立體旋轉式智能停車場的設計與實現

楊正祥, 徐桂敏

(1. 武漢交通職業學院 機電工程學院, 湖北 武漢 430065；2. 湖北工業大學 工程技術學院, 湖北 武漢 430068)

計算機技術應用

立體旋轉式智能停車場的設計與實現

楊正祥1, 徐桂敏2

(1. 武漢交通職業學院 機電工程學院, 湖北 武漢 430065；2. 湖北工業大學 工程技術學院, 湖北 武漢 430068)

針對城市大型購物中心、小區停車位不足的問題,設計了立體旋轉式智能停車場,可在有限土地面積上擴充停車容量且提高智能化程度。由單片機控制停車位的升降、旋轉和平移,可準確、靈活存取車輛。分別以時間最少算法和能耗最少算法尋求最優存車路徑。采用單片機、射頻、藍牙和總線組網等技術,實現智能讀卡、液晶顯示、語音播報等功能,達到自動控制與智能化管理的目的。

智能停車場； 單片機應用； 自動控制

隨著城市居民生活水平的提高和私家小轎車擁有量迅速增加,很多大型購物中心和小區面臨著停車位緊張、停車困難的問題。在這種情況下,立體停車場應運而生。迄今,國內立體停車場的主要設計形式有升降橫移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循環式、箱型水平循環式、圓形水平循環式等,其功能各有所長但仍然有限[1-3],優化立體停車場設計具有重要現實意義和市場經濟效益。筆者分析了立體停車場的適用性、造價和技術難度,設計了4層立體旋轉式智能停車場,實現了用戶的智能存取車操作。

1 功能設計

立體旋轉式智能停車場基本模型設計為4層正六邊形,第2、3、4層各設6×3個停車位。第1層設5×3個停車位,另有一條邊作為車輛出入口,整個停車場共有69個車位。車輛存取控制流程如圖1所示。系統以用戶在刷卡機上的刷卡次數來判斷其是存車還是取車:刷卡次數為奇數判斷為存車,刷卡次數為偶數判斷為取車。用戶如果要存車,就把車停放在停車場入口處的托板內,刷卡后系統會按照時間最少算法或能耗最少算法選取空閑車位,再進行自動存車操作；如果用戶要取車,需在入口處刷卡,系統自動將車輛從停車場內退出至出入口處,用戶將車開走。無論用戶存車或取車都無需進入停車場[4]。

圖1 車輛存取控制流程圖

系統的機械部分主要有平移設備、升降設備和旋轉設備。平移設備將車輛從停車位取出或將車輛送達指定停車位；升降設備用于車輛的升降,將要存取的車輛準確地送到指定層；旋轉設備用于在同一層上的不同車位間進行旋轉位移[5-6]。

停車場控制系統原理如圖2所示。控制系統采用2個STC12C5A60S2單片機,不但有利于控制系統的合理布局與功能劃分,而且解決了單片機I/O端口不夠用的問題。圖2中,單片機1為主機,用于控制語音模塊、顯示模塊和RFID(射頻)讀卡器；單片機2為從機,用于控制3個電機模塊及采集車位狀態。2個藍牙通信模塊用于實現單片機之間的通信。每個單片機有2個串口,中斷號分別為4和8。主機的串口分配給藍牙通信模塊和RFID讀卡器,從機的串口分配給藍牙通信模塊和光電開關電路。

圖2 控制系統原理圖

RFID讀卡器讀卡時與主機進行串口通信,發送卡號給主機。主機識別用戶是存車還是取車,顯示器顯示用戶信息和存取車需求,語音模塊播報存取車需求。主機通過藍牙把存取車需求信息發送給從機,從機通過485總線組網讀取車位狀態,計算最優路徑。從機控制3個步進電機完成存取車動作,包括旋轉、升降和平移。從機再發送數據給主機,通知用戶。

2 硬件設計

2.1 單片機與藍牙模塊

STC12C5A60S2單片機兼容51單片機的所有指令和管腳,運行速度比51單片機快,I/O口功能更靈活,P0口無需上拉電阻,且價格不貴[7]。

藍牙技術是一種短距離無線通信技術,能有效簡化移動通信終端設備之間的通信,也能簡化設備與Internet的通信[8]。HC-05是2種工作模式(命令響應和自動連接)的嵌入式藍牙串口通信模塊,立體旋轉式智能停車場設置為自動連接模式,自動根據事先設定的方式連接通信雙方。

2.2 步進電機及其驅動模塊

平移設備、升降設備和旋轉設備都采用57步進電機、128細分電機驅動器和5 mm螺距滾珠絲杠滑臺。控制系統、驅動器與步進電機的連接如圖3所示。步進電機的步距角為1.8°,收到200個步進指令則正好旋轉一周。當單片機2向驅動器發送25 600個脈沖時,電機轉一圈,滑臺會升降或平移5 mm。可以算出,單片機2向驅動器發送1個脈沖,控制距離為0.000 19 mm。因此,單片機可以通過脈沖信號對電機進行高精度的角度和位移控制。電機驅動模塊選用MB450A兩相混合式步進電機驅動器,它采用電流環進行細分控制,電機的轉矩波動很小,運行很平穩[9]。

圖3 控制系統、驅動器與步進電機的連接

2.3 紅外光電開關與485總線組網

紅外光電開關模塊安裝在載車臺上,用于檢測車位空閑或占用,具有干擾小、易裝配、使用方便的特點。紅外光電開關模塊有一對紅外發射與接收管,對環境光線適應能力強。發射管發射出一定頻率的紅外光,當前方遇到障礙物時,紅外光反射回來被接收管接收[10]。經過比較器電路處理過后,綠色指示燈會亮起,同時輸出數字信號(一個低電平)。

每個車位都需要使用一個紅外光電開關,其引腳輸出數字信號給單片機2。為節省單片機I/O口,使用RS485型16路隔離型開關量輸入模塊R-D1051。該模塊可擴展為31塊、每一塊都有16路輸入引腳,每一塊都連接到地址總線用于輸出。因本模型設置69個車位,故需采集69路信號,所以需要5個R-D1051。69個車位的信息輸入到5個R-D1051的69路引腳,再通過RS485轉RS232模塊,將信息通過串口傳送給單片機。RS485總線遵循Modbus通信協議,可以一次讀取所有的輸入量[11]。

2.4 I/0設備與電源

輸入設備為RFID模塊,它讀取IC卡內存儲的用戶信息,并通過串口傳送給單片機。輸出設備為12864液晶顯示模塊和YT07語音模塊。12864液晶顯示模塊是128×64點陣漢字圖形型液晶顯示模塊,用來顯示用戶信息及存取車狀態。YT07語音模塊通過7組觸點開關與單片機的I/O口相連,用來給用戶語音提示[12]。

24 V直流電源為電機驅動模塊供電,并經過MORNSUN電源模塊(WRB2405CS-3W)變壓為5 V直流電給單片機供電。

3 存車路徑優化

對于同層車位,車位編號如圖4所示,車位總數為N(N=18)。假設起點車位號為a(a≤18),終點車位號為b(b≤18),旋轉電機路徑函數根據起點和終點編號決定旋轉電機的旋轉方向以使旋轉角度最小[13]。

旋轉電機路徑函數f(a,b)定義為:

若b>a,且N≥2(b-a),則f(a,b)=b-a,電機順時針旋轉；若b>a且N<2(b-a),則f(a,b)=N-(b-a),電機逆時針旋轉；若b

圖4 車位編號圖

存車過程中,需要一定的算法從現有空閑車位中選擇合適的車位,常用的有時間最少算法和能耗最少算法[14]。

3.1 時間最少算法

對于任意車位,車位地址設為(m,n),其中m為停車場層號(m=1,2,3,4),n為車位號(n=1,2,...,18)。假設停車場入口車位地址為(1,1),升降機初始地址為(m1,n1),存車目標地址為(m2,n2),則存車位移路徑為(m1,n1)→(1,1)→(m2,n2)。所以存車耗時t為

t=(m1-1)t1+f(n1,1)t2+(m2-1)t1+

f(1,n2)t2+2t3=(m1+m2-2)t1+

[f(n1,1)+f(1,n2)]t2+2t3

式中：t1表示單層的升降時間,t2表示同層相鄰車位間的旋轉時間,t3表示平移車輛長度所需的時間。將各變量數值代入式中,算出停至各空車位的耗時,選擇時間最少的空車位為待存車輛的停車位。

3.2 能耗最少算法

能耗最少算法與時間最少算法基本相同,只需將參數t1、t2、t3改為w1、w2、w3,即時間變量相應改為能耗變量,根據能耗最少的路徑選擇停車位。

t=(m1+m2-2)w1+[f(n1,1)+f(1,n2)]w2+2w3

停車場工作人員可根據經驗和實際情況選用一種算法。一般而言,高峰時期等待停車的客戶較多,可選用時間最少算法,以提高存取車速度；反之,則選擇能耗最少，以減少機械運行的能耗,降低運營成本。

4 結語

立體旋轉式智能停車場經過存車和取車實驗,結果均無誤,效果良好。此停車場可設在地上或地下,占地面積小,簡單易操作,空間利用率和智能化程度高。由于不需駕駛人員進停車場內移動車輛,因而減少了照明、通風、消防等方面的建設成本。本停車場模型為“交通智能技術運用”專業師生合作研制,師生的專業技能得到了訓練,作品對解決停車難問題有一定借鑒意義。

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Design and realization of stereoscopic rotary intelligent car park

Yang Zhengxiang1, Xu Guimin2

(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China; 2. Engineering and Technology College, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

In view of the problem about the insufficient parking spaces in urban shopping malls and residential areas, a stereoscopic rotary intelligent car park is designed, which can expand parking capacity and improve intelligence in limited land area.The lifting, rotating and translating of the parking spaces under the control of the SCM can accurately and flexibly park or pick up the vehicles.The least time algorithm and the least energy consumption algorithm are respectively used to find the optimal parking route. The functions of intelligent card reading, liquid crystal display, voice broadcasting, etc., are realized by adopting the technologies such as SCM, radio frequency, Bluetooth, bus networking, etc., so as to achieve the purpose of the automatic control and intelligent management.

intelligent car park; SCM application； automatic control

2017-06-02

湖北省教育廳科學技術研究項目(B2017462)

楊正祥(1976—),男,湖北漢川,博士,副教授,主要研究方向為交通信息化、電氣技術和實驗教學

E-mail：285479649@qq.com

徐桂敏(1984—),女,湖北隨州,博士,講師,主要研究方向為智能控制和實驗教學.

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.035

TP29

A

1002-4956(2017)12-0146-04