基于紅外避障模塊和ARM Cortex-M3的空余車位管理及引導系統

北京聯合大學 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系統

北京聯合大學 王 楠 高祿良 楊 峰 許匯冬

本設計對現有停車場引導系統進行了提煉，主要研究引導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，對全部車位進行了分塊管理，分別由89C51單片機進行監測管理，通過NRF24L01無線通訊模塊將數據傳輸到主控STM32單片機，經過主控芯片處理后再回傳，利用LED燈進行車輛引導。本方案主要分為以下五部分：車位狀態采集、數據分塊匯總、無線模塊傳輸、主控分析、車輛引導

車位引導；無線通訊；單片機

引言

近十年來，隨著國民收入的不斷增加，我國私人汽車數量持續高速增長，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。如何在現有停車場數量不變的前提下提高其使用效率便成為一個突出的問題。現行的大、中型停車場都普遍存在著以下幾個管理問題：(1)管理者無法實時掌握停車場空余車位、空余位置的有效數據。(2)駕駛員無法短時間內找到空余車位。(3)停車場智能化管理程度低，為了保障停車場正常運行，勢必增加人工成本，降低企業利潤。(4)停車場日常使用數據的統計和整理基本以人工為準，既不準確又不方便和及時。本方案根據以上問題，研究出了基于2.4G無線通信技術的紅外測距智能化停車場引導系統，該系統可以直接引導車輛進入空余停車位的功能。

1.緒論

1.1 大型停車場空余車位管理系統的研究背景及意義

現代化城市高架橋以及復雜的立交橋處處可見，城鎮道路也四通八達。私人汽車作為一種現代化的舒適便捷的交通工具早已進入很多尋常人家，然而令人厭煩的堵車以及停車難等問題也隨之而來。目前，越來越多的智能大型停車場設計方案和研究的側重點和方向也都趨向于高度智能化、信息化和網絡化發展。隨著私人民用汽車數量的增加，停車場管理引導系統的升級也大勢所趨。

當前我國的城市交通管理存在諸多不合理的現象，場內設備陳舊，管理人員不到位，建筑物內的停車位的配備不夠完善，停車位遠遠不能滿足需求，對未來的規劃也不夠全面，從而造成了交通堵塞問題，因此中國的交通系統還有很大的發展潛力。從智能化入手，發展智能化的停車引導系統，加強停車場利用率，使得現有停車場內的每一處空間得到充分的利用，而且駕駛員能夠根據智能化的停車場引導快速、準確的找到空閑停車位。

由停車場的發展歷程，結合國內外典型的停車場管理系統，總結出其存在的主要問題有：(1)大型停車場出入口處以及停車場內主要交叉路口在車流量較大時非常容易排起長龍，導致車輛的通過效率較低；(2)當停車場內車位總數較多而空余車位較少時，由于沒有準確的空余車位位置信息及引導，很容易導致漫無目的的尋找車位；(3)在很多大型建筑物的停車場內，當駕駛員取車時由于車位較多很容易導致方向迷失；經過多年的實踐和分析表明，現在車輛數量不斷增長，如果一味的依靠對停車場的擴建是無法滿足這種在情況下對停車位數量的需求的，所以對公共停車場車位進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中非常重要的不可缺少的一個環節。

1.2 設計方案

1.2.1 設計目標

(1)駕駛員駕駛車輛進入停車場后能迅速找到停車位，節約時間1)停車場內的每個車位上方安裝車位指示燈，被車輛占用時指示燈滅，空余時指示燈亮起。2)在停車場的主要路口安裝指示燈，通過指示箭頭，指示那個方向有空余車位。

(2)提高停車場內每個車位的使用效率。1)加強對進入車輛的自動引導，使每個車位的使用率最大化。2)使駕駛員能夠在最短的時間內找到自己的車輛，車位能盡量早的空出來。3)平均使用車位，保證車輛不會過度集中。

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

1.2.2 設計內容

1)車位較多時，進行分模塊管理，每個管理單元進行單個匯總。2)每個車位上的燈要足夠醒目，引起注意。3)紅外線測距模塊的調試，考慮到環境的影響。4)車位統計以及線路引導。

1.2.3 系統組成

本設計主要由車位狀態采集、數據分塊匯總、無線模塊傳輸、主控分析、車輛引導五部分組成。車位使用狀態主要使用紅外模塊采集數據。分塊匯總使用89C51單片機對車位狀態進行匯總。無線模塊傳輸使用89C51單片機與主控STM32單片機之間的互相通訊。主控分析主要是STM32單片機分析由無線模塊接受到的數據，數據處理后將結果再回傳給相應的89C51單片機。車輛引導主要是由89C51單片機根據接收到的回傳數據，控制路口的LED燈來引導車主快速尋找車位并進入停車位。

2.硬件簡介與設計

2.1 STM32單片機

STM32F103系列單片機使用的是ARM公司的Cortex-M3內核---性能高、成本低、功耗低。32位處理器的缺點是功耗高、成本高，該內核客服了這些缺點又突破了16位處理器的性能限制，所以受到廣大開發商和供應商的支持，很快普及開來。

I/O設計與選擇：由于主控STM32和89C51之間是通過NRF24L1無線通信模塊進行通訊，所以主控STM32使用的I/O口很少。本設計中STM32單片機的I/O口使用情況如表2.1所示。

表2.1 STM32單片機I/0口對照表

2.2 89C51單片機

I/O設計與選擇：對于大多數單片機來說，I/O口P0.0—P3.7是作為數據的輸入和輸出口，也只有他們能做到數據的傳輸，從外面把數據讀入，傳輸到單片機的芯片之中，然后通過程序算法把需要的結果通過它傳輸出去。由于傳輸口輸入和輸出的狀態只能選擇一種，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。本設計中51單片機的具體接口設計如表2.2所示。

表2.2 89C51單片機I/0口對照表

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

3.程序編寫中應用的技術及系統主要流程

3.1 程序編寫中應用的技術

本課題是基于STM32單片機和紅外避障模塊的大型停車場空余車位引導系統，程序主要分為主控STM32和分組管理的89C51。STM32程序運用keil uvision5進行編寫編譯編寫過程中運用USART串口與NRF24L01進行通訊，需要進行USART數據串口的參數和NRF24L01無線通信模塊進行參數初始化，首先進行NRF24L01無線通訊模塊的初始化，使用PC機通過串口調試助手向無線通信模塊發送ASCII碼進行設置。然后進行USART串口初始化。

89C51程序使用keil uvision4進行編寫編譯，程序中主要運用了多層循環嵌套和判斷結構，對單片機的四組管腳分別進行不同的設置。

3.2 系統主要工作流程

3.2.1 系統功能概述

為了讓課堂教學煥發生命的奪目光彩，讓語文成為一泓活水，成為學生愛學、會學的一門課程。教師需要的是積極引導，大膽改革課堂教學，讓自主學習化作暖暖的東風，吹來素質教育的春天。

該系統實現的主要功能是：當駕駛員到停車場入口時，可以在入口的顯示裝置上看到停車場內空余車位的數量，進入停車場后，在每個岔路口都會由指示燈，提示哪個方向有空余車位，同時在每個車位頂部都會有指示燈，當確認此車位已經被占用則指示燈熄滅。

3.2.2 功能的實現

(1)由于需要模擬的車位較多，所以進行了分組，每組的數據先由89C51單片機進行匯總處理，然后通過NRF24L01無線通訊模塊分組傳送給STM32主單片機進行處理。處理完成后再通過無線模塊進行回傳以控制信號燈進行車輛引導。

(2)車位需要有傳感器來判斷車位內是否停有車輛，擬采用紅外線測距裝置，通過測車位內物體到傳感器的距離來判斷車位內的狀態。設計如圖3.1所示。

圖3.1 系統流程圖

4.系統方案設計

4.1 無線避障模塊檢測車位狀態

紅外避障模塊對外界環境光線有較強的適應能力，探頭由一個紅外線發射管和一個紅外線接收管組成，正常工作時發射管會有規律的發射出固定頻率的紅外線。當沒有物體遮擋時，接收管會輸出高電平。而當接收管沒有接收到發射管發射出的紅外線時，輸出為低電平。因為采用如此的設計，可以把檢測信號簡單的用高低電平表示出來，這樣很方便信號的傳輸，使其可以很容易的連接到單片機等一系列控制器上。

4.2 89C51單片機程序設計

51單片機主要負責小組內的管理，對紅外避障模塊的檢測結果進行采集，依據每個車位的信號進行空余車位的計數，并控制與之相對應車位的車位指示燈的亮滅。然后通過USART串口將數據傳輸到STM32主控。

4.2.1 數據發送

每四個車位分為一組，共分為16組，分別進行編號1-16，在發送車位數據時對數據進行標志，將對應的編號添加到數據中車位的數量。i1為1組空余車位的數量，i2位2組空余車位的數量；將i1與10相加并放在數組number的0位，此時number[0]內的數據是一個兩位數，高位為小組編號，低位為該小組中空余，在接收到主控的信號后準備發送數組內的數據。發送時利用循環結構將數組內的數據一一發出。

4.2.2 數據接收

當通過NRF24L01無線通訊模塊接收到數據后，先進行高地位分離，由高位數據rh判斷此數據是否是該51單片機需要的。如果rh等于該組單片機的編號則此時需要向主控STM32發送數據。

當確定是需要的數據后，根據低位數據來控制路口車位引導燈,同樣也是利用switch語句根據rl選擇相應的指示數據。

4.3 STM32程序設計

STM32單片機的屏幕顯示程序運行的后臺數據，通過此功能可以快速調試系統。

4.3.1 STM32數據接收并處理

STM32接收到數據reg1后，利用求余和取整將數據reg1進行分離分成高位reg2和低位reg3，高位是車位分組編號，低位是空余車位數量。分出高低位后，利用switch語句把數據放入相應的數組位置。switch語句以reg2為依據，判斷完后執行case內的語句，完成數據的讀取。

各組車位的數據存入數組后，16組數據全部讀取完以后使用循環語句求出空余車位總數。

4.3.2 STM32數據發送

主控STM32發送數據由兩個部分組成，低位是向下級的89C51單片機發送的路口車位指示燈控制數據，高位是每個單片機的編號01-06，當相應的單片機接收到屬于自己的數據時，會將自己最新的數據返回給主控芯片。

4.4 外部硬件設計

圖4.1 外部硬件設計模型

圖4.2 車位引導系統實現模型

外部硬件設計模型如圖4.1所示，利用CAD軟件設計圖紙，并進行后期制作。具體設計數據為：共有64個獨立車位，每四個分為一組，分別標號0-15。使用6個51單片機控制，分別標號1-6。

經過我們反復實驗, 最終實現了剩余車位引導系統的設計任務,并滿足設計要求，如圖4.2所示。

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圖2 微水變送器檢測流程圖

2.6 數據顯示輸出單元

本單元由可編程控制器、觸摸屏式平板計算機、打印機等部分組成。檢測標定人員操作觸摸屏式平板計算機，通過可編程控制器控制相應的單元的動作，完成對變送器檢測裝置的抽真空、充氣、標準氣體的給定等操作，屏幕顯示檢測的即時數據及檢測結果，將檢測的結果存儲在硬盤中，并且通過打印機打印出來。

3.系統應用情況

本文設計的真空干燥裝置可以對多臺微水變送器同時進行真空干燥，目前，該系統已應用于在變送器的實際生產中，實踐表明，通過對真空干燥裝置的應用，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時間，取得了良好的應用效果。

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許匯冬

常勝利（1983—），男，工程師，主要研究方向為檢測技術及自動化。