郭中旺， 陳大寧， 楊 旭， 賀濤濤， 郭永靈， 于周斐

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院， 天津300222）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，私家車不再是普通人家生活中的奢侈品，私家車數(shù)量的增加，帶來交通壓力的同時(shí)也帶來了停車壓力［1－2］。 停車難的問題開始困擾民眾，建造更多的停車場對城市有限的土地資源帶來很大的挑戰(zhàn)，而立體車庫是非常有效的辦法之一。 就目前的立體停車庫而言，有些較突出問題表現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在維護(hù)成本高、安全性能差、對車主駕駛技術(shù)要求高、能耗高、管理繁瑣、人機(jī)交互系統(tǒng)不友好以及存取車耗費(fèi)時(shí)間長等，這些問題限制了立體車庫的發(fā)展，阻礙了解決停車難的問題［3－5］。

本系統(tǒng)以嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用傳感器、射頻和圖像處理等技術(shù)完成設(shè)計(jì)。 研究立體車庫出現(xiàn)的問題，采用同比例縮小的方式搭建出市面上較為常見的立體車庫，并將壓力傳感器、光電傳感器、位置傳感器、視覺處理等安全檢測裝置安裝于系統(tǒng)之上，從而保證車主和車輛的安全。 利用射頻技術(shù)讀取車主及車輛信息，實(shí)現(xiàn)自動或管理員收費(fèi)。 利用無線傳輸模塊將系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，方便管理員后臺實(shí)時(shí)查看及分析數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程車位顯示等。

1 總體方案設(shè)計(jì)

集安全檢查、收費(fèi)管控、車位顯示、車輛出入庫控制和上位機(jī)監(jiān)測于一身。 每部分都有其單獨(dú)嵌入式微處理器獨(dú)立運(yùn)行，利用無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 其中，安全檢測裝置和車輛出入庫控制的MCU 還采用將IO 口直接連接的方式，利用外部中斷實(shí)現(xiàn)快速處理緊急事件的發(fā)生，智能立體車庫方案設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 智能立體車庫方案設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Scheme Design Block Diagram of Intelligent Stereo Garage

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能立體車庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括安全檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、車位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)、車輛出入庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)三部分，詳細(xì)描述各系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容。

2.1 安全檢測裝置

系統(tǒng)安全檢測裝置由壓力傳感器、光電傳感器、視覺處理模塊（OpenMV）等組成。 其中，壓力傳感器和光電傳感器用于檢測車庫和測量安全信息，包括懸停于空中車位所承受的壓力值及車輛停放的位置信息等，通過放大電路將信息傳遞至微處理器［6］，以此判斷車輛停放位置是否正確以及車位是否安全等，從根本上減少不安全事件的發(fā)生。 視覺處理傳感器選用便于開發(fā)的OpenMV 視覺模塊，它搭載了Micro Python 解釋器［7］，安裝在用戶存車區(qū)、用戶取車區(qū)、車輛停放區(qū)等位置，利用Python 語言調(diào)用經(jīng)過修改的官方庫函數(shù)，實(shí)時(shí)檢測用戶在存取車過程中以及車輛在停放中的不安全行為。 所有安全檢測裝置中用到的傳感器和嵌入式微處理直接連接，微處理器將傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過無線接收裝置發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，安全檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。安全檢測裝置和車輛出入庫控制MCU 采取IO 口直接連接的方式，利用外部中斷實(shí)現(xiàn)快速處理緊急事件的發(fā)生。

2.2 車位顯示

顯示系統(tǒng)包含用戶操作提示、空車位數(shù)量、各車位安全信息等內(nèi)容。 用戶通過觸屏操作，系統(tǒng)將指令經(jīng)由無線模塊傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，物聯(lián)網(wǎng)云平臺將接收到的安全和檢測裝置的數(shù)據(jù)解析，下發(fā)至智能立體車庫顯示系統(tǒng)。 系統(tǒng)將接收到的信息處理完成，顯示到點(diǎn)陣顯示屏幕上。

圖2 安全檢測裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Safety inspection device structure

2.3 車輛出／入庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛出／入庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)由嵌入式微處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，車輛出／入庫系統(tǒng)處理器向物聯(lián)網(wǎng)云平臺發(fā)送AT 指令，查詢當(dāng)前可停車車位，物聯(lián)網(wǎng)云平臺將接收到的信息解析后下發(fā)至車輛出／入庫系統(tǒng)控制器和車位顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)解析指令并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作。 驅(qū)動選用帶有過流、過壓、欠壓、短路等保護(hù)功能的TB6600 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，TB6600 電機(jī)驅(qū)動還具有脫機(jī)保護(hù)功能［8］。 當(dāng)微處理器接收到安全檢測裝置發(fā)送的不安全事件指令時(shí)，微處理器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出指令，啟動脫機(jī)保護(hù)功能，鎖住步進(jìn)電機(jī)，以減小和避免事故的發(fā)生。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能立體車庫硬件系統(tǒng)電路主要由傳感器采集放大電路、嵌入式微處理器、無線發(fā)送裝置構(gòu)成。

3.1 信號放大電路

信號放大電路選用由LM324 集成運(yùn)算放大器組成同相比例放大電路，信號放大電路將光電、壓力等傳感器檢測到的微弱信號由P7（接線端子）接入信號放大電路中同相輸入端，信號放大電路通過CB2 切換，由R17 和R22 組成的固定放大倍數(shù)以及由R17、R22、R23 組成的放大倍數(shù)可調(diào)兩部分完成所需電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)［9］。 LM324 放大電路，如圖3 所示。

圖3 LM324 信號放大電路Fig.3 LM324 signal amplifying circuit

3.2 嵌入式微處理器

嵌入式微處理器為此系統(tǒng)核心。 包含傳感器信息采集、視覺信息讀取、發(fā)送接收和解析物聯(lián)網(wǎng)云平臺消息及指令、驅(qū)動執(zhí)行電機(jī)和機(jī)構(gòu)、接收和處理用戶指令等功能。 嵌入式微處理器選用市面上較為常見的一款32 位基于ARM Cortex M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6 微處理器。 處理器具有豐富的外設(shè)IO 口、低功耗、工作頻率高、豐富的集成庫、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，能比較好的滿足系統(tǒng)的正常使用，嵌入式微處理器最小系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 嵌入式微處理器最小系統(tǒng)Fig.4 Embedded microprocessor minimum system

3.3 無線發(fā)送裝置

通過串口的方式，ZigBee 模塊與其他電路連接，完成信息交互，如圖5 所示。 供電采用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596－5V 芯片為核心的電源電路。

圖5 無線發(fā)射裝置電路Fig.5 Wireless transmitter circuit

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能立體車庫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括收費(fèi)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、存車取車輛軟件設(shè)計(jì)、AT 指令和數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議。

4.1 收費(fèi)管理系統(tǒng)

收費(fèi)管理系統(tǒng)選用RFID 射頻卡進(jìn)行用戶管理。 為便于管理，分長期和臨時(shí)用戶。 長期用戶又叫會員用戶，會員用戶，可選擇年或月繳費(fèi)方式，有效期內(nèi)不限次數(shù)停車；臨時(shí)用戶按照停車時(shí)間收費(fèi)。收費(fèi)管理系統(tǒng)還包含繳費(fèi)系統(tǒng)，收費(fèi)管理流程圖如圖6 所示。

圖6 收費(fèi)管理流程圖Fig.6 Charge management flow chart

4.2 存／取車輛軟件設(shè)計(jì)

存／取車輛軟件的流程圖，如圖7 所示，圖7（a）為存車軟件流程圖，圖7（b）為取車流程圖。 圖7 詳細(xì)描述了存車和取車的軟件設(shè)計(jì)流程和過程控制中所用到的系統(tǒng)內(nèi)容。

圖7 存／取車軟件流程圖Fig.7 Storage and retrieval software flow chart

4.3 AT 指令

AT 指令如表1 所示，AT 指令描述收費(fèi)管理、車位顯示、車輛出入庫控制、安全檢測裝置以及上位機(jī)等系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺連接與通信的指令。

表1 AT 指令Tab.1 AT command

4.4 數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議是指物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送至收費(fèi)管理、車位顯示、車輛出入庫控制、安全檢測裝置、上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀，前面兩個(gè)字節(jié)為幀頭，固定格式為0XAA、0X55，后面五個(gè)字節(jié)分別為數(shù)據(jù)高八位、數(shù)據(jù)低八位、奇偶校驗(yàn)位［10］，如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議Tab.2 Data transfer protocol

5 結(jié)束語

汽車數(shù)量隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷增加，致使國內(nèi)一些一、二線城市停車?yán)щy，阻礙交通，降低大商業(yè)區(qū)競爭力，制約汽車消費(fèi)等。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能立體停車場，可取代我國傳統(tǒng)的地下停車庫和露天停車場，具有節(jié)約土地資源，提高空間利用率，停車時(shí)人車分離，計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，故障自動報(bào)告等優(yōu)點(diǎn)。 通過ZigBee 模塊和上位機(jī)的通信，工作人員不用到現(xiàn)場就可以實(shí)時(shí)了解智能立體車庫各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及各個(gè)分系統(tǒng)是否正常工作， 提高了工作效率。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化了功耗，信息傳輸范圍廣，安全可靠，維護(hù)成本低，可用于醫(yī)院、賓館、廣場、學(xué)校等地，系統(tǒng)可以擴(kuò)展更多車位，節(jié)省開支，增加收入，有廣闊的應(yīng)用前景。