應(yīng)用GE PAC的智能停車場系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傅忠云，陳 平

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，南京 211156)

隨著城市私人汽車數(shù)量的迅速增長，現(xiàn)今大部分停車場老舊的管理模式和落后的環(huán)境設(shè)施已無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。然而大型停車場規(guī)模過大，且停車場內(nèi)環(huán)境單一、相似，容易造成混淆，如果再缺乏相關(guān)的引導(dǎo)設(shè)施，那么車主將很難快速找到最佳停車車位，同時(shí)也給車主取車造成困難。此外，某些空閑車位因?yàn)榈乩砦恢玫脑虿荒芗皶r(shí)被車主發(fā)現(xiàn)，致使停車場的車位利用率不高，在城市車位緊張的現(xiàn)狀下，出現(xiàn)車位資源閑置浪費(fèi)的情況。目前，對于停車庫(場)的研究較多側(cè)重于硬件的設(shè)計(jì)，很少對停車、取車的引導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)［1-4］。為解決停車場管理混亂、車位利用率低、停車和取車難的問題，本文提出了一種基于可編程自動(dòng)化控制器(GE PAC)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

1 智能停車場控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)以GE FANUC PAC系統(tǒng)為主控單元，通過普通I/O數(shù)據(jù)傳送、以太網(wǎng)及串口通信等多種數(shù)據(jù)通信方式，集成車輛進(jìn)出管理、車位智能引導(dǎo)、停車收費(fèi)、車位信息查詢及上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件等各模塊，保障停車場管理者實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)首先利用紅外探測技術(shù)準(zhǔn)確獲取車位停車信息和車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息，然后將信息反饋給信息采集器，建立動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)庫;再由 GE FANUC公司生產(chǎn)的PAC Systems RX3i控制中心進(jìn)行計(jì)算分析，自動(dòng)做出反饋，產(chǎn)生引導(dǎo)信息，并將引導(dǎo)信息傳給車位引導(dǎo)模塊，由指示器引導(dǎo)車主泊車及取車。同時(shí)，利用專用的上位機(jī)監(jiān)控軟件iFix對停車場車位及車輛信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高了停車場車位的使用效率，使停車秩序得到優(yōu)化，方便了車主泊車及取車，實(shí)現(xiàn)了停車場的智能管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要由主控單元和3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，即刷卡模塊、停車場車位引導(dǎo)模塊和閘道控制模塊。

2.1 主控單元

PAC Systems RX3i控制器是創(chuàng)新的可編程自動(dòng)化控制器PAC Systems家族中最新增加的部件，它是應(yīng)用于中、高端過程控制和離散控制的新一代控制器。PAC Systems RX3i的特點(diǎn)是具有單一的控制引擎和通用的編程環(huán)境，提供應(yīng)用程序在多種硬件平臺上的可移植性和真正的各種控制選擇的交叉滲透。RX3i模塊在一個(gè)小型的、低成本的系統(tǒng)中提供了高級功能。與原有的控制系統(tǒng)相比，它使用雙背板總線，提高了數(shù)據(jù)傳送速度;采用開放的通訊方式，支持以太網(wǎng)和串口協(xié)議等多種通訊方式［5-8］。

本系統(tǒng)包含多個(gè)功能模塊，這些功能模塊都需要與主控單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，而PAC系統(tǒng)本身所具有的高可靠性又是單片機(jī)系統(tǒng)所不具備的，基于以上考慮，該智能停車場系統(tǒng)選用PAC系統(tǒng)作為主控單元。

2.2 刷卡模塊

刷卡模塊主要為停車場車輛收費(fèi)管理而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)利用車輛進(jìn)入停車場時(shí)記錄的識別信息建立唯一對應(yīng)的賬戶，記錄該車輛的停車時(shí)間、停車費(fèi)用、賬戶余額等信息。通過上位機(jī)管理員界面還可以對停車場的會(huì)員帳戶進(jìn)行充值。該模塊通過RS232串口協(xié)議與RX3i控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。PLC接收和發(fā)送數(shù)據(jù)通過CPU COM1口，刷卡機(jī)用RS232串口線跟COM1口連接。該模塊選用的IC卡是Mifare標(biāo)準(zhǔn)IC卡，工作頻率為13.56 MHz，其傳輸速度快，讀寫次數(shù)多。讀IC卡讀寫模塊是ZLG500A，車主在辦卡時(shí)將信息寫入卡內(nèi)?？▋?nèi)存儲的信息主要有車主姓名、車型、停車時(shí)間和余額等。刷卡模塊電路及硬件實(shí)物如圖2所示［9］。

2.3 停車場車位引導(dǎo)模塊2.3.1 車位信息采集模塊

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控停車場內(nèi)各車位的空置情況。經(jīng)過方案論證，最終確定采用地埋紅外光電傳感器模塊來檢測車位空置情況。由于紅外光電傳感器模塊需要嵌入板材內(nèi)，并且每個(gè)紅外光電傳感器模塊均要接3根電線，分別是電源線、接地線、信號輸出線。如果每個(gè)車位都安裝紅外光電傳感器模塊，一方面費(fèi)用過高，另一方面將會(huì)出現(xiàn)多達(dá)數(shù)百根的電線，板材將不留任何空隙，全部被電線覆蓋，非常不美觀，所以最終選用14個(gè)經(jīng)典車位演示出所有的引導(dǎo)情況。其他車位不安裝傳感器的默認(rèn)為有車。車位信號采集模塊電路原理及實(shí)物如圖3所示。

圖2 刷卡模塊電路及硬件實(shí)物

由于RX3i控制器采用的是24 V電平的信號傳輸，TCRT5000紅外光電傳感器模塊的輸出信號無法滿足要求，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里利用TCRT5000紅外光電傳感器模塊的輸出信號來控制繼電器的方式實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 引導(dǎo)模塊

為了提高停取車效率，本智能停車場系統(tǒng)設(shè)計(jì)了引導(dǎo)顯示模塊。引導(dǎo)系統(tǒng)采用LED點(diǎn)陣屏幕顯示方向?yàn)樗緳C(jī)提供車位引導(dǎo)，主控單元根據(jù)車位空缺情況，通過程序?qū)ふ易顑?yōu)路徑，發(fā)出控制信號，然后由單片機(jī)控制點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的實(shí)時(shí)顯示［10］。點(diǎn)陣顯示控制模塊硬件電路仿真如圖4所示。

圖3 車位信號采集模塊電路原理及實(shí)物

前面已經(jīng)提到RX3i控制器采用的是24 V電平的信號傳輸，而單片機(jī)的工作電壓為5 V左右，因此在兩者之間添加了1個(gè)電平轉(zhuǎn)換模塊，將PLC的24 V電平信號轉(zhuǎn)換為5 V的信號再傳輸給單片機(jī)。由于兩者之間都是直流信號，因此采用最簡單的電阻分壓法制作了電平轉(zhuǎn)換模塊。

2.4 進(jìn)出口閘道控制模塊

系統(tǒng)中停車場出入口閘道的控制采用28BYJ-48四相八拍步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為DC5V～DC12V，刷卡后由主控單元發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)進(jìn)出口電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，5 s后復(fù)位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5所示。

圖4 引導(dǎo)模塊硬件電路Proteus仿真

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)的思想，分為應(yīng)用層、控制層和物理層。每一層使用下層提供的服務(wù)，并向其上層提供服務(wù)。利用GE PAC系統(tǒng)的以太網(wǎng)和串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)各模塊之間的通信。

1)應(yīng)用層

本軟件的最高層。程序?qū)崿F(xiàn)功能的邏輯轉(zhuǎn)換。主要實(shí)現(xiàn)路徑生成、查詢系統(tǒng)、管理員界面的應(yīng)用功能底層設(shè)計(jì)，其中最重要的是路徑生成部分，其主要步驟有:

①掃描所有車位，找到最近的閑置車位，將其作為目標(biāo)車位;

②采用分區(qū)域方式確定引導(dǎo)路徑的前半部分;

③將目標(biāo)車位和路徑上點(diǎn)陣顯示器的物理坐標(biāo)做比較，得到后半部分完整引導(dǎo)路徑;

④將路徑信息發(fā)往控制層，并向下層發(fā)送服務(wù)請求，實(shí)現(xiàn)硬件顯示引導(dǎo)路徑。

2)控制層

接受應(yīng)用層發(fā)來的服務(wù)請求，從軟件上為物理層產(chǎn)生控制信號。其中客戶的賬戶計(jì)費(fèi)、充值、查詢系統(tǒng)為重點(diǎn)。對賬戶信息采用數(shù)組的方式來實(shí)現(xiàn)存儲，涵蓋了賬戶的停車時(shí)間、停車費(fèi)用、余額以及登陸密碼等信息。其中，停車時(shí)間和費(fèi)用是對用戶停車時(shí)間的累計(jì)及根據(jù)價(jià)格水平計(jì)算出的金額。

控制層提供有口令保護(hù)的管理員賬戶后臺入口，可以實(shí)現(xiàn)對價(jià)格水平的調(diào)整、對整個(gè)停車場的宏觀調(diào)度，以及對用戶的賬戶充值等服務(wù)?？刂茖庸δ苜N近現(xiàn)實(shí)，實(shí)用性強(qiáng)。

3)物理層(驅(qū)動(dòng)層)

軟件的底層與硬件電路相連接，主要實(shí)現(xiàn)采集上層的服務(wù)信息，對硬件產(chǎn)生響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)由軟件到硬件的信息轉(zhuǎn)化等功能。

采用AT89C52單片機(jī)作為下位機(jī)，對硬件進(jìn)行信息的串并行轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)底層點(diǎn)陣顯示器的動(dòng)態(tài)掃描，大大減少了線路數(shù)量，增加了可靠傳輸距離。編寫的PLC上位機(jī)物理層程序?qū)LC處理后的上層信息轉(zhuǎn)化為電平信號，經(jīng)過底層光電耦合器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和物理隔離，然后發(fā)送給單片機(jī)處理，驅(qū)動(dòng)硬件顯示，實(shí)現(xiàn)完整功能。

3.2 通訊連接

3.2.1 以太網(wǎng)通訊

PAC系統(tǒng)編程軟件PME(proficy machine edition)界面、iFix上位機(jī)監(jiān)控界面與RX3i控制器之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊。需要注意的是，該網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的IP地址應(yīng)設(shè)置為同一網(wǎng)段下的不同值，可將3個(gè)節(jié)點(diǎn)IP地址分別設(shè)置為:192.168.0.1、192.168.0.10 和 192.168.0.20。另外，還要注意在設(shè)置好各節(jié)點(diǎn)IP地址后，一定要在iFix組態(tài)軟件所在的PC機(jī)中找到Windows操作系統(tǒng)的HOSTS文件(C:WINNTsystem32driversetc)，然后將RX3i控制器的IP地址和相應(yīng)的設(shè)備名稱輸入并保存，之后重啟電腦實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

3.2.2 串口通訊

系統(tǒng)中刷卡模塊是通過AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制的，因此單片機(jī)與PAC系統(tǒng)之間必然要進(jìn)行通訊。系統(tǒng)利用RX3i控制器CPU自帶的COM1口實(shí)現(xiàn)PAC與單片機(jī)刷卡模塊之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。端口1是光電隔離的RS-232兼容口。串行I/O通過使用COMM_REQ功能指令實(shí)現(xiàn)，梯形圖程序如圖6所示。圖6(a)中梯形圖開始時(shí)，M00009給接收程序一個(gè)脈沖讓它只接收一次數(shù)據(jù)，以免造成數(shù)據(jù)混亂;圖6(b)是發(fā)送數(shù)據(jù)的梯形圖，是車主駛出停車場刷卡扣費(fèi)后的數(shù)據(jù)回傳，經(jīng)過PLC的計(jì)算分析，將新的數(shù)據(jù)傳回到IC卡內(nèi)。

首先定義串口傳輸協(xié)議serial I/O、數(shù)據(jù)傳輸速率、奇偶性、每位字符數(shù)等。然后初始化端口，建立數(shù)據(jù)緩沖器，讀端口字符串。定義串口和初始化端口是在PME編程窗口中的硬件設(shè)置中設(shè)置的，不需要編寫程序。

雙擊COMM_REQ功能塊后，根據(jù)需要配置其他功能。本系統(tǒng)中用到了寫字節(jié)功能塊(4401)和讀字符串功能塊(4403)。PLC通過讀字符串的指令讀出IC卡傳來的車主數(shù)據(jù)，以16#000D(對應(yīng)為回車鍵)為結(jié)束標(biāo)志接收數(shù)據(jù)。當(dāng)PLC識別到16#000D時(shí)，它就會(huì)將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖器中讀到指定的地址內(nèi)，方便其他程序使用。

圖6 串行I/O讀寫梯形圖程序

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)主控單元軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。限于篇幅，其他各模塊軟件設(shè)計(jì)在此不做介紹。

圖7 系統(tǒng)主控單元軟件設(shè)計(jì)流程

4 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用 PAC Systems RX3i、Proficy Machine Edition編程工具和專用的iFix組態(tài)軟件3者互相通訊完成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)的界面包含主界面、引導(dǎo)界面和用戶信息查詢界面。主界面主要提供停車場基本信息的顯示和主要功能的入口(如兩層停車場的切換入口);引導(dǎo)界面主要顯示停車和取車引導(dǎo)，同時(shí)顯示車主IC卡信息，并實(shí)現(xiàn)充值服務(wù);用戶查詢界面可查詢用戶的姓名、車牌號碼、停車次數(shù)、停車費(fèi)用等信息［11-12］。引導(dǎo)界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)引導(dǎo)界面

5 系統(tǒng)模型及調(diào)試

本文研究的停車場是立體停車庫，有上下兩層。第1層有48個(gè)停車位，第2層有40個(gè)停車位，共88個(gè)停車位。受模型空間的限制，系統(tǒng)只使用了14個(gè)經(jīng)典車位(樓下8個(gè)，樓上6個(gè))，每個(gè)車位都有傳感器感應(yīng)是否有車停放，其余車位默認(rèn)為有車。硬件電路板放置于每層停車場的下方，停車場全景模型如圖9所示。

采用不同區(qū)域多次停取車進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。結(jié)果表明:該系統(tǒng)能正確提供停取車引導(dǎo)且運(yùn)行穩(wěn)定。圖10是停車引導(dǎo)的效果圖。

圖9 停車場全景模型

圖10 停車引導(dǎo)效果圖

6 結(jié)束語

本研究創(chuàng)造性地將GE FANUC公司的PAC Systems RX3i和AT89C52單片機(jī)有機(jī)結(jié)合起來，盡兩者所長，采用模塊化方式，實(shí)現(xiàn)了智能停車場的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便了系統(tǒng)維護(hù)和管理。通過調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的主要功能，為實(shí)際大型停車場的建立提供一種新思路。但是本設(shè)計(jì)也存在一些問題，例如:雖然考慮了車輛的引導(dǎo)進(jìn)出頻繁度這一因素，但是沒有切實(shí)解決，未來還需要進(jìn)一步研究。

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