基于STM32 的車庫智能排水系統設計

黃海俊，黎冬梅，許媛媛，潘佳豪，黃日榮

（玉林師范學院 物理與電信工程學院，廣西玉林，537000）

0 引言

地下停車場作為城市交通配套設施中重要的一部分[1]，為駕駛員提供了方便的停車環境。然而，由于地下停車場位于地下水平面以下，面臨著排水問題和阻水挑戰。特別是在降雨天氣或春季融雪時，地下停車場容易發生積水現象，給車輛和人員的安全帶來潛在威脅[2]。因此，設計和實施有效的車庫智能排水系統是解決地下停車場排水問題的關鍵。

目前，傳統的車庫排水方式主要依賴于地面排水系統，然而，由于地下停車場位置相對低洼且受到地下水位因素的影響，常常出現排水不暢、積水嚴重甚至水浸事故頻發的情況[3]。為了有效解決這一問題，本研究提出了一種基于STM32 的車庫智能排水系統設計。該系統旨在通過實時監測、智能調控和排水、阻水功能來全面解決排水和阻水問題。它能夠快速調整排水阻水機構，以應對各種排水情況，顯著改善地下停車場的排水效果，提升用戶的停車體驗和安全性。

1 系統方案概述

本文研究的車庫智能排水系統主要包括以下3 個模塊：控制模塊、傳感器模塊、執行機構模塊。控制模塊以基于STM32 的單片機為核心，通過接口與其他模塊進行數據交互和控制信號傳輸。傳感器模塊包括雨水傳感器和人體紅外感應傳感器。用于監測車庫內的降雨情況和車輛進出情況。執行機構模塊包括百葉式排水機構、剪叉式阻水機構、活動井蓋、抽水泵，根據傳感器模塊的信號和傳感器設置的限度，通過控制執行機構模塊實現自動排水、防倒灌和防止車庫被降雨水淹的功能。系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 機械結構設計

■2.1 剪叉式阻水升降機構的機械設計

如圖2 所示，是剪叉式阻水機構的機械結構圖。為了實現阻水板的升降功能，選用了適當規格和功率的電動推桿作為驅動裝置。電動推桿通過固定連接于阻水板底部，并利用電源和控制器實現靈活控制。為了將電動推桿的線性運動轉化為阻水板的垂直運動，采用了一種剪叉式機構設計[4]。該剪叉式機構由兩個交叉的連桿組成，其中一個連桿固定在電動推桿上，另一個連桿固定在阻水板上。當電動推桿運動時，剪叉式機構能夠將其線性運動轉化為阻水板的垂直運動，從而實現阻水板的升降功能。這種機構設計可有效地將電動推桿的運動傳遞到阻水板，使其能夠沿垂直方向升降。同時，通過合理選用電動推桿的規格和功率，以及優化連桿的長度和比例，可以實現所需的升降高度和速度。

圖2 剪叉式阻水機構的機械結構圖

■2.2 百葉式排水機構的機械設計

如圖3 所示，展示了百葉式排水機構的機械結構。該機構采用了平行四桿機構設計，并選擇舵機作為驅動裝置來實現百葉的開閉運動。平行四桿機構由舵機的輸出軸和兩個連桿組成。其中一個連桿固定在舵機的輸出軸上，而另一個連桿與百葉相連。通過合理設計連桿的長度和比例關系，舵機的旋轉運動可以被轉化為百葉的平行運動，從而實現百葉的同時開閉。通過控制舵機的旋轉角度，可以實現百葉的靈活開啟和關閉操作，以確保車庫快速排水。這種簡單而有效的平行四桿機構設計為百葉式排水裝置提供了穩定可靠的動力傳輸方式。

圖3 百葉式排水機構的機械結構圖

3 系統硬件設計

■3.1 主控制器模塊

車庫智能排水系統采用STM32F103VET6 作為核心控制器，提供了多樣化的外設接口[5]。這些接口包括電源接口、外部傳感器接口、外部執行器接口、I2C 總線接口和控制引腳。通過外部傳感器接口，系統可以實時獲取車庫環境的參數信息，比如水量和人員出現情況。外部執行器接口可用于控制排水系統的運行狀態，可以驅動水泵或打開排水閥門。同時，使用I2C 總線接口可以與其他設備進行通信和數據傳輸。控制引腳則用于數據輸入輸出、定時任務和中斷處理。利用軟件編程，系統能夠智能地控制排水系統的啟停，根據傳感器獲取的數據進行自動調節。這樣，車庫智能排水系統得以穩定可靠地進行控制和監測，顯著提升了系統的智能化水平。

■3.2 雨水傳感器模塊

車庫智能排水系統采用雨水傳感器模塊，通過電阻性原理設計，能及時檢測車庫內的雨水積聚并實現智能排水。雨水傳感器模塊在系統中起到關鍵作用。當雨水落入車庫時，雨滴與涂覆鎳線電極接觸，形成導電路徑，使電路板與地連接，產生低電平信號[6]。該信號經過連接的LM393 電壓比較器處理，比較AC 端口和IN 端口電平，輸出相應的高或低電平。當檢測到雨水存在時，輸出高電平信號；若無雨水，則輸出低電平信號。控制單元連接到雨水傳感器模塊的DO數字輸出，可實時監測傳感器模塊狀態，判斷車庫是否有雨水積聚。同時，通過連接到雨水傳感器模塊的AO 模擬輸出，可獲取雨水的量信息，以便更精準地控制排水程度和時機。使用雨水傳感器模塊，車庫智能排水系統能自動檢測雨水狀態并進行智能排水，避免車庫積水問題，提升安全性和舒適性。

■3.3 人體紅外感應傳感器模塊

車庫智能排水系統采用了人體紅外感應傳感器模塊作為關鍵組件，位于入口底部的阻水擋板上。該模塊通過雙元探頭設計和圓形透鏡設計，能夠精確感知人員和車輛的方向和距離，同時擴大感應角度范圍[7]。通過延時關閉和感應封鎖時間的設置，系統能夠自動檢測人員和車輛的進出，并在延時時間內阻止水流進入車庫。通過此優化設計，人體紅外感應模塊實現了全自動感應和可重復觸發的功能，提高了車庫智能排水系統的效率、安全性和便利性，為用戶提供更高水平的智能車庫管理體驗。

4 系統軟件設計

車庫智能排水系統的軟件設計分為五個方面。系統啟動時，進行MCU（單片機）的初始化設置，包括引腳配置和時鐘設置。傳感器模塊和執行機構模塊也需要初始化，并與它們建立通信連接，確保硬件正常工作和數據傳輸。在傳感器數據采集階段，通過讀取雨水傳感器和人體紅外感應模塊數據，獲取車庫內的降雨情況和車輛進出情況。傳感器數據會經過ADC 轉換為數字信號，并進行數據校驗和格式轉化。參數判斷和控制邏輯階段根據用戶預設的閾值對傳感器數據進行處理和判斷。例如，當降雨超過閾值時觸發排水機構啟動，當檢測到人員或車輛接近車庫入口時觸發阻水機構升起。設備動作控制階段，通過GPIO 控制執行機構的動作，如百葉式排水機構和剪叉式阻水機構的開閉狀態、活動井蓋的升降、抽水泵的啟停。用戶界面和操作階段，通過顯示屏提供菜單和界面，并通過按鈕進行參數設置和查詢系統狀態。

整體框架包括初始化子程序、數據采集子程序、決策控制子程序、用戶界面子程序，可提供高效排水和用戶友好操作。圖4 為軟件整體框圖。

圖4 軟件整體框圖

5 系統測試與分析

為驗證測試車庫智能排水系統的性能功能，模擬車庫環境的搭建（如圖5 所示），進行設備動作控制和傳感器數據采集的測試與分析，測試結果如表1 所示。

表1 傳感器數據采集和設備動作控制測試結果

圖5 車庫智能排水系統樣機

通過對設備動作控制和傳感器數據采集的測試與分析，證明了車庫智能排水系統在設備動作控制和傳感器數據采集方面表現良好，能夠根據不同情境進行智能排水管理。然而，在實際應用中仍可能存在改進的空間，例如提升設備響應速度、增加傳感器的準確性。未來可以進一步研究和改進系統的性能，以滿足更多需求和場景。

6 結束語

本文介紹了一種基于STM32 的車庫智能排水系統。該系統利用傳感器和機構實現了自動化的阻水排水控制，解決了地下停車場排水問題。傳感器和控制機構的協作保證了系統的高效穩定運行，降低了水浸事故的發生概率，增強了用戶停車安全性。通過實時感知和準確判斷降雨情況，系統能夠智能引導雨水進入排水或阻水系統，有效預防積水和水浸事故的發生。實驗結果證明，該系統在保證停車安全的同時，能夠及時有效地排水，降低了水浸風險，提升排水效果，為用戶提供更安全和便利的停車環境。未來，該系統有望在更廣范圍的停車場中應用，提高城市交通系統的智能化水平，為人們的出行提供更安全、便利的保障。