輛經(jīng)過后，燈具自動熄滅。

圖2無線燈光控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 無線燈光控制器設(shè)計

2.1 超聲波模塊設(shè)計

超聲波模塊可獨立工作，選用STC 系列的51單片機(jī)，為增強(qiáng)驅(qū)動能力選用CD74ACT05M 驅(qū)動超聲波發(fā)射頭。超聲波接收采用CX20106A，該芯片內(nèi)含解調(diào)電路、前置放大電路等幾部分電路，該芯片體積小，同時接收角度寬、價格低。

首先由51單片機(jī)的定時器1產(chǎn)生頻率為40kHz的方波，由于單片機(jī)引腳驅(qū)動能力弱，測量距離有限，所以將40kHz的方波信號分成兩路，送給由CD74ACT05M組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大，以便使測量距離足夠遠(yuǎn)、滿足使用要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T，以聲波形式發(fā)送到空氣中。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

上述超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后反射回來，超聲波接收探頭接收到回波后，將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)CX20106A 內(nèi)部放大后再進(jìn)行限幅放大，變?yōu)榫匦蚊}沖后濾除干擾信號。檢波器濾掉載波檢出指令信號，當(dāng)接收信號與CX20106A 中心頻率相符時，由7引腳產(chǎn)生一個下降沿。超聲波接收電路如圖4所示。

圖4 超聲波接收電路

2.2 微波調(diào)理電路設(shè)計

為縮短研發(fā)時間，選用HB100微波模塊，該模塊主要是用來檢測探測范圍內(nèi)有無移動車輛。然而微波模塊只能輸出峰峰值十分小的多普勒頻移信號，只有對輸出的信號進(jìn)行數(shù)千倍的放大，才能被單片機(jī)識別。為了滿足不同場合下對微波探測距離遠(yuǎn)近不同的要求，將R1設(shè)為可調(diào)電阻，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。為了防止干擾信號的干擾，需將偏置比較電路調(diào)節(jié)到一個相對合適的閾值［12］。微波調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 微波信號調(diào)理電路

2.3 照明控制電路設(shè)計

照明控制電路對燈具起到開關(guān)作用，當(dāng)有車輛進(jìn)入微波的探測范圍內(nèi)后，單片機(jī)接收到微波發(fā)出的多普勒信號，通過控制電路控制燈具的亮滅。

由于雙向可控硅具有開關(guān)速率快、使用壽命長等優(yōu)點，所以選用BTA16作為該電路中的主要器件。選用光耦芯片MOC3041來進(jìn)行強(qiáng)弱電之間的電氣隔離，在輸入、輸出之間實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，這樣內(nèi)部隔離電壓可達(dá)2 000V。根據(jù)光耦芯片的開關(guān)特性，將R27的阻值定為120Ω，這樣開關(guān)時間不到2μs，完全能滿足燈具控制的要求。照明控制電路如圖6所示。

圖6 照明控制電路

2.4 看門狗電路

在電路實際調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)程序有時會進(jìn)入死循環(huán)，為了解決這個問題，在電路中增加了看門狗電路，選用IMP706SESA，其作用是監(jiān)視程序運(yùn)行情況，通過不停地喂狗來判斷其工作狀態(tài)。該芯片使用簡單、功耗低、喂狗信號間隔最大1.6s，有利于保證單片機(jī)程序運(yùn)行的完整性。該芯片與單片機(jī)的接口電路如圖7所示。

3 停車場路徑規(guī)劃

車輛出入車庫時，首先主控計算機(jī)為該車輛規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑，并點亮該路徑上對應(yīng)的燈具，通過燈光對車主進(jìn)行導(dǎo)航。路徑規(guī)劃首先要根據(jù)環(huán)境進(jìn)行建模，環(huán)境建模在路徑規(guī)劃中起著關(guān)鍵性的作用。

在求解最優(yōu)路徑過程中，以柵格法對車庫進(jìn)行建模，路徑最短作為求解目標(biāo)，運(yùn)用啟發(fā)式最短路徑搜索算法中經(jīng)典的A＊搜索算法進(jìn)行求解。

3.1 A＊搜索算法

對于A＊搜索算法，首先要設(shè)計一個估價函數(shù)f（n）＝l（n）＋m（n），其中f（n）為當(dāng)前節(jié)點的估價函數(shù)，l（n）表示從起始節(jié)點到

圖7 看門狗電路

當(dāng)前節(jié)點n的實際代價，m（n）表示從節(jié)點n到達(dá)目標(biāo)節(jié)點的估計代價［6］。通過這個函數(shù)對下一步能夠到達(dá)的每一個點進(jìn)行評估，每次搜索時找到估價值最小的點，繼續(xù)往下搜索［7］。

A＊算法的具體步驟：

①創(chuàng)建一個OPEN 表和一個CLOSE 表，令兩個表為空，把起始點s放入OPEN 中。

②搜索OPEN 表中節(jié)點，若OPEN 表為空表，則表示沒有找到路徑，搜索失敗。

③若OPEN 表不為空，則從中選一個f值最小的節(jié)點為最佳節(jié)點，將該節(jié)點記為a，把它放入CLOSE表中。

④判斷節(jié)點a是否為目標(biāo)節(jié)點e，若節(jié)點a是目標(biāo)節(jié)點，則成功搜出一條路徑。

⑤若節(jié)點a不是目標(biāo)節(jié)點，則對它進(jìn)行擴(kuò)展，產(chǎn)生子節(jié)點a1、a2、……，對每個子節(jié)點進(jìn)行過程判斷（以子節(jié)點a1為例說明）：

a.如果a1已經(jīng)在OPEN 表中，計算l（a1），將OPEN表中原來的節(jié)點a1稱為子節(jié)點ob，比較l（a1）和l（ob）。如果l（a1）＜l（ob），則修改ob的父指針為a，修正l（ob）值，把較小值l（a1）賦給l（ob），相應(yīng)的更新f（ob）值；若l（a1）≥l（ob），則停止擴(kuò)展節(jié)點。

b.若a1已經(jīng)在CLOSE表中，則跳過該節(jié)點，返回步驟⑤，繼續(xù)擴(kuò)展其他節(jié)點。

c.若a1既不在OPEN 表中，又不在CLOSE 表中，則把它放入OPEN 表中，給a1加一個指向它的父節(jié)點a的指針，計算l（a1）。

⑥轉(zhuǎn)入第②步繼續(xù)循環(huán)，直到找到解或者無解退出為止。

3.2 計算實例

下面以一個具體的車庫為實例，利用A＊搜索算法搜索一條從入口到指定車位230的路徑，并顯示路徑上的無線燈光控制器編號。

根據(jù)車庫的CAD圖，可獲知車庫內(nèi)部環(huán)境的實際情況。因篇幅問題，這里只顯示包含入口點與終點車位的車庫局部電氣CAD圖，如圖8所示。圖中顯示了車庫內(nèi)部燈具以及車位分布等情況，并根據(jù)要求合理配置了智能無線燈光控制器。圖中代表熒光燈，↑代表智能無線燈光控制器，灰色方框代表車位），車位內(nèi)部的數(shù)字代表車位號，例如—表示車位號為197的車位［11］。

圖8 車庫局部電氣CAD圖

車庫路徑規(guī)劃算法仿真圖略——編者注，利用Visual C＃編譯工具，采用面向?qū)ο蟮恼Z言C＃，利用柵格法針對整個車庫建模，然后對該路徑算法進(jìn)行仿真。柵格規(guī)模為22×20，圍墻用深黑色柵格代表，車位無線燈光控制器用深灰色柵格代表。淺灰色柵格代表路徑柵格，白色柵格代表車道無線燈光控制器，帶斜線柵格代表路徑搜索過程中擴(kuò)展過的未被納入路徑的子節(jié)點。

經(jīng)過驗證，A＊算法可以快速、高效地找到一條最短路徑，一旦車庫內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，可迅速重組地圖，以當(dāng)前位置為起點，再次調(diào)用A＊算法，搜索最短路徑。

結(jié) 語

針對地下車庫智能化程度低引起的泊車效率低、車庫照明控制方式落后引起的電能耗費大的實際情況，設(shè)計了一種用于地下車庫的這種燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對車輛的自動導(dǎo)航，而且可以合理控制燈的亮滅，既方便了停車，又節(jié)約了能源。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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