基于單片機(jī)的車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高宏巖, 馬 駿, 朱林海

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

基于單片機(jī)的車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高宏巖, 馬 駿, 朱林海

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266590)

給出了自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例——基于單片機(jī)的車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的地磁檢測(cè)部分、基站部分、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、用戶客戶端等進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)位狀態(tài)的檢測(cè)、車(chē)位狀態(tài)信息的無(wú)線傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)停車(chē)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅使學(xué)生掌握電子、單片機(jī)、通信等技術(shù)，也使學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到提升。

車(chē)位檢測(cè)； 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)； 單片機(jī)； 無(wú)線傳輸

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是山東科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的必修實(shí)踐環(huán)節(jié),旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)[1]。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)只給定實(shí)驗(yàn)任務(wù),不對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法和手段進(jìn)行嚴(yán)格約束,鼓勵(lì)學(xué)生探索多元化的實(shí)驗(yàn)方法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),學(xué)生可以更加自由地發(fā)揮創(chuàng)造力。本文給出自動(dòng)化專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例——基于單片機(jī)的車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)車(chē)位狀態(tài)的檢測(cè)、車(chē)位狀態(tài)信息的無(wú)線傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)停車(chē)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由地磁檢測(cè)部分、無(wú)線收發(fā)部分、基站部分、Internet無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入端、PC端軟件和用戶手機(jī)客戶端組成[2],如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件主要包括STC89C52單片機(jī)、地磁傳感器、無(wú)線傳輸模塊[3]和基站模塊。其工作原理:地磁傳感器檢測(cè)車(chē)位的信息并使用無(wú)線傳輸模塊將信號(hào)傳送至基站模塊[4],基站模塊接收到信號(hào)后,通過(guò)Internet無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入端使用TCP/IP協(xié)議把信號(hào)傳送至PC端[5],PC端相應(yīng)的軟件可以實(shí)現(xiàn)與用戶客戶端雙向通信,達(dá)到檢測(cè)和傳輸車(chē)位信息的目的。

1.2 地磁檢測(cè)部分硬件設(shè)計(jì)

地磁檢測(cè)部分的控制芯片采用STC89C52單片機(jī),檢測(cè)元件采用HMC5883地磁傳感器。HMC5883地磁傳感器具有檢測(cè)磁場(chǎng)變化的能力,當(dāng)大型的金屬物體置于其正上方時(shí),就會(huì)改變其原有的地磁方向,因而該芯片檢測(cè)出的數(shù)值就會(huì)發(fā)生變化,從而獲得車(chē)位狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)[6]。HMC5883的接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示,其中P1.6和P1.7為STC89C52單片機(jī)的I/O口。

圖2 HMC5883接口電路設(shè)計(jì)

1.3 無(wú)線傳輸部分硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸部分的控制芯片也采用STC89C52單片機(jī),無(wú)線傳輸模塊采用NORDIC公司生產(chǎn)的無(wú)線通信芯片nRF24L01,其通信距離可達(dá)100 m左右,在工程上需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留5個(gè)GPIO和1個(gè)中斷輸入引腳,可以實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)信息的無(wú)線通信[7]。nRF24L01的接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示,其中P1.0—P1.5為STC89C52單片機(jī)的I/O口。

圖3 nRF24L01接口電路設(shè)計(jì)

1.4 基站部分硬件設(shè)計(jì)

基站部分由單片機(jī)控制GSM/GPRS模塊實(shí)現(xiàn)Internet無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入和接收地磁傳感器發(fā)送的信息。GSM/GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊,該模塊具有低功耗語(yǔ)音、短信和基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能,其接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示[8],其中P3.0和P3.1為STC89C52單片機(jī)的I/O口。

圖4 SIM900A的接口電路設(shè)計(jì)

1.5 系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)供電電源為5 V直流電源,可直接給單片機(jī)供電,但部分芯片工作電壓為3.3 V,因此需要進(jìn)行5 V—3.3 V電源轉(zhuǎn)換。采用AMS1117-3.3芯片進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換[9],其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。由于SIM900A使用的12 V電源由電源適配器提供,所以不涉及12 V電源的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

圖5 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的車(chē)位檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分實(shí)物圖如圖6所示,左側(cè)為基站部分,右側(cè)為地磁檢測(cè)部分。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 地磁檢測(cè)部分軟件設(shè)計(jì)

地磁傳感器由單片機(jī)控制地磁芯片測(cè)量磁場(chǎng)的大小,其采樣周期為1 s,即每隔1 s將對(duì)傳感器所在的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,將所得結(jié)果進(jìn)行分析判斷,最后將所得數(shù)據(jù)通過(guò)nRF24L01發(fā)出。地磁傳感器所發(fā)送信息采用4個(gè)字節(jié)的幀,見(jiàn)圖7，每個(gè)字節(jié)由2位16進(jìn)制數(shù)字構(gòu)成,一個(gè)數(shù)據(jù)幀包括幀頭7FH,車(chē)位編號(hào)X1X2、X3X4,車(chē)位狀態(tài)Y1Y2。通常情況下Y1設(shè)置為0,Y2表示車(chē)位狀態(tài),0表示“無(wú)車(chē)”、1表示“有車(chē)”,其余狀態(tài)可用于以后擴(kuò)展。如果車(chē)位編號(hào)位或車(chē)位狀態(tài)位使用完后,Y1可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。

圖7 地磁部分幀結(jié)構(gòu)

地磁傳感器的車(chē)位檢測(cè)功能主要是通過(guò)檢測(cè)地磁的變化實(shí)現(xiàn)的,但由于地磁芯片受到周?chē)h(huán)境的干擾所讀取的數(shù)據(jù)是在一個(gè)范圍內(nèi)不斷變化的。因此設(shè)計(jì)檢測(cè)程序時(shí)給定一個(gè)閾值,當(dāng)獲得的數(shù)值大于閾值時(shí)判斷為有車(chē),反之無(wú)車(chē)

[10]

。部分檢測(cè)程序設(shè)計(jì)如下:

#define res200 unsigned int check () {unsigned int ReceiveData,Data1,Data2; Data1 = res + 15; Data2 = res - 15; ReceiveData = GetData(); if(ReceiveData >= Data1 || Data2 >= ReceiveData) return 1; else return 0;}

程序每隔1 s會(huì)檢測(cè)一次車(chē)位狀態(tài),當(dāng)檢測(cè)到車(chē)位狀態(tài)改變時(shí)即啟動(dòng)無(wú)線傳輸模塊,將數(shù)據(jù)發(fā)出,完成數(shù)據(jù)發(fā)送后停止發(fā)送并進(jìn)入待機(jī)模式。部分發(fā)送程序設(shè)計(jì)如下:

unsigned int Full[3]={0x7F,0x00,0x21,0x01}; unsigned int None[3]={0x7F,0x00,0x21,0x00}; void mian(void) {unsigned int Flag,Buff; Buff = check(); while(1){Flag = check(); if(Flag != Buff) {if(Flag == 1)nRFSend(Full[3]); if(Flag == 0)nRFSend(None[3]); nRFWait(); Buff = Flag;} Delay_ms(1000);}}

2.2 基站部分軟件設(shè)計(jì)

基站部分使用無(wú)線傳輸模塊實(shí)時(shí)接收地磁部分發(fā)送的數(shù)據(jù),接收到數(shù)據(jù)后立即將數(shù)據(jù)通過(guò)SIM900A的GPRS功能建立TCP/IP通信,把數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò),PC端即可接收到數(shù)據(jù)信息。基站模塊的幀結(jié)構(gòu)包括幀頭7FH,車(chē)位編號(hào)X1X2、X3X4,車(chē)位狀態(tài)Y1Y2,以及后面重復(fù)排列的數(shù)據(jù),本系統(tǒng)應(yīng)用的幀長(zhǎng)為7個(gè)字節(jié),根據(jù)系統(tǒng)需要還可進(jìn)行擴(kuò)展[11]。基站部分幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖8 基站部分幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基站部分通過(guò)不斷檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)接收,如果接收到數(shù)據(jù)標(biāo)志位Flag會(huì)置1,啟動(dòng)SIM900A通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。部分發(fā)送程序如下:

unsigned int Data[6]; unsigned int Flag; void main( ) {if(Flag==1){ GPRS_Open(); GPRS_Send(Data[6]); GPRS_Close();}}

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)試,表明可以實(shí)現(xiàn)車(chē)位狀態(tài)檢測(cè)，以及車(chē)位狀態(tài)信息的無(wú)線傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對(duì)停車(chē)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。從車(chē)位狀態(tài)檢測(cè)到用戶手機(jī)界面查詢時(shí)間大約為20 s,符合實(shí)際應(yīng)用需求。

(1) PC端網(wǎng)絡(luò)映射實(shí)驗(yàn)。以本機(jī)IP地址192.168.1.122作為內(nèi)網(wǎng)主機(jī),映射外網(wǎng)8088端口,映射完成后當(dāng)外網(wǎng)訪問(wèn)時(shí)本機(jī)作為服務(wù)器的IP地址為103.44.145.245:34527,端口配置如圖9所示。

圖9 端口配置

(2) 主機(jī)連通性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)ping測(cè)試主機(jī)映射的域名qaz-qaz-qaz.imwork.net可得到服務(wù)器的IP地址為103.44.145.245,同時(shí)驗(yàn)證了主機(jī)的連通性,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 主機(jī)連通性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3) PC端TCP/IP通信實(shí)驗(yàn)。分別使用手機(jī)應(yīng)用程序和基站與PC端軟件進(jìn)行TCP/IP通信，并由基站向PC端發(fā)送數(shù)據(jù)信息,測(cè)試表明服務(wù)器可以接收來(lái)自不同IP地址的數(shù)據(jù),由于端口映射緣故,此處根據(jù)不同端口號(hào)來(lái)判斷發(fā)送者的IP地址是否一致[12]。

PC端主機(jī)收到來(lái)自IP端口號(hào)為5962的基站發(fā)送的數(shù)據(jù),其中“7FH 00H 21H 01H”、“7FH 01H 01H 01H”數(shù)據(jù)的含義是0021車(chē)位“有車(chē)”狀態(tài),0101車(chē)位“有車(chē)”狀態(tài),大約2 min后PC端再次收到數(shù)據(jù)“7FH 00H 01H 00H”,其含義是0001車(chē)位“無(wú)車(chē)”,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 PC端TCP/IP通信實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

(4) 用戶客戶端TCP/IP通信實(shí)驗(yàn)。測(cè)試表明，用戶客戶端手機(jī)APP可以成功地向PC端發(fā)送數(shù)據(jù),并成功地接收到PC端發(fā)給APP的數(shù)據(jù),內(nèi)容與基站發(fā)送給PC端的內(nèi)容一致,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 客戶端TCP/IP通信實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

以車(chē)位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,闡述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例,已在山東科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)得以實(shí)施,取得了良好的教學(xué)效果,既鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力,也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

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Design of experimental system for parking space detection based on single-chip computer

Gao Hongyan, Ma Jun, Zhu Linhai

(College ofElectrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

An innovative experimental case for Automation specialty, i.e., the design of the experimental system for parking space detection based on the single-chip computer, is presented. The design is carried out on the hardware and software of the geomagnetic detection section, the base station, the network server and the users’ client. The experimental results show that the system can realize the detection of parking status, the wireless transmission of parking status information and the real-time monitoring and control of the parking lot. Through the design of the experimental system, the students not only master the electronic technology and technology of single-chip computer, communication, etc., but also improve their practical ability and innovative ability.

parking space detection; innovative experiment; single-chip computer; wireless transmission

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.021

2016-07-23 修改日期：2016-09-04

山東省高等學(xué)校自動(dòng)控制原理精品課程項(xiàng)目(2011BK025)；山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(skzdhjxtd152)；山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(YC150350)

高宏巖(1971—)，女(滿族)，吉林敦化，博士，副教授，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程.

E-mail：gaohongyan0107@163.com

TP273;G642.0

A

1002-4956(2017)1-0090-04