基于紅外避障模塊和ARM Cortex-M3的空余車位管理及引導(dǎo)系統(tǒng)

北京聯(lián)合大學(xué) 王 楠 高祿良 楊 峰 許匯冬

基于紅外避障模塊和ARM Cortex-M3的空余車位管理及引導(dǎo)系統(tǒng)

北京聯(lián)合大學(xué) 王 楠 高祿良 楊 峰 許匯冬

本設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)有停車場(chǎng)引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了提煉，主要研究引導(dǎo)車主快速找到空余車位這一功能，并制作了模型。該方案考慮到模型尺寸較小，將市面上主流的超聲波傳感器換成了紅外線避障傳感器，對(duì)全部車位進(jìn)行了分塊管理，分別由89C51單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺豐TM32單片機(jī)，經(jīng)過(guò)主控芯片處理后再回傳，利用LED燈進(jìn)行車輛引導(dǎo)。本方案主要分為以下五部分：車位狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)分塊匯總、無(wú)線模塊傳輸、主控分析、車輛引導(dǎo)

車位引導(dǎo)；無(wú)線通訊；單片機(jī)

引言

近十年來(lái)，隨著國(guó)民收入的不斷增加，我國(guó)私人汽車數(shù)量持續(xù)高速增長(zhǎng)，在各大、中型城市中，停車位擁有量和需求量之間的矛盾愈加突出。如何在現(xiàn)有停車場(chǎng)數(shù)量不變的前提下提高其使用效率便成為一個(gè)突出的問(wèn)題?，F(xiàn)行的大、中型停車場(chǎng)都普遍存在著以下幾個(gè)管理問(wèn)題：(1)管理者無(wú)法實(shí)時(shí)掌握停車場(chǎng)空余車位、空余位置的有效數(shù)據(jù)。(2)駕駛員無(wú)法短時(shí)間內(nèi)找到空余車位。(3)停車場(chǎng)智能化管理程度低，為了保障停車場(chǎng)正常運(yùn)行，勢(shì)必增加人工成本，降低企業(yè)利潤(rùn)。(4)停車場(chǎng)日常使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理基本以人工為準(zhǔn)，既不準(zhǔn)確又不方便和及時(shí)。本方案根據(jù)以上問(wèn)題，研究出了基于2.4G無(wú)線通信技術(shù)的紅外測(cè)距智能化停車場(chǎng)引導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直接引導(dǎo)車輛進(jìn)入空余停車位的功能。

1.緒論

1.1 大型停車場(chǎng)空余車位管理系統(tǒng)的研究背景及意義

現(xiàn)代化城市高架橋以及復(fù)雜的立交橋處處可見(jiàn)，城鎮(zhèn)道路也四通八達(dá)。私人汽車作為一種現(xiàn)代化的舒適便捷的交通工具早已進(jìn)入很多尋常人家，然而令人厭煩的堵車以及停車難等問(wèn)題也隨之而來(lái)。目前，越來(lái)越多的智能大型停車場(chǎng)設(shè)計(jì)方案和研究的側(cè)重點(diǎn)和方向也都趨向于高度智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。隨著私人民用汽車數(shù)量的增加，停車場(chǎng)管理引導(dǎo)系統(tǒng)的升級(jí)也大勢(shì)所趨。

當(dāng)前我國(guó)的城市交通管理存在諸多不合理的現(xiàn)象，場(chǎng)內(nèi)設(shè)備陳舊，管理人員不到位，建筑物內(nèi)的停車位的配備不夠完善，停車位遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，對(duì)未來(lái)的規(guī)劃也不夠全面，從而造成了交通堵塞問(wèn)題，因此中國(guó)的交通系統(tǒng)還有很大的發(fā)展?jié)摿?。從智能化入手，發(fā)展智能化的停車引導(dǎo)系統(tǒng)，加強(qiáng)停車場(chǎng)利用率，使得現(xiàn)有停車場(chǎng)內(nèi)的每一處空間得到充分的利用，而且駕駛員能夠根據(jù)智能化的停車場(chǎng)引導(dǎo)快速、準(zhǔn)確的找到空閑停車位。

由停車場(chǎng)的發(fā)展歷程，結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，總結(jié)出其存在的主要問(wèn)題有：(1)大型停車場(chǎng)出入口處以及停車場(chǎng)內(nèi)主要交叉路口在車流量較大時(shí)非常容易排起長(zhǎng)龍，導(dǎo)致車輛的通過(guò)效率較低；(2)當(dāng)停車場(chǎng)內(nèi)車位總數(shù)較多而空余車位較少時(shí)，由于沒(méi)有準(zhǔn)確的空余車位位置信息及引導(dǎo)，很容易導(dǎo)致漫無(wú)目的的尋找車位；(3)在很多大型建筑物的停車場(chǎng)內(nèi)，當(dāng)駕駛員取車時(shí)由于車位較多很容易導(dǎo)致方向迷失；經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和分析表明，現(xiàn)在車輛數(shù)量不斷增長(zhǎng)，如果一味的依靠對(duì)停車場(chǎng)的擴(kuò)建是無(wú)法滿足這種在情況下對(duì)停車位數(shù)量的需求的，所以對(duì)公共停車場(chǎng)車位進(jìn)行更有效地管理就顯得非常重要了，車輛的停放與智能化管理早已成為各大中型城市交通管理系統(tǒng)中非常重要的不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1)駕駛員駕駛車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后能迅速找到停車位，節(jié)約時(shí)間1)停車場(chǎng)內(nèi)的每個(gè)車位上方安裝車位指示燈，被車輛占用時(shí)指示燈滅，空余時(shí)指示燈亮起。2)在停車場(chǎng)的主要路口安裝指示燈，通過(guò)指示箭頭，指示那個(gè)方向有空余車位。

(2)提高停車場(chǎng)內(nèi)每個(gè)車位的使用效率。1)加強(qiáng)對(duì)進(jìn)入車輛的自動(dòng)引導(dǎo)，使每個(gè)車位的使用率最大化。2)使駕駛員能夠在最短的時(shí)間內(nèi)找到自己的車輛，車位能盡量早的空出來(lái)。3)平均使用車位，保證車輛不會(huì)過(guò)度集中。

(3)提高停車場(chǎng)主要路口通過(guò)率，盡量減少或消除擁堵。1)有效的引導(dǎo)車輛，加強(qiáng)車輛的流動(dòng)。2)提高用戶停車的舒適度，使用戶更加滿意。

1.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)車位較多時(shí)，進(jìn)行分模塊管理，每個(gè)管理單元進(jìn)行單個(gè)匯總。2)每個(gè)車位上的燈要足夠醒目，引起注意。3)紅外線測(cè)距模塊的調(diào)試，考慮到環(huán)境的影響。4)車位統(tǒng)計(jì)以及線路引導(dǎo)。

1.2.3 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)主要由車位狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)分塊匯總、無(wú)線模塊傳輸、主控分析、車輛引導(dǎo)五部分組成。車位使用狀態(tài)主要使用紅外模塊采集數(shù)據(jù)。分塊匯總使用89C51單片機(jī)對(duì)車位狀態(tài)進(jìn)行匯總。無(wú)線模塊傳輸使用89C51單片機(jī)與主控STM32單片機(jī)之間的互相通訊。主控分析主要是STM32單片機(jī)分析由無(wú)線模塊接受到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后將結(jié)果再回傳給相應(yīng)的89C51單片機(jī)。車輛引導(dǎo)主要是由89C51單片機(jī)根據(jù)接收到的回傳數(shù)據(jù)，控制路口的LED燈來(lái)引導(dǎo)車主快速尋找車位并進(jìn)入停車位。

2.硬件簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)

STM32F103系列單片機(jī)使用的是ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核---性能高、成本低、功耗低。32位處理器的缺點(diǎn)是功耗高、成本高，該內(nèi)核客服了這些缺點(diǎn)又突破了16位處理器的性能限制，所以受到廣大開(kāi)發(fā)商和供應(yīng)商的支持，很快普及開(kāi)來(lái)。

I/O設(shè)計(jì)與選擇：由于主控STM32和89C51之間是通過(guò)NRF24L1無(wú)線通信模塊進(jìn)行通訊，所以主控STM32使用的I/O口很少。本設(shè)計(jì)中STM32單片機(jī)的I/O口使用情況如表2.1所示。

表2.1 STM32單片機(jī)I/0口對(duì)照表

2.2 89C51單片機(jī)

I/O設(shè)計(jì)與選擇：對(duì)于大多數(shù)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，I/O口P0.0—P3.7是作為數(shù)據(jù)的輸入和輸出口，也只有他們能做到數(shù)據(jù)的傳輸，從外面把數(shù)據(jù)讀入，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的芯片之中，然后通過(guò)程序算法把需要的結(jié)果通過(guò)它傳輸出去。由于傳輸口輸入和輸出的狀態(tài)只能選擇一種，而且口只有P0.0—P4.2這么多，所以如何選擇規(guī)劃I/O口的使用就變的異常重要。所以能使用的接口更是少之又少。本設(shè)計(jì)中51單片機(jī)的具體接口設(shè)計(jì)如表2.2所示。

表2.2 89C51單片機(jī)I/0口對(duì)照表

NRF24L01模塊是一種工作頻率為2.4---2.5GHz之間的無(wú)線收發(fā)器芯片。該模塊還有一個(gè)顯著的特點(diǎn)----消耗極低的電流。

3.程序編寫中應(yīng)用的技術(shù)及系統(tǒng)主要流程

3.1 程序編寫中應(yīng)用的技術(shù)

本課題是基于STM32單片機(jī)和紅外避障模塊的大型停車場(chǎng)空余車位引導(dǎo)系統(tǒng)，程序主要分為主控STM32和分組管理的89C51。STM32程序運(yùn)用keil uvision5進(jìn)行編寫編譯編寫過(guò)程中運(yùn)用USART串口與NRF24L01進(jìn)行通訊，需要進(jìn)行USART數(shù)據(jù)串口的參數(shù)和NRF24L01無(wú)線通信模塊進(jìn)行參數(shù)初始化，首先進(jìn)行NRF24L01無(wú)線通訊模塊的初始化，使用PC機(jī)通過(guò)串口調(diào)試助手向無(wú)線通信模塊發(fā)送ASCII碼進(jìn)行設(shè)置。然后進(jìn)行USART串口初始化。

89C51程序使用keil uvision4進(jìn)行編寫編譯，程序中主要運(yùn)用了多層循環(huán)嵌套和判斷結(jié)構(gòu)，對(duì)單片機(jī)的四組管腳分別進(jìn)行不同的設(shè)置。

3.2 系統(tǒng)主要工作流程

3.2.1 系統(tǒng)功能概述

為了讓課堂教學(xué)煥發(fā)生命的奪目光彩，讓語(yǔ)文成為一泓活水，成為學(xué)生愛(ài)學(xué)、會(huì)學(xué)的一門課程。教師需要的是積極引導(dǎo)，大膽改革課堂教學(xué)，讓自主學(xué)習(xí)化作暖暖的東風(fēng)，吹來(lái)素質(zhì)教育的春天。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是：當(dāng)駕駛員到停車場(chǎng)入口時(shí)，可以在入口的顯示裝置上看到停車場(chǎng)內(nèi)空余車位的數(shù)量，進(jìn)入停車場(chǎng)后，在每個(gè)岔路口都會(huì)由指示燈，提示哪個(gè)方向有空余車位，同時(shí)在每個(gè)車位頂部都會(huì)有指示燈，當(dāng)確認(rèn)此車位已經(jīng)被占用則指示燈熄滅。

3.2.2 功能的實(shí)現(xiàn)

(1)由于需要模擬的車位較多，所以進(jìn)行了分組，每組的數(shù)據(jù)先由89C51單片機(jī)進(jìn)行匯總處理，然后通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊分組傳送給STM32主單片機(jī)進(jìn)行處理。處理完成后再通過(guò)無(wú)線模塊進(jìn)行回傳以控制信號(hào)燈進(jìn)行車輛引導(dǎo)。

(2)車位需要有傳感器來(lái)判斷車位內(nèi)是否停有車輛，擬采用紅外線測(cè)距裝置，通過(guò)測(cè)車位內(nèi)物體到傳感器的距離來(lái)判斷車位內(nèi)的狀態(tài)。設(shè)計(jì)如圖3.1所示。

圖3.1 系統(tǒng)流程圖

4.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 無(wú)線避障模塊檢測(cè)車位狀態(tài)

紅外避障模塊對(duì)外界環(huán)境光線有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，探頭由一個(gè)紅外線發(fā)射管和一個(gè)紅外線接收管組成，正常工作時(shí)發(fā)射管會(huì)有規(guī)律的發(fā)射出固定頻率的紅外線。當(dāng)沒(méi)有物體遮擋時(shí)，接收管會(huì)輸出高電平。而當(dāng)接收管沒(méi)有接收到發(fā)射管發(fā)射出的紅外線時(shí)，輸出為低電平。因?yàn)椴捎萌绱说脑O(shè)計(jì)，可以把檢測(cè)信號(hào)簡(jiǎn)單的用高低電平表示出來(lái)，這樣很方便信號(hào)的傳輸，使其可以很容易的連接到單片機(jī)等一系列控制器上。

4.2 89C51單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

51單片機(jī)主要負(fù)責(zé)小組內(nèi)的管理，對(duì)紅外避障模塊的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行采集，依據(jù)每個(gè)車位的信號(hào)進(jìn)行空余車位的計(jì)數(shù)，并控制與之相對(duì)應(yīng)車位的車位指示燈的亮滅。然后通過(guò)USART串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32主控。

4.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送

每四個(gè)車位分為一組，共分為16組，分別進(jìn)行編號(hào)1-16，在發(fā)送車位數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)志，將對(duì)應(yīng)的編號(hào)添加到數(shù)據(jù)中車位的數(shù)量。i1為1組空余車位的數(shù)量，i2位2組空余車位的數(shù)量；將i1與10相加并放在數(shù)組number的0位，此時(shí)number[0]內(nèi)的數(shù)據(jù)是一個(gè)兩位數(shù)，高位為小組編號(hào)，低位為該小組中空余，在接收到主控的信號(hào)后準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)利用循環(huán)結(jié)構(gòu)將數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)一一發(fā)出。

4.2.2 數(shù)據(jù)接收

當(dāng)通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊接收到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行高地位分離，由高位數(shù)據(jù)rh判斷此數(shù)據(jù)是否是該51單片機(jī)需要的。如果rh等于該組單片機(jī)的編號(hào)則此時(shí)需要向主控STM32發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)確定是需要的數(shù)據(jù)后，根據(jù)低位數(shù)據(jù)來(lái)控制路口車位引導(dǎo)燈,同樣也是利用switch語(yǔ)句根據(jù)rl選擇相應(yīng)的指示數(shù)據(jù)。

4.3 STM32程序設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的屏幕顯示程序運(yùn)行的后臺(tái)數(shù)據(jù)，通過(guò)此功能可以快速調(diào)試系統(tǒng)。

4.3.1 STM32數(shù)據(jù)接收并處理

STM32接收到數(shù)據(jù)reg1后，利用求余和取整將數(shù)據(jù)reg1進(jìn)行分離分成高位reg2和低位reg3，高位是車位分組編號(hào)，低位是空余車位數(shù)量。分出高低位后，利用switch語(yǔ)句把數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的數(shù)組位置。switch語(yǔ)句以reg2為依據(jù)，判斷完后執(zhí)行case內(nèi)的語(yǔ)句，完成數(shù)據(jù)的讀取。

各組車位的數(shù)據(jù)存入數(shù)組后，16組數(shù)據(jù)全部讀取完以后使用循環(huán)語(yǔ)句求出空余車位總數(shù)。

4.3.2 STM32數(shù)據(jù)發(fā)送

主控STM32發(fā)送數(shù)據(jù)由兩個(gè)部分組成，低位是向下級(jí)的89C51單片機(jī)發(fā)送的路口車位指示燈控制數(shù)據(jù)，高位是每個(gè)單片機(jī)的編號(hào)01-06，當(dāng)相應(yīng)的單片機(jī)接收到屬于自己的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將自己最新的數(shù)據(jù)返回給主控芯片。

4.4 外部硬件設(shè)計(jì)

圖4.1 外部硬件設(shè)計(jì)模型

圖4.2 車位引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型

外部硬件設(shè)計(jì)模型如圖4.1所示，利用CAD軟件設(shè)計(jì)圖紙，并進(jìn)行后期制作。具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：共有64個(gè)獨(dú)立車位，每四個(gè)分為一組，分別標(biāo)號(hào)0-15。使用6個(gè)51單片機(jī)控制，分別標(biāo)號(hào)1-6。

經(jīng)過(guò)我們反復(fù)實(shí)驗(yàn), 最終實(shí)現(xiàn)了剩余車位引導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù),并滿足設(shè)計(jì)要求，如圖4.2所示。

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圖2 微水變送器檢測(cè)流程圖

2.6 數(shù)據(jù)顯示輸出單元

本單元由可編程控制器、觸摸屏式平板計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等部分組成。檢測(cè)標(biāo)定人員操作觸摸屏式平板計(jì)算機(jī)，通過(guò)可編程控制器控制相應(yīng)的單元的動(dòng)作，完成對(duì)變送器檢測(cè)裝置的抽真空、充氣、標(biāo)準(zhǔn)氣體的給定等操作，屏幕顯示檢測(cè)的即時(shí)數(shù)據(jù)及檢測(cè)結(jié)果，將檢測(cè)的結(jié)果存儲(chǔ)在硬盤中，并且通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)。

3.系統(tǒng)應(yīng)用情況

本文設(shè)計(jì)的真空干燥裝置可以對(duì)多臺(tái)微水變送器同時(shí)進(jìn)行真空干燥，目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于在變送器的實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)真空干燥裝置的應(yīng)用，大大地提高了微水含量變送器的精度，加快了變送器的響應(yīng)時(shí)間，取得了良好的應(yīng)用效果。

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許匯冬

常勝利（1983—），男，工程師，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化。