基于物聯網技術的地下車庫燈光導航系統※＊

孫二杰，孫冰瑩，神瑞寶，李偉，石震

（1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南250101；2、國網山東節能服務有限公司）

引 言

本文提出了一種基于物聯網技術的地下車庫燈光導航系統。該系統首先通過燈光控制器對車位進行檢測，然后通過算法為到來的車輛分配一個最近的空車位，最后通過控制該路徑上的照明燈完成對車主的引導。同時，該系統能合理控制車庫內的照明，在保證車庫照度要求的情況下，避免了大量長明燈的存在，節約了電能。

1 總體方案設計

圖1為地下車庫燈光導航系統結構圖，主要由控制中心計算機、車牌識別系統、通信控制器、無線燈光控制器組成。

無線燈光控制器主要由MSP430單片機、微波檢測模塊、超聲波檢測模塊、ZigBee 無線模塊、照明控制電路、電源及看門狗電路組成，如圖2所示。

圖1 整體系統框圖

該控制器選用MSP430F149，因為該系列單片機是一種超級低功耗的混合信號處理器，具有簡潔的內核、精簡的指令結構、大量片內數據存儲器和豐富的尋址方式［13］。超聲波檢測模塊用來檢測車位占用情況及行車方向，超聲波檢測模塊通過將所測距離與其所安裝的高度進行對比來確定車位是否被占用，假設無線燈光控制器安裝高度為3m，則規定：如果所測距離2.5m＜d≤3 m，則車位無車；如果0≤d≤2.5 m，則車位有車。

無線燈光控制器上安裝有兩個超聲波傳感器A、B，通過判斷這兩個超聲波狀態改變的先后順序來判斷車的行車方向，在沒有車輛經過的情況下，A、B 的狀態均為無車，當A 的狀態發生改變后，如果在很短的時間內B的狀態也發生改變，則行車方向為由A 到B；反之，則行車方向為由B到A。微波檢測模塊用來檢測探測范圍內是否有人或車輛移動，如果有，照明控制電路點亮所控燈具，5s后燈具自動熄滅。看門狗電路用來實時監測程序運行狀態，當程序發生故障進入死循環后，看門狗定時器溢出，從而引起看門狗中斷，給MCU 一個復位信號，使系統復位。

ZigBee模塊用于無線燈光控制器與主控制器之間的通信，ZigBee技術是一種低復雜度、低功耗、低成本、高可靠性、高安全性的雙向無線通信技術，使用該通信方式可以避免有線電纜的鋪設，降低了系統的安裝成本與安裝難度。電源模塊用來給整個無線燈光控制器提供電源。照明控制電路主要是用來控制燈具的亮滅。

當車輛入庫時，入口攝像頭獲取車輛的車牌信息，出入口控制管理計算機對車牌進行識別。如果該車是長期用戶，則開啟道閘，放行車輛。若車牌信息不存在，說明該車為臨時車輛，發放臨時電子標簽，開啟道閘，并對車輛進行路徑規劃，并逐步給最短路徑上對應的智能無線燈光控制器發出指令，智能無線燈光控制器控制相應的燈具亮起，車輛經過后，燈具自動熄滅。車輛出庫時，無線燈光控制器判斷車輛離開車位，并將信息通過ZigBee發送到出入口控制管理計算機，計算機根據車輛位置以及出口位置，為出庫車輛規劃出一條最短路徑，并逐步給這條路徑上對應的智能無線燈光控制器發出指令，智能無線燈光控制器控制相應的燈具亮起，車輛經過后，燈具自動熄滅。

圖2無線燈光控制器結構框圖

2 無線燈光控制器設計

2.1 超聲波模塊設計

超聲波模塊可獨立工作，選用STC 系列的51單片機，為增強驅動能力選用CD74ACT05M 驅動超聲波發射頭。超聲波接收采用CX20106A，該芯片內含解調電路、前置放大電路等幾部分電路，該芯片體積小，同時接收角度寬、價格低。

首先由51單片機的定時器1產生頻率為40kHz的方波，由于單片機引腳驅動能力弱，測量距離有限，所以將40kHz的方波信號分成兩路，送給由CD74ACT05M組成的推挽式電路進行功率放大，以便使測量距離足夠遠、滿足使用要求，最后送給超聲波發射換能器TCT40－16T，以聲波形式發送到空氣中。超聲波發射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發射電路

上述超聲波發射探頭發射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后反射回來，超聲波接收探頭接收到回波后，將機械信號轉換為電信號，經CX20106A 內部放大后再進行限幅放大，變為矩形脈沖后濾除干擾信號。檢波器濾掉載波檢出指令信號，當接收信號與CX20106A 中心頻率相符時，由7引腳產生一個下降沿。超聲波接收電路如圖4所示。

圖4 超聲波接收電路

2.2 微波調理電路設計

為縮短研發時間，選用HB100微波模塊，該模塊主要是用來檢測探測范圍內有無移動車輛。然而微波模塊只能輸出峰峰值十分小的多普勒頻移信號，只有對輸出的信號進行數千倍的放大，才能被單片機識別。為了滿足不同場合下對微波探測距離遠近不同的要求，將R1設為可調電阻，根據實際情況調節放大倍數。為了防止干擾信號的干擾，需將偏置比較電路調節到一個相對合適的閾值［12］。微波調理電路如圖5所示。

圖5 微波信號調理電路

2.3 照明控制電路設計

照明控制電路對燈具起到開關作用，當有車輛進入微波的探測范圍內后，單片機接收到微波發出的多普勒信號，通過控制電路控制燈具的亮滅。

由于雙向可控硅具有開關速率快、使用壽命長等優點，所以選用BTA16作為該電路中的主要器件。選用光耦芯片MOC3041來進行強弱電之間的電氣隔離，在輸入、輸出之間實現光電信號的轉換，這樣內部隔離電壓可達2 000V。根據光耦芯片的開關特性，將R27的阻值定為120Ω，這樣開關時間不到2μs，完全能滿足燈具控制的要求。照明控制電路如圖6所示。

圖6 照明控制電路

2.4 看門狗電路

在電路實際調試的過程中發現程序有時會進入死循環，為了解決這個問題，在電路中增加了看門狗電路，選用IMP706SESA，其作用是監視程序運行情況，通過不停地喂狗來判斷其工作狀態。該芯片使用簡單、功耗低、喂狗信號間隔最大1.6s，有利于保證單片機程序運行的完整性。該芯片與單片機的接口電路如圖7所示。

3 停車場路徑規劃

車輛出入車庫時，首先主控計算機為該車輛規劃出一條最優路徑，并點亮該路徑上對應的燈具，通過燈光對車主進行導航。路徑規劃首先要根據環境進行建模，環境建模在路徑規劃中起著關鍵性的作用。

在求解最優路徑過程中，以柵格法對車庫進行建模，路徑最短作為求解目標，運用啟發式最短路徑搜索算法中經典的A＊搜索算法進行求解。

3.1 A＊搜索算法

對于A＊搜索算法，首先要設計一個估價函數f（n）＝l（n）＋m（n），其中f（n）為當前節點的估價函數，l（n）表示從起始節點到

圖7 看門狗電路

當前節點n的實際代價，m（n）表示從節點n到達目標節點的估計代價［6］。通過這個函數對下一步能夠到達的每一個點進行評估，每次搜索時找到估價值最小的點，繼續往下搜索［7］。

A＊算法的具體步驟：

①創建一個OPEN 表和一個CLOSE 表，令兩個表為空，把起始點s放入OPEN 中。

②搜索OPEN 表中節點，若OPEN 表為空表，則表示沒有找到路徑，搜索失敗。

③若OPEN 表不為空，則從中選一個f值最小的節點為最佳節點，將該節點記為a，把它放入CLOSE表中。

④判斷節點a是否為目標節點e，若節點a是目標節點，則成功搜出一條路徑。

⑤若節點a不是目標節點，則對它進行擴展，產生子節點a1、a2、……，對每個子節點進行過程判斷（以子節點a1為例說明）：

a.如果a1已經在OPEN 表中，計算l（a1），將OPEN表中原來的節點a1稱為子節點ob，比較l（a1）和l（ob）。如果l（a1）＜l（ob），則修改ob的父指針為a，修正l（ob）值，把較小值l（a1）賦給l（ob），相應的更新f（ob）值；若l（a1）≥l（ob），則停止擴展節點。

b.若a1已經在CLOSE表中，則跳過該節點，返回步驟⑤，繼續擴展其他節點。

c.若a1既不在OPEN 表中，又不在CLOSE 表中，則把它放入OPEN 表中，給a1加一個指向它的父節點a的指針，計算l（a1）。

⑥轉入第②步繼續循環，直到找到解或者無解退出為止。

3.2 計算實例

下面以一個具體的車庫為實例，利用A＊搜索算法搜索一條從入口到指定車位230的路徑，并顯示路徑上的無線燈光控制器編號。

根據車庫的CAD圖，可獲知車庫內部環境的實際情況。因篇幅問題，這里只顯示包含入口點與終點車位的車庫局部電氣CAD圖，如圖8所示。圖中顯示了車庫內部燈具以及車位分布等情況，并根據要求合理配置了智能無線燈光控制器。圖中代表熒光燈，↑代表智能無線燈光控制器，灰色方框代表車位），車位內部的數字代表車位號，例如—表示車位號為197的車位［11］。

圖8 車庫局部電氣CAD圖

車庫路徑規劃算法仿真圖略——編者注，利用Visual C＃編譯工具，采用面向對象的語言C＃，利用柵格法針對整個車庫建模，然后對該路徑算法進行仿真。柵格規模為22×20，圍墻用深黑色柵格代表，車位無線燈光控制器用深灰色柵格代表。淺灰色柵格代表路徑柵格，白色柵格代表車道無線燈光控制器，帶斜線柵格代表路徑搜索過程中擴展過的未被納入路徑的子節點。

經過驗證，A＊算法可以快速、高效地找到一條最短路徑，一旦車庫內環境發生變化，可迅速重組地圖，以當前位置為起點，再次調用A＊算法，搜索最短路徑。

結 語

針對地下車庫智能化程度低引起的泊車效率低、車庫照明控制方式落后引起的電能耗費大的實際情況，設計了一種用于地下車庫的這種燈光導航系統，不僅可以實現對車輛的自動導航，而且可以合理控制燈的亮滅，既方便了停車，又節約了能源。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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