基于單片機的升降式立體智能車庫系統設計*

盛 旋，程雨靜，范婧忞，程夢瑤，黃運米

(溫州大學 數理學院，浙江 溫州 325035)

0 引言

目前全國機動車保有量高達3.4億輛，而停車位卻僅有1.19億左右，這與理論所要求的停車位數量相差甚遠，“一位難求”的問題日益凸顯。此外，還存在存車時找車位困難，取車時找車困難的問題。目前停車場管理系統沒有引導停車功能，停車不方便，取車時難以找到自己的愛車；有些停車場設計不合理，存在盲點區域沒有反光鏡、車庫坡度較陡等問題，很容易造成事故。

基于上述車庫存在的問題，本文設計了一種升降式立體智能車庫系統。停車前通過車庫入門終端或停車小程序綁定愛車，利用壓力傳感器判斷空余車位，載車盤通過接收紅外線精準定位空閑車位，采用紅外感應模塊進行自動循跡、超聲測距模塊進行避障轉彎，從而達到將用戶車輛高效、完好無損地存放或取出的目的。用戶全程不用為在車輛堆里找尋一個空位而煩惱，只需在終端或停車小程序上操作和繳費，在車庫出口靜候即可。本智能車庫系統充分利用了空間、大大縮短了存取車的時間，提高了存取車的效率。

1 可升降式立體智能車庫系統整體設計

可升降式立體智能車庫系統由載車盤、智能車庫以及終端構成。智能車庫三維立體示意圖、平面示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 智能車庫三維立體示意圖

圖2 智能車庫平面示意圖

車庫外顯示當前車庫空閑車位數，若此時車庫內仍有剩余空車位，用戶可通過入口終端或在停車小程序中綁定愛車，輸入停車指令，系統開始計時，車庫入口欄桿抬桿，將車開到車庫入口的載車盤上，載車盤開始工作。待載車盤完全駛入車庫后，欄桿下降。停車時，載車盤接收空車位發出的紅外線信號鎖定就近的空停車位，通過循跡模塊規劃路線到達指定位置，然后車位兩側升縮桿升起抬起小車一段高度，載車盤駛出車位，升縮桿降下，存車完成。取車時，通過終端或小程序發出取車信號，載車盤根據停車位置通過循跡模塊規劃路線到達指定位置，升縮桿升起，載車盤駛入到位后，升縮桿下降將小車裝載到載車盤上，載車盤將車卸到出口處指定位置，停止計時，結算金額。金額結算成功后，車庫出口欄桿抬桿，用戶開走車輛，完成取車。

2 可升降式立體智能車庫系統硬件設計

升降式智能立體車庫硬件包括載車盤硬件和車庫硬件兩部分。

2.1 載車盤硬件設計

載車盤硬件由主控制器、載車盤識別模塊、載車盤運動控制模塊和人工交互模塊構成，組成框圖如圖3所示。

圖3 載車盤硬件組成框圖

主控制器為Arduino UNO單片機，如圖4所示。單片機包括ATmega 328p微控制器及ATmega16U微控制器，可在單個時鐘周期內執行功能強大的指令，滿足車庫和載車盤的基本設計要求。Arduino UNO擁有14個數字引腳和6個模擬引腳，可通過引腳輸出和輸入信號實現對傳感器的控制，并驅動運動模塊以及進行一定程度的人機交互。

圖4 主控制器

載車盤識別模塊包括紅外接收模組、超聲波測距傳感器和磁簧元件傳感器，各傳感器通過單片機的I/O端口向主控制器發送信號，并執行相應程序。

載車盤運動控制模塊包括PID控制步進電機和舵機，驅動電機依靠PID控制步進電機轉動，引導載車盤運動。

載車盤人機交互模塊包括紅外遙控、啟動開關和藍牙模塊，主要用于人工介入時的操作系統。

2.2 車庫硬件設計

車庫硬件組成模塊與載車盤硬件類似，其組成框圖如圖5所示。車庫識別模塊由LED紅外燈珠和Keyes薄膜壓力傳感器組成，紅外燈珠由交流電供給電能發射紅外線，Keyes薄膜壓力傳感器可以敏銳地探測到是否有載車盤存在。車庫運動模塊主要由電動推桿部分組成，電動推桿由繼電器控制。車庫人機交互模塊由四位數碼管(MP×4)組成，用于及時反映車庫內可存放車的數量，并且及時反映所停車的位置。

圖5 車庫硬件組成框圖

3 軟件設計

3.1 載車盤自動尋找車位

車庫入口處設有一個四位數碼管來顯示車庫內的剩余車位數，方便用戶了解車庫內車輛停放的具體情況。設定停車場最多可容納8輛車,車輛每進入一次，即停車欄桿抬起一次，車位數量減1。當車位數減為0，停車欄桿不會抬起，此時車輛不可駛入。

3.2 載車盤確定空車位位置

車位上的壓力傳感器與終端相連，并通過藍牙模塊將信號傳輸給紅外燈珠，具體工作流程為：車位為空車位時，壓力傳感器的輸出信號為“0”，車位有車時，壓力傳感器的輸出信號為“1”；通過程序選擇最佳停車位置，繼而觸發該車位上的紅外燈珠，載車盤可通過紅外接收器接收紅外線，循跡工作完成存車。

3.3 裝車

用戶將車開到停車桿前，系統首先判定是否有空余停車位，只有當停車位大于0時停車桿才會抬起，空余車位數減1。停車桿利用脈寬操控舵機，完成上升和下降。

3.4 升降

為了在一定的空間內能停放更多的車輛，本車庫設計為上、下兩層可升降式的立體智能車庫。因此，車庫內裝有兩個智能升降裝置來實現車輛在上、下兩層之間運輸的功能，該升降裝置通過電機來自動控制。

當一層車庫的車位停滿后，智能升降裝置進入待機狀態。載車盤駛入該裝置的底板時，壓力傳感器觸發電機工作，電機正轉，將運輸車輛的載車盤平穩地運送至二層，等到載車盤離開裝置底板，電機反轉，平臺下降至一層。

載車盤于二層存車完畢后，循跡駛入另一端的升降裝置，壓力傳感器觸發電機工作，電機反轉，裝置下降至一層。等到載車盤離開裝置底板后，電機正轉，平臺上升回二層。

3.5 存車

當載車盤倒車進入目的車位后執行卸車任務。車位兩邊裝有兩個升縮桿，壓力傳感器控制升縮桿工作，將小車向上升起一小段距離，使小車與載車盤分離，接著載車盤駛離車位回到主道上，循跡回到車庫入口前的指定位置。

3.6 自動尋找取車位

用戶在取車前已經在終端或小程序上綁定了愛車，當取車時，用戶只須在終端上輸入車輛相關信息，通過藍牙模塊程序會自動確定待取車位的具體位置，從而控制自動載車盤工作。

3.7 取車

當載車盤確定了要取車的車位后，載車盤通過設定好的程序找到待取車輛。若待取車輛處于車庫二層，載車盤先駛進車庫門口的升降裝置，觸發升降裝置啟動，運送載車盤至二層，然后載車盤與用戶車輛一起被運送回一層，再進行循跡駛向出口指定位置。

3.8 停車場安全措施

(1) 安全監控：車庫內部設有多個監控，與入口的PC端程序相連接，方便用戶看到車庫內部的具體停車情況，同時可以保證用戶車內的財產安全。

(2) 消防措施：車庫內設有自動噴水裝置和自動火災報警裝置，并且嚴禁停放運輸易燃液體和液化石油氣的車輛。

4 測試與分析

(1) 進行存取車功能測試，測試方法為將模擬小車放至入庫口，待載車盤自動載取模擬小車，繼而停至指定位置。測試結果如圖6所示。

圖6 測試結果 圖7 人機交互信息測試

(2) 進行人機交互信息測試，測試方法為待模擬小車入庫后，觀察顯示屏上是否顯示模擬小車的具體信息，如圖7所示。

5 結語

本文設計了一種升降式立體智能車庫系統，充分利用了空間、大大縮短了存取車的耗時，提高了存取車的效率，有效地解決了停取車難問題。本智能車庫系統應用前景廣闊，各大公司、購物中心和娛樂場所等均可應用，完美契合了“建設小康社會”的規劃藍圖與核心理念。