基于Arduino平臺的停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)*

任海燕，王宇，耿爽，陳思羽

(南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，南京 211167)

基于Arduino平臺的停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)*

任海燕，王宇，耿爽，陳思羽

(南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，南京 211167)

設(shè)計了一種基于Arduino的車位信息采集和車位信息顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)通過超聲波傳感器采集車位信息，再通過nRF24L01系統(tǒng)將車位信息發(fā)送到車位信息顯示模塊。該系統(tǒng)能可靠地引導(dǎo)停車，在停車場管理方面有一定實(shí)用價值。

智能引導(dǎo)；Arduino；超聲波傳感器；nRF24L01

引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民的生活水平也在不斷提高,越來越多的人們選擇駕駛私家車出行。這種現(xiàn)象雖然極大地便利了人們的生活，但是也帶來了一些問題，比如停車耗時長。研究科學(xué)有效的停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)可以在一定程度上緩解停車問題，幫助司機(jī)在停車場快速找到位置。該系統(tǒng)利用了Arduino便捷靈活，超聲波測距成本低、精度高、速度快等技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合無線通信技術(shù)，可將車位信息在OLED上進(jìn)行實(shí)時顯示。

1 總體組成及功能

該停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)主要包括兩個部分：車位信息采集模塊和車位信息顯示模塊。車位信息采集模塊包括車位探測、車位信息紅綠燈顯示，以及無線發(fā)射模塊；車位信息顯示模塊包括整個停車場車位信息顯示以及無線接收模塊。

司機(jī)在停車場入口便可了解車位信息以及空車位所在區(qū)域，并且在進(jìn)入該區(qū)域后，通過紅綠燈指示準(zhǔn)確找到空車位。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)總體框圖

1.1 車位信息采集模塊

車位信息采集模塊位于每個車位的中央。超聲波傳感器將探測的車位信息送入Arduino處理，并通過紅綠燈來標(biāo)識車位信息(紅燈表示車位被占用，綠燈反之)。與此同時，Arduino通過無線模塊nRF24L01將每個車位信息發(fā)至車位信息顯示模塊。

1.2 車位信息顯示模塊

車位信息顯示模塊位于停車場入口處。停車場被劃分為4個區(qū)域：A、B、C、D。它通過無線模塊接收每個車位信息后，在顯示屏OLED上集中車位信息，車位信息包括車位剩余總數(shù)以及剩余車位所在ABCD任一區(qū)域。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

Arduino是一個開源的、擁有簡單輸入/輸出(I/O)的電路板，它沿用Processing語言的開發(fā)環(huán)境。Arduino可以用來開發(fā)獨(dú)立運(yùn)作互動裝置，或者可以連接到計算機(jī)上的軟件[1]。

該系統(tǒng)利用超聲波傳感器檢測車輛信息，送入Arduino集中處理，然后再通過無線收發(fā)模塊，將信息發(fā)送給顯示模塊。它主要由硬件平臺Arduino、超聲波傳感器HC-SR04、無線收發(fā)模塊nRF24L01、顯示屏OLED以及LED燈組成。

2.2 車位信息采集模塊

車位信息采集模塊由Arduino、超聲波傳感器、紅綠LED燈以及無線收發(fā)模塊組成。

(1) 超聲波傳感器HC-SR04

超聲波測距模塊型號為HC-SR04，可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3 mm。它采用I/O口TRIG 觸發(fā)測距，給最少10 μs的高電平信號。模塊自動發(fā)送8 個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，則通過I/O口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間×聲速(340 m/s))/2。[2]

HC-SR04用來探測車位的信息，它由上而下發(fā)出超聲波，精確測量出反射面到探測器的距離。如果距離小于1.5 m，則表示車位被占用，從而可以準(zhǔn)確判斷車位是否被占用。

(2) 紅綠LED指示燈

LED燈用來指示每個車位占有情況。當(dāng)車位被占用，給紅色指示燈高電平，從而紅燈亮，表示車位被占用；當(dāng)車位空閑，給綠色指示燈高電平，則綠燈亮，表示車位未被占用工作。LED燈的電壓一般為1.5～2.0 V，工作電流一般為10～20 mA，反向擊穿電壓為5 V，控制板邏輯電路供電為5 V。根據(jù)限流電阻=(總電壓-LED電壓)/電流，本次硬件設(shè)計采用的限流電阻為220 Ω。

(3) 無線收發(fā)模塊nRF24L01

無線收發(fā)模塊將Arduino處理過的信息發(fā)送給車位顯示模塊。nRF24L01 是一款新型單片射頻收發(fā)一體器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM 頻段[3]，其內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、低噪聲放大器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型 ShockBurst 技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。 nRF24L01 具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0 dBm 時，電流消耗為11.3 mA，接收模式時為13.5 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。這里的nRF24L01設(shè)置為發(fā)射模式。[4]

車位信息采集模塊的電路圖如圖2所示。圖中A0與紅色指示燈相連，該模擬值A(chǔ)0通過無線發(fā)送模塊發(fā)送至車位信息顯示模塊。

圖2 車位信息采集模塊電路連接圖

2.3 車位信息顯示模塊

車位信息顯示模塊的硬件電路由Arduino、OLED和無線接收模塊nRF24L01組成。

該系統(tǒng)采用OLED來顯示停車場整體剩余車位信息，以及剩余車位所在的具體區(qū)域。OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode),它是以有機(jī)半導(dǎo)體和發(fā)光材料作為其材料，在電場驅(qū)動下通過載流子注入并導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。OLED在顯示和照明兩大應(yīng)用領(lǐng)域都顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿凸饷髑熬癧5]。相比傳統(tǒng)LCD顯示屏，其更輕更薄，可視角度更大，柔軟環(huán)保且更省電，同時nRF24L01設(shè)置為接收模式。Arduino、OLED和nRF24L01的電路連接圖如圖3所示。

圖3 車位信息顯示模塊電路連接圖

3 軟件設(shè)計

該停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)是在Arduino平臺上進(jìn)行編程。Arduino語言是建立在C/C++基礎(chǔ)上的，它將AVR單片機(jī)(微控制器)相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化。Arduino通過超聲波傳感器測量到的距離，來判斷車位信息，并將這一車位信息通過無線收發(fā)裝置送入車位顯示模塊。

3.1 車位信息采集模塊

車位信息采集模塊主要由兩部分組成：一部分是車位信息的探測，另一部分是車位信息的無線發(fā)射。它的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 車位信息采集模塊軟件流程圖

(1) 超聲波探測

每個車位安裝一個超聲波測距裝置，當(dāng)車輛進(jìn)入車位，只需提供一個10 μs以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部會發(fā)出8個40 kHz周期電平并檢測回路，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度輸出與所測距離成正比，由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以通過計算得到距離。感知到有車輛停放，則紅色LED燈亮。

下面是超聲波測距主要功能實(shí)現(xiàn)的代碼：

pinMode(TrigPin, OUTPUT);

pinMode(EchoPin, INPUT);

digitalWrite(TrigPin, LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(TrigPin, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(TrigPin, LOW);

distance = pulseIn(EchoPin, HIGH) / 58.00;

(2) 無線發(fā)射模塊

無線發(fā)射模塊首先先進(jìn)行初始化，然后設(shè)置nRF24L01為發(fā)送模式，再通過MOSI寫入數(shù)據(jù)，從MISO端口讀出數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)保存到寄存器，并開始發(fā)送。在發(fā)送之后，輸出端口開始檢測是否有信號傳出，如果有則說明發(fā)送成功；如果沒有，再次發(fā)送，如此循環(huán)。

其核心代碼為：

pinMode(A0,OUTPUT);

Mirf.spi = &MirfHardwareSpi;

Mirf.init(); //初始化nRF24L01

Mirf.setRADDR((byte *)"Sen01");

//設(shè)置接收標(biāo)識符"Sen01"

adata = analogRead(A0); //讀取A0值到adata

byte data[Mirf.payload];

//data高低8位拆分

data[0] = adata & 0xFF; //低8位給data[0]

data[1] = adata >> 8; //高8位給data[1]

//設(shè)置向"serv1"發(fā)送數(shù)據(jù)

Mirf.setTADDR((byte *)"Rec01");

Mirf.send(data);

while(Mirf.isSending())

3.2 車位信息顯示模塊

車位信息顯示模塊主要由兩部分組成：一是它接收從車位信息收集端發(fā)送的A0的模擬值，二是顯示車位信息。它的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 車位信息顯示模塊軟件流程圖

(1) 無線接收模塊

無線接收模塊先進(jìn)行初始化，再設(shè)置nRF24L01為接收模式。值得注意的是，接收端必須與發(fā)射端的配置相匹配，通過讀取狀態(tài)存儲器判斷接是否收到有數(shù)據(jù)。如果有，將接收端數(shù)據(jù)與發(fā)射端數(shù)據(jù)相比較，如果地址相匹配，說明數(shù)據(jù)接收成功。如果數(shù)據(jù)不同，則舍棄這個數(shù)據(jù)，重新接收，直到接收到正確的數(shù)據(jù)為止。

它的核心代碼為：

Mirf.spi = &MirfHardwareSpi;

Mirf.init(); //初始化nRF24L01

Mirf.setRADDR((byte *)"Rec01");

Mirf.payload = sizeof(unsigned int);

Mirf.channel = 3;

Mirf.config();

Serial.println("I'm Receiver...");

byte data[Mirf.payload];

if(Mirf.dataReady())//等待接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

Mirf.getData(data);//接收數(shù)據(jù)到data數(shù)組

//data[1]重組數(shù)據(jù)

adata = (unsigned int)((data[1] << 8) | data[0]);

//Serial.print輸出數(shù)據(jù)

Serial.print("A0=");

Serial.println(adata);}

(2) 顯示屏模塊

顯示屏OLED上顯示停車場剩余量以及剩余車位所在具體位置。它顯示的信息主要由無線接收模塊將接收的信息送到Arduino處理后得到的車位信息。

本文主要的OLED顯示函數(shù)如下：

display.println("107PARK");

display.setTextColor(WHITE);//設(shè)置文本顏色

display.println(" ");//顯示空白行

display.setTextSize(2);//設(shè)置文本大小

display.print("parking:");//顯示文本內(nèi)容

display.println(x);//x為車位數(shù)量為整型變量

……

結(jié) 語

[1] 班茲.愛上Arduino[M].北京:人民郵電出版社,2011：5-6.

[2] 蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測距器的設(shè)計[J].科技信息,2012(9).

[3] 孫志遠(yuǎn).2.4 GHz無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010．

[4] 劉衛(wèi)國,王紅彬.基于nRF24L01+與Arduino的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015, 23(22):150-152 .

[5] 何豪，張臘花.OLED[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(20).

任海燕(本科)，主要研究領(lǐng)域?yàn)樽詣涌刂品较颉?/p>

Intelligent Guide Parking System Based on Arduino

Ren Haiyan,Wang Yu,Geng Shuang,Chen Siyu

(School of Automation,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

An intelligent guide parking system is designed which is based on Arduino,in order to collect and display the parking information.The system collects the parking information by the ultrasonic sensor,then the system sends the parking information to the display module by nRF24L01.The system can reliably guide the parking,which has practical value in the parking management.

intelligent guide;Arduino;ultrasonic sensor;nRF24L01

南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(項(xiàng)目名稱：停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計研究,項(xiàng)目編號為TB20160553)。

TP271

A

?迪娜

2016-08-19)