應用GE PAC的智能停車場系統的設計與實現

傅忠云，陳 平

(南京航空航天大學金城學院，南京 211156)

隨著城市私人汽車數量的迅速增長，現今大部分停車場老舊的管理模式和落后的環境設施已無法滿足人們日益增長的需求。然而大型停車場規模過大，且停車場內環境單一、相似，容易造成混淆，如果再缺乏相關的引導設施，那么車主將很難快速找到最佳停車車位，同時也給車主取車造成困難。此外，某些空閑車位因為地理位置的原因不能及時被車主發現，致使停車場的車位利用率不高，在城市車位緊張的現狀下，出現車位資源閑置浪費的情況。目前，對于停車庫(場)的研究較多側重于硬件的設計，很少對停車、取車的引導進行設計［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化控制器(GE PAC)的設計與實現方案。

1 智能停車場控制系統總體設計思路

系統以GE FANUC PAC系統為主控單元，通過普通I/O數據傳送、以太網及串口通信等多種數據通信方式，集成車輛進出管理、車位智能引導、停車收費、車位信息查詢及上位機組態監控軟件等各模塊，保障停車場管理者實現實時監控。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

系統首先利用紅外探測技術準確獲取車位停車信息和車輛動態監測信息，然后將信息反饋給信息采集器，建立動態信息數據庫;再由 GE FANUC公司生產的PAC Systems RX3i控制中心進行計算分析，自動做出反饋，產生引導信息，并將引導信息傳給車位引導模塊，由指示器引導車主泊車及取車。同時，利用專用的上位機監控軟件iFix對停車場車位及車輛信息進行實時監控，從而提高了停車場車位的使用效率，使停車秩序得到優化，方便了車主泊車及取車，實現了停車場的智能管理。

2 硬件設計

本系統硬件主要由主控單元和3個子系統構成，即刷卡模塊、停車場車位引導模塊和閘道控制模塊。

2.1 主控單元

PAC Systems RX3i控制器是創新的可編程自動化控制器PAC Systems家族中最新增加的部件，它是應用于中、高端過程控制和離散控制的新一代控制器。PAC Systems RX3i的特點是具有單一的控制引擎和通用的編程環境，提供應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模塊在一個小型的、低成本的系統中提供了高級功能。與原有的控制系統相比，它使用雙背板總線，提高了數據傳送速度;采用開放的通訊方式，支持以太網和串口協議等多種通訊方式［5-8］。

本系統包含多個功能模塊，這些功能模塊都需要與主控單元之間進行數據傳遞，而PAC系統本身所具有的高可靠性又是單片機系統所不具備的，基于以上考慮，該智能停車場系統選用PAC系統作為主控單元。

2.2 刷卡模塊

刷卡模塊主要為停車場車輛收費管理而設計。系統利用車輛進入停車場時記錄的識別信息建立唯一對應的賬戶，記錄該車輛的停車時間、停車費用、賬戶余額等信息。通過上位機管理員界面還可以對停車場的會員帳戶進行充值。該模塊通過RS232串口協議與RX3i控制器進行數據通訊。PLC接收和發送數據通過CPU COM1口，刷卡機用RS232串口線跟COM1口連接。該模塊選用的IC卡是Mifare標準IC卡，工作頻率為13.56 MHz，其傳輸速度快，讀寫次數多。讀IC卡讀寫模塊是ZLG500A，車主在辦卡時將信息寫入卡內。卡內存儲的信息主要有車主姓名、車型、停車時間和余額等。刷卡模塊電路及硬件實物如圖2所示［9］。

2.3 停車場車位引導模塊2.3.1 車位信息采集模塊

根據系統總體設計方案，系統需要實時監控停車場內各車位的空置情況。經過方案論證，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，并且每個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。如果每個車位都安裝紅外光電傳感器模塊，一方面費用過高，另一方面將會出現多達數百根的電線，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個經典車位演示出所有的引導情況。其他車位不安裝傳感器的默認為有車。車位信號采集模塊電路原理及實物如圖3所示。

圖2 刷卡模塊電路及硬件實物

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，因此需要進行電平轉換，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現。

2.3.2 引導模塊

為了提高停取車效率，本智能停車場系統設計了引導顯示模塊。引導系統采用LED點陣屏幕顯示方向為司機提供車位引導，主控單元根據車位空缺情況，通過程序尋找最優路徑，發出控制信號，然后由單片機控制點陣驅動電路，最終實現點陣的實時顯示［10］。點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物

前面已經提到RX3i控制器采用的是24 V電平的信號傳輸，而單片機的工作電壓為5 V左右，因此在兩者之間添加了1個電平轉換模塊，將PLC的24 V電平信號轉換為5 V的信號再傳輸給單片機。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換模塊。

2.4 進出口閘道控制模塊

系統中停車場出入口閘道的控制采用28BYJ-48四相八拍步進電機實現。該電機驅動電壓為DC5V～DC12V，刷卡后由主控單元發出指令，驅動進出口電機轉動90°，5 s后復位。步進電機驅動電路原理如圖5所示。

圖4 引導模塊硬件電路Proteus仿真

圖5 步進電機驅動電路原理

3 軟件設計

3.1 軟件設計思想

系統軟件采用分層設計的思想，分為應用層、控制層和物理層。每一層使用下層提供的服務，并向其上層提供服務。利用GE PAC系統的以太網和串口協議實現各模塊之間的通信。

1)應用層

本軟件的最高層。程序實現功能的邏輯轉換。主要實現路徑生成、查詢系統、管理員界面的應用功能底層設計，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，將其作為目標車位;

②采用分區域方式確定引導路徑的前半部分;

③將目標車位和路徑上點陣顯示器的物理坐標做比較，得到后半部分完整引導路徑;

④將路徑信息發往控制層，并向下層發送服務請求，實現硬件顯示引導路徑。

2)控制層

接受應用層發來的服務請求，從軟件上為物理層產生控制信號。其中客戶的賬戶計費、充值、查詢系統為重點。對賬戶信息采用數組的方式來實現存儲，涵蓋了賬戶的停車時間、停車費用、余額以及登陸密碼等信息。其中，停車時間和費用是對用戶停車時間的累計及根據價格水平計算出的金額。

控制層提供有口令保護的管理員賬戶后臺入口，可以實現對價格水平的調整、對整個停車場的宏觀調度，以及對用戶的賬戶充值等服務?？刂茖庸δ苜N近現實，實用性強。

3)物理層(驅動層)

軟件的底層與硬件電路相連接，主要實現采集上層的服務信息，對硬件產生響應的驅動信號，實現由軟件到硬件的信息轉化等功能。

采用AT89C52單片機作為下位機，對硬件進行信息的串并行轉換，并實現底層點陣顯示器的動態掃描，大大減少了線路數量，增加了可靠傳輸距離。編寫的PLC上位機物理層程序將PLC處理后的上層信息轉化為電平信號，經過底層光電耦合器實現電平轉換和物理隔離，然后發送給單片機處理，驅動硬件顯示，實現完整功能。

3.2 通訊連接

3.2.1 以太網通訊

PAC系統編程軟件PME(proficy machine edition)界面、iFix上位機監控界面與RX3i控制器之間通過以太網實現通訊。需要注意的是，該網絡上每個節點的IP地址應設置為同一網段下的不同值，可將3個節點IP地址分別設置為:192.168.0.1、192.168.0.10 和 192.168.0.20。另外，還要注意在設置好各節點IP地址后，一定要在iFix組態軟件所在的PC機中找到Windows操作系統的HOSTS文件(C:WINNTsystem32driversetc)，然后將RX3i控制器的IP地址和相應的設備名稱輸入并保存，之后重啟電腦實現網絡連接。

3.2.2 串口通訊

系統中刷卡模塊是通過AT89C52單片機進行控制的，因此單片機與PAC系統之間必然要進行通訊。系統利用RX3i控制器CPU自帶的COM1口實現PAC與單片機刷卡模塊之間的數據收發。端口1是光電隔離的RS-232兼容口。串行I/O通過使用COMM_REQ功能指令實現，梯形圖程序如圖6所示。圖6(a)中梯形圖開始時，M00009給接收程序一個脈沖讓它只接收一次數據，以免造成數據混亂;圖6(b)是發送數據的梯形圖，是車主駛出停車場刷卡扣費后的數據回傳，經過PLC的計算分析，將新的數據傳回到IC卡內。

首先定義串口傳輸協議serial I/O、數據傳輸速率、奇偶性、每位字符數等。然后初始化端口，建立數據緩沖器，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置中設置的，不需要編寫程序。

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

圖6 串行I/O讀寫梯形圖程序

3.3 系統軟件設計流程

系統主控單元軟件設計流程如圖7所示。限于篇幅，其他各模塊軟件設計在此不做介紹。

圖7 系統主控單元軟件設計流程

4 上位機監控軟件設計

系統利用 PAC Systems RX3i、Proficy Machine Edition編程工具和專用的iFix組態軟件3者互相通訊完成系統的實時監控。設計的界面包含主界面、引導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);引導界面主要顯示停車和取車引導，同時顯示車主IC卡信息，并實現充值服務;用戶查詢界面可查詢用戶的姓名、車牌號碼、停車次數、停車費用等信息［11-12］。引導界面如圖8所示。

圖8 系統引導界面

5 系統模型及調試

本文研究的停車場是立體停車庫，有上下兩層。第1層有48個停車位，第2層有40個停車位，共88個停車位。受模型空間的限制，系統只使用了14個經典車位(樓下8個，樓上6個)，每個車位都有傳感器感應是否有車停放，其余車位默認為有車。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。

采用不同區域多次停取車進行系統調試。結果表明:該系統能正確提供停取車引導且運行穩定。圖10是停車引導的效果圖。

圖9 停車場全景模型

圖10 停車引導效果圖

6 結束語

本研究創造性地將GE FANUC公司的PAC Systems RX3i和AT89C52單片機有機結合起來，盡兩者所長，采用模塊化方式，實現了智能停車場的系統設計，方便了系統維護和管理。通過調試，基本實現了系統的主要功能，為實際大型停車場的建立提供一種新思路。但是本設計也存在一些問題，例如:雖然考慮了車輛的引導進出頻繁度這一因素，但是沒有切實解決，未來還需要進一步研究。

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