基于PLC的智能化停車場指揮引導系統設計

熊國良，朱正清，王小明，張宏怡

（1.華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013；2.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

停車難的問題是社會、經濟和城市交通發展到一定程度的結果[1]，管理高效、快捷方便、安全合理的智能停車場管理系統己經成為許多大型綜合性建筑物和居民小區必備的配套設施[2]。傳統的停車場管理系統重點均放在計費、收費管理功能上，而在停車場的安全性、運行效率和針對顧客的人性化需求方面考慮的較少[3]。此外，目前智能化的停車場指揮引導系統設備多且復雜，價格高昂，設備傳輸給駕駛員的信息也較為復雜容易給駕駛員造成困擾。為了在提高停車場車輛的通行效率和安全性，便于管理人員管理，減輕管理人員勞動強度，節約駕駛員停車時間的同時，兼具節約資源，減少成本，減輕駕駛員信息困擾，本文設計了適用于中、大型室內停車場的智能化停車場指揮引導系統。

1 系統的結構與工作原理

1.1 系統的結構

停車場指揮引導系統一般由數據采集系統、中央處理系統和輸出顯示系統組成[4]，如圖1所示。

1）數據采集系統：對車輛信息和車位信息等進行檢測，并將獲得的信號傳輸給中央處理系統。

2）中央處理系統：主要對采集到的數據進行分析，并傳輸到顯示設備。

圖1 系統框圖

3）輸出顯示系統：中央處理系統將收集到的信息經過分析處理，發送到各個顯示屏，顯示車位信息，進行泊車指引。

1.2 系統的工作原理

基于PLC的智能化停車場指揮引導系統結合實際情況，根據停車場中空余車位數占總車位數的比例采用多段式分級引導[5]方案，具體是：

1）當比例大于40%時，停車場的車輛可停放情況比較理想，駕駛員可以很容易的找尋到車位，此時系統采用自由停放方式，駕駛員可以根據自身的判斷快速找到車位。

2）當比例在20%～40%之間時，停車場的車輛可停放數量相對較少，駕駛員可以較為容易的找尋到車位，此時系統采用引導停放方式，駕駛員可以根據路口指示燈，有選擇的找到車位。

3）當比例小于20%但不為0時，停車場的車輛可停放數量非常稀少，空余車位的分布大概率是零散分布，駕駛員將花費更多時間和精力尋找車位，系統將采取強制引導停放方式，對駕駛員進行引導。

4）當空余車位數量為0時，禁止車輛進入。直至有空余車位，才再次開放停車場引導車輛進入。

具體的工作原理：

當車輛通過出入口停車管理系統進入室內停車場時，駕駛員可以在停車場入口顯示屏上了解各停車區域（如，A、B、C、D、E、F、G、H、I）的車位占用情況、空余車位量和空余車位編號。路口指示燈為轉向指示燈，具有三個指向分別是：左行、右行和前進。

1）當比例大于40%時，系統采取自由停放方式。此時駕駛員可以根據自身的判斷，按照路面指示標線尋找到車位。

2）當比例在20%～40%之間時，系統采取引導停放方式。此時停車場入口處的路口光電檢測器開始工作，其他各路口光電檢測器不工作。PLC會形成從停車場入口到終點停車區域處的最優路線，終點停車區域的定義是：該停車區域空余車位數占該停車區域總車位數的比例大于20%。駕駛員通過路口指示燈點亮的指向，再結合開車時觀察兩邊的車位，找到空余車位。因為設定的比例大于20%，所以駕駛員在尋找車位的過程中，即使終點停車區域對應的路口指示燈點亮的指向熄滅，駕駛員也能夠很容易的在終點停車區域找到車位。

3）當比例小于20%，但不為0時，系統采取強制引導停放方式，停車場入口顯示屏會額外顯示“當前車位情況緊張，請根據路口指示燈提示駕駛車輛進入停車位”，停車場所有的路口光電檢測器開始工作。PLC根據從停車場入口到達具有空余車位停車區域行駛距離的遠近，對這些停車區域進行優先級編排，等級越高行駛距離越近，等級由高到低標記為1，2，3……當車輛經過停車場入口并被此處的路口光電檢測器檢測到時，選取最高等級的停車區域作為目標停車區域，PLC控制路口指示燈亮的指向形成引導路線，引導車輛找到空余車位；當有多輛車同時進入停車場時，按照車輛進入的先后順序，PLC為各輛車形成引導路線，當高等級停車區域的空余車位被分配完后，還有車輛經過停車場入口，PLC則分配低一個等級停車區域的空余車位，否則PLC對停車區域重新劃分優先等級。假設：1等級有2個車位，則首先進入的2輛車被分配到1等級停車區域，第3輛車進入到2等級停車區域。被引導的車輛只有按照PLC設定的引導路線，有步驟的行駛，引導路線才會工作。在引導路線上，車輛通過兩個鄰近路口光電檢測器的時間介于5～10s之間，引導路線正常工作。當時間少于5s時，PLC判定有其他車輛通過路口光電檢測器（如車輛駛出停車場等）造成誤檢，PLC篩除該干擾信號，引導路線的工作不受影響；當時間超過10s，PLC判斷該車輛已經找到新車位，結束該車輛引導，但此時該等級停車區域的空余車位數減1，這樣可以解決駕駛員去尋找非目標停車區域的空余車位而造成的系統誤判。

引導路線的工作采用順序控制方法實現：當車輛經過停車場入口并被此處的路口光電檢測器檢測到時，PLC控制第一個路口指示燈亮的指向，當車輛繼續行駛到停車區域路口并被此處的路口光電檢測器檢測到時，PLC控制第二個路口指示燈亮的指向，第一個路口指示燈亮的指向熄滅，依次類推，直到將車輛引導進入目標停車區域的空余車位。

4）當停車場空余車位數量為0時，出入口停車管理系統阻止車輛進入停車場。

2 基于PLC的系統設計

系統以PLC為控制核心實現對車位檢測外部電路等的信號處理，主要由PLC S7-200、MCGS組態軟件、車位檢測模塊、PLC輸入信號形成模塊、信號整合模塊、路口光電檢測器、路口指示燈等組成，具有自動檢測、智能化等特點，如圖2所示。其中，車位檢測外部電路分為車位檢測模塊、PLC輸入信號形成模塊和信號整合模塊。路口光電檢測器主要用于系統可以在路口檢測并跟蹤車輛。PLC主要負責對數據進行處理，并輸出相應信號與MCGS組態軟件進行通信。MCGS組態軟件主要顯示當前停車場的情況，如空余車位信息、車位占有情況、車輛引導線路、相關提示等。路口指示燈主要負責對進入車輛進行引導。

2.1 車位檢測外部電路

2.1.1 車位檢測模塊

車位檢測模塊主要包括兩組光電檢測器和其構成的電路，在實際安放時將兩組光電檢測器分別放置在車輛停放的前后輪位置，并在光電檢測器的輸出端接入一個與非門。車位檢測模塊的原理是：當車輛駛入車位后由于前后輪處的光電檢測器檢測到遮擋物，光電檢測器輸出低電平給與非門，與非門輸出高電平。

2.1.2 PLC輸入信號形成模塊

本系統采用74LS123穩態電路實現對車位檢測模塊輸出信號的處理，并作為PLC輸入信號。該電路模塊由上升沿觸發單穩態電路和下降沿觸發單穩態電路組成，可以通過車輛停放在車位上和駛離出車位兩種狀態輸出一個高電平給PLC，波形圖如圖3所示。

圖3 波形圖

圖3中，U1表示車輛停放在車位上的狀態，U2表示車輛駛離出車位的狀態，U0為模塊輸出的信號。

2.1.3 信號整合模塊

本系統選用具有54個車位的室內停車場進行設計。考慮到車位上輸出的信號有108個，為了減少PLC輸入口數量，簡化編程，節約資源，系統將所有車位按區域劃分為A-I停車區域，每個停車區域中的車位進行1-6編號。系統將按照停車區域號和車位編號對每個車位進行分組，并通過或門電路進行匯總，整合簡化成30個PLC輸入口。

2.2 系統停車場設計

系統對54個車位的停車場進行設計，共需要14個路口光電檢測器和8個路口指示燈，設計圖如圖4所示。

圖4 停車場設計圖

圖4中，A1-A3和A4-A6組成A停車區域，其他停車區域的表示方法類似；帶箭頭的圖標表示路面指示標線；紅色表示路口指示燈，上面的數字表示編號，如1號路口指示燈；黑色表示路口光電檢測器，上面的數字表示編號，如1號路口光電檢測器。

3 3PLC程序設計

在車輛的引導過程中，PLC采用多段式分級引導方案。

3.1 程序流程圖

停車場指揮引導系統程序流程如圖5所示。

圖5 系統程序流程圖

3.2 強制引導停放方式程序流程圖

強制引導停放方式程序流程如圖6所示。

3.3 PLC中I/O地址分配

停車場指揮引導系統具體的I/O分配如表1所示。

4 系統測試

圖6 強制引導程序流程圖

表1 I/O分配表

續（表1）

系統測試主要用來檢驗系統的實用性以及存在的問題。為了達到測試效果，確定系統的實用性和可實現性，系統選用54個車位的停車場為對象，設計了車位檢測外部電路板和電源轉換電路等硬件，并通過PLC與MCGS通信實現界面的模擬，對系統進行仿真調試，如圖8所示。

圖7 系統測試實物圖

圖8 系統仿真界面圖

5 結論

通過對系統功能的研究和測試的結果顯示，基本上實現了系統的設計要求。系統能夠通過PLC、MCGS組態軟件和相關硬件實現對車輛的分段式引導，并采用順序控制方法完成引導路線的工作。

系統提高了傳統停車場的安全性和運行效率，減輕了管理人員的勞動強度，節約了駕駛員尋找車位的時間。相對于目前智能化的停車場指揮引導系統，本系統能夠在滿足中、大型室內停車場對車輛進行智能化指揮引導需求的前提下，所需要的成本更低，引導更方便，能夠通過對車輛分段式引導節約資源和提高系統利用率，能夠在引導過程中使用路口指示燈的指向等減少駕駛員的信息困擾。在應用到實際中、大型停車場上，系統需要對停車區域、路口指示燈安放位置等進行設計，確保各停車區域的車位數不少于10個。此外，還需要在此基礎上對硬件進行升級，比如增加出入口停車管理系統、車位燈、將路口光電檢測器更換為電磁線圈等，本系統具有很強的使用價值和社會意義。