智能立體車庫設計

郭中旺， 陳大寧， 楊 旭， 賀濤濤， 郭永靈， 于周斐

（天津職業技術師范大學 電子工程學院， 天津300222）

0 引 言

隨著經濟的迅猛發展，私家車不再是普通人家生活中的奢侈品，私家車數量的增加，帶來交通壓力的同時也帶來了停車壓力［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，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出來，主要表現在維護成本高、安全性能差、對車主駕駛技術要求高、能耗高、管理繁瑣、人機交互系統不友好以及存取車耗費時間長等，這些問題限制了立體車庫的發展，阻礙了解決停車難的問題［3－5］。

本系統以嵌入式技術和物聯網技術為基礎，運用傳感器、射頻和圖像處理等技術完成設計。 研究立體車庫出現的問題，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之上，從而保證車主和車輛的安全。 利用射頻技術讀取車主及車輛信息，實現自動或管理員收費。 利用無線傳輸模塊將系統實時采集到的數據上傳至物聯網云平臺，方便管理員后臺實時查看及分析數據，遠程車位顯示等。

1 總體方案設計

集安全檢查、收費管控、車位顯示、車輛出入庫控制和上位機監測于一身。 每部分都有其單獨嵌入式微處理器獨立運行，利用無線傳輸模塊將數據上傳至物聯網云平臺，進行數據交互，保證系統的可靠運行。 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，利用外部中斷實現快速處理緊急事件的發生，智能立體車庫方案設計框圖如圖1 所示。

圖1 智能立體車庫方案設計框圖Fig.1 Scheme Design Block Diagram of Intelligent Stereo Garage

2 系統設計

智能立體車庫系統設計包括安全檢測系統設計、車位顯示系統設計、車輛出入庫系統設計三部分，詳細描述各系統設計的具體內容。

2.1 安全檢測裝置

系統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生。 視覺處理傳感器選用便于開發的OpenMV 視覺模塊，它搭載了Micro Python 解釋器［7］，安裝在用戶存車區、用戶取車區、車輛停放區等位置，利用Python 語言調用經過修改的官方庫函數，實時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據通過無線接收裝置發送至物聯網云平臺，安全檢測裝置結構如圖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，利用外部中斷實現快速處理緊急事件的發生。

2.2 車位顯示

顯示系統包含用戶操作提示、空車位數量、各車位安全信息等內容。 用戶通過觸屏操作，系統將指令經由無線模塊傳輸至物聯網云平臺，物聯網云平臺將接收到的安全和檢測裝置的數據解析，下發至智能立體車庫顯示系統。 系統將接收到的信息處理完成，顯示到點陣顯示屏幕上。

圖2 安全檢測裝置結構圖Fig.2 Safety inspection device structure

2.3 車輛出／入庫系統設計

車輛出／入庫系統設計由嵌入式微處理器、步進電機驅動器和步進電機實現控制，車輛出／入庫系統處理器向物聯網云平臺發送AT 指令，查詢當前可停車車位，物聯網云平臺將接收到的信息解析后下發至車輛出／入庫系統控制器和車位顯示系統，系統解析指令并向步進電機發送指令，驅動步進電機動作。 驅動選用帶有過流、過壓、欠壓、短路等保護功能的TB6600 步進電機驅動，TB6600 電機驅動還具有脫機保護功能［8］。 當微處理器接收到安全檢測裝置發送的不安全事件指令時，微處理器向步進電機驅動器發出指令，啟動脫機保護功能，鎖住步進電機，以減小和避免事故的發生。

3 系統硬件設計

智能立體車庫硬件系統電路主要由傳感器采集放大電路、嵌入式微處理器、無線發送裝置構成。

3.1 信號放大電路

信號放大電路選用由LM324 集成運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以及由R17、R22、R23 組成的放大倍數可調兩部分完成所需電壓放大倍數調節［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核心。 包含傳感器信息采集、視覺信息讀取、發送接收和解析物聯網云平臺消息及指令、驅動執行電機和機構、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 內核的STM32F103C8T6 微處理器。 處理器具有豐富的外設IO 口、低功耗、工作頻率高、豐富的集成庫、價格較低等優點，能比較好的滿足系統的正常使用，嵌入式微處理器最小系統如圖4 所示。

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

3.3 無線發送裝置

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。 供電采用開關電壓調節器LM2596－5V 芯片為核心的電源電路。

圖5 無線發射裝置電路Fig.5 Wireless transmitter circuit

4 系統軟件設計

智能立體車庫系統軟件設計包括收費管理系統設計、存車取車輛軟件設計、AT 指令和數據傳輸通信協議。

4.1 收費管理系統

收費管理系統選用RFID 射頻卡進行用戶管理。 為便于管理，分長期和臨時用戶。 長期用戶又叫會員用戶，會員用戶，可選擇年或月繳費方式，有效期內不限次數停車；臨時用戶按照停車時間收費。收費管理系統還包含繳費系統，收費管理流程圖如圖6 所示。

圖6 收費管理流程圖Fig.6 Charge management flow chart

4.2 存／取車輛軟件設計

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 詳細描述了存車和取車的軟件設計流程和過程控制中所用到的系統內容。

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 指令描述收費管理、車位顯示、車輛出入庫控制、安全檢測裝置以及上位機等系統與物聯網云平臺連接與通信的指令。

表1 AT 指令Tab.1 AT command

4.4 數據傳輸通信協議

數據傳輸通信協議是指物聯網平臺發送至收費管理、車位顯示、車輛出入庫控制、安全檢測裝置、上位機的數據幀，前面兩個字節為幀頭，固定格式為0XAA、0X55，后面五個字節分別為數據高八位、數據低八位、奇偶校驗位［10］，如表2 所示。

表2 數據傳輸協議Tab.2 Data transfer protocol

5 結束語

汽車數量隨著國內經濟發展不斷增加，致使國內一些一、二線城市停車困難，阻礙交通，降低大商業區競爭力，制約汽車消費等。 本系統設計了基于嵌入式技術和物聯網技術的智能立體停車場，可取代我國傳統的地下停車庫和露天停車場，具有節約土地資源，提高空間利用率，停車時人車分離，計費準確，故障自動報告等優點。 通過ZigBee 模塊和上位機的通信，工作人員不用到現場就可以實時了解智能立體車庫各項數據以及各個分系統是否正常工作， 提高了工作效率。 系統設計優化了功耗，信息傳輸范圍廣，安全可靠，維護成本低，可用于醫院、賓館、廣場、學校等地，系統可以擴展更多車位，節省開支，增加收入，有廣闊的應用前景。