基于CAN 总线的停车位检测器设计与实现＊

周云城 王维锋 万 剑

（江苏省交通规划设计院 南京 210004）

0 引言

随着现代大规模停车场智能化发展，单一出入口控制的管理模式逐渐被淘汰，取而代之的是具有停车诱导服务的停车场管理系统［1］。车位检测器作为智能停车场管理系统的前端信息采集重要组成部分，是实现停车管理、车位诱导等功能的重要基础。

早期的停车场车位检测器多采用RS－232和RS－485通信接口。基于RS－232总线通信方式的停车监测设备设计方案只能实现点对点半双工通信［2］，通信距离短且不利于扩展。采用RS－485总线通信方式实现多个监测节点互联［3］，其性能明显优于RS－232总线方式，但仍存在通信实时性差、稳定性弱等问题。

相比上述传统的通信方式，将先进的CAN总线应用于停车位检测器优势明显。CAN 总线是1种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，采用该总线通信方式不仅可以提高数据上传的实时性，同时具有更高可靠性［4］。因此，提出1种基于CAN 协议接口的停车检测器设计方案［5－7］，实现车位空满状态监测、实时多节点组网的数据传输［8－12］。经组网测试证明，笔者所设计的CAN 总线的停车位检测器，不仅能实现车位状态精确检测，且具有良好的通信实时性与可靠性，适用于大规模分布式的停车场。

1 总体结构

大型停车场管理系统利用车位占用信息，经数据分析、发布后，可进行停车出入精确诱导。一般情况下，车位占用信息有主动模式与被动模式上传2种策略。主动模式下，停车位检测器根据车位触发及时上传；被动模式时，根据管理需求定时收集各个车位的占用信息。车位占用信息作为停车诱导管理的依据，其动态收集的准确性、实时性有较高要求。2种模式都需要毫秒级的通信传输与车位状态的准确识别，这对车位检测器的车位感知与数据传输功能提出较高要求。为及时直观地表达车位占用情况，车位检测器控制指示灯以不同颜色表征车位的空满状态。此外，车位检测器作为1个感知设备，其工作参数影响信息采集传输效能，需提供各种参数配置接口。

综上需求，本车位检测器包含车位检测、数据上传、车位指示、参数配置4个功能模块，总体结构设计见图1。

图1 车位检测器总体结构设计Fig.1 Structureof the parking space detector

2 硬件设计

根据总体结构设计，该车位检测器硬件电路主要由电源模块、主控微处理器、CAN 通信模块、车位探测模块、拨码配置模块以及车位指示灯组成，见图2。

1）电源模块。为避免远距离和多节点供电情况下的电压衰减现象导致设备供电不稳，在检测器的电源模块设计中采取提高供电电压的方式，采用直流24 V 供电，再经过开关稳压芯片LM2575－5V 和低压差稳压芯片ASM1117－3.3V进行降压后分别为各电路模块及主控芯片供电，从而减少供电线路的电压损耗，保证各模块供电稳定。同时采用B0505S 电源隔离模块对CAN收发电路实现隔离供电，提高CAN 总线通信的抗干扰能力。

图2 车位检测器硬件组成Fig.2 Hardware of the parking space detector

2）主控微处理器。根据车位检测器的功能及接口需求，选用内部集成CAN 控制器、外部中断、定时器、Flash 存储器等功能模块的STM32F103VET6作为主控微处理器，从而使外围电路设计更加方便可靠，本设计中MCU 的内部资源分配，见图3。

图3 MCU 内部资源分配Fig.3 Allocation of the internal resource of MCU

3）CAN 通信模块。由于STM32F103芯片内部集成了CAN 控制器模块，因此只需在外围增加CAN 收发器芯片TJA1050，搭建接口电路与STM32内置CAN 控制器相连便能实现CAN总线通信。同时，采用电源隔离和高速光耦隔离技术对CAN 收发器外围电路进行优化实现各车位检测器之间的电气隔离，提高总线的抗干扰性，其接口电路设计，见图4。

4）车位探测模块。为保证精确可靠地实现车位空满状态检测，本设计选用探测距离远的超声波测距模块，探测距离可达5 m。根据不断探测到的超声波检测距离，计算车位是否被车辆占用。

5）拨码配置模块。为适应不同场合的车位检测，采用拨码开关灵活设置车位探测器的重要参数，使检测器在不同的安装高度和使用场景下具有最为匹配的工作参数和判定阈值，提高车位空满状态的判定准确性。车位检测器的主要配置参数有设备地址（区号和位号）、检测器安装高度配置、采样间隔时延等，其对应编码配置见表1。

图4 CAN 总线接口电路Fig.4 Circuit of CAN－bus interface

表1 车位检测器拨码开关配置定义Tab.1 The code switch configuration definition of parking space detector

6）车位指示灯。车位指示灯采用高光亮、低功耗LED 发光管，使用时被安装在车位前上方。当车位占用时指示灯为红色，车位空闲时，指示灯为绿色，便于驾驶员在寻车位时方便地判断该车位是否空闲。

3 软件设计

3.1 软件流程设计

根据车位检测器的功能需求，软件主要完成设备初始化、参数配置、车位探测、数据上传、以及车位指示等功能。为提高该设备软件的实时性与可靠性，本设计基于ucOS 操作系统对该检测器软件功能进行开发，软件流程设计如图5所示，主要可分为以下4个步骤。

1）车位检测器上电或复位后，读取拨码开关的编码状态，根据编码状态对车位检测器的主要工作参数（包括设备地址、超声波探测阈值、车位探测间隔时间）进行存储和配置。

2）设备初始化，对核心微处理器的各外设模块以及ucOS操作系统进行初始化。

3）创建3个子任务并分配任务优先级，分别为车位状态检测任务，数据定时上传任务以及等待数据请求任务。其中车位状态检测任务负责利用远距离超声波测距模块对车位空满状态进行判定，当车位状态发生变化时上传车位信息报文并对车位状态指示灯进行相应的变更；数据定时上传任务负责定时上传车位信息报文；等待数据请求任务负责响应主机发送的查询请求指令。

4）启动任务，开始执行上述3个子任务。

图5 车位检测器软件执行流程Fig.5 The software process of parking space detector

3.2 车位探测优化算法

1）判定算法优化。由于不同车辆车身高度存在差异，单纯地通过设定探测距离阈值来判定车位是否被占用并不可靠，因此，将判定算法改进为通过判定前后2次探测距离的跳变值来判定车位是否被占用，当探测距离从大到小大跳变幅度超过0.5m 时，判定车位被占用；相反地，当探测距离从小到大跳变幅度超过0.5m 时，判定车位恢复空闲。

2）测距算法优化。通过上述判定算法优化，将检测器安装到测试现场进行反复测试，仍存在误判现象，且误判率高达13%，通过分析造成车位误判定的主要原因来自于邻近超声波检测器的折射波干扰以及车辆停泊偏离传感器正下方导致测距误差过大或有误。

对此，笔者采用中值滤波及时延滤波组合算法对超声波测距数值进行软件滤波抗干扰处理，算法流程如下。

a）连续采样7次超声波探测距离（单位cm）存入无符号整型数组S［］中，且每次采样间隔为Td（时延Td的时间可通过设备拨码开关调整，参见表1），通过一定的时延避免短时间多次采集到奇异数据。

b）调用排序函数Sort（unsigned intS［］）对数组S［］进从小到大排序；

c）对排序后的数组是S［］执行中值滤波，获取滤波后的车位探测距离Sf，

即Sf＝med｛S［0］，…，S［3］，…，S［6］｝＝S［3］，式中med｛｝表示取序列的中间值。

d）对滤波后的Sf再进行置信度判定，当Sf∈［Smin，Smax］，判定Sf为有效探测距离，否则返回步骤a）重新进行距离采样。置信区间中Smin和Smax分别为超声波模块的最小和最大探测距离，本设计所选用的超声波模块的有效探测距离为3～500cm，因此Smin＝3cm，Smax＝500cm。

通过采用上述滤波抗干扰算法，有效剔除了绝大部分奇异数据，减小了误差数据对车位状态判定准确度的干扰，使检测器的车位状态判定准确率由原来的87%上升至98%。

3.3 数据报文协议

根据CAN2.0A 设计规范，采用标准数据帧格式，制定车位检测器的数据报文协议（如图7所示），其中11位标示符用于区分报文信息的类型及优先级，数据域用于存储标志信息、地址信息、车位状态信息、模式信息等相关数据信息。

4 测试分析

为论证本设计的可行性与实用性，搭建了实物原型系统进行现场测试并对总线通信性能进行研究。根据本文提出的设计的方案研制了100套车位检测器（图7（a）），并在安装于某大楼地下停车场（图7（b）），利用上位机监控软件（图7（c））实时显示停车场各车位的状态信息，并通过CANalyst软件（图7（d））对CAN 总线上的报文数据进行统计分析，研究总线通信的实时性和可靠性。

首先，通过对安装在现场的车位检测器进行车位状态判定准确率测试，通过对不同类型的车辆以及不同泊车角度进行研究。结果表明，该车位检测器针对不同类型的车辆均可以准确地判定车位的空满状态，但局限性在于对泊车偏离检测器正下方太远的车辆偶尔会造成误判。此外现场测试也反应了车位指示灯可有效帮助车辆驾驶员提高停车效率，缓解停车场内的交通拥堵现象。

其次，对采用CAN 总线通信技术的车位检测器的车位信息上传实时性进行测试分析。

根据文献［9］，CAN 总线网络的通信时延主要来自与数据传输时间与阻塞时间，节点的数据上传时延与挂载节点个数以及通信瘫痪的节点个数无直接关系，其节点报文信息的上传时延Td1可表示为

图6 数据报文协议Fig.6 The protocol of upload data

图7 实物系统测试Fig.7 Test of physical system

式中：Tb为阻塞时间；Tf为传输时间。

而传统的RS－485总线网络的通信时延与挂载节点个数以及通信瘫痪的节点个数相关，网络节点个数或通信瘫痪的节点个数越多，单个节点的数据上传时延越大。其节点报文信息的上传时延Td2可表示为

式中：N为总线节点个数；Tw为相邻节点轮询间隔时间；Tf为传输时间；M为节点损坏个数；Te为节点访问最大等待时间。

对比式（1）与式（2），通常情况下，Tw和Te的数量级远大于Tb，因此CAN 总线节点报文上传时延时间Td1远小于RS－485总线的节点报文上传时延Td2。

为验证上述理论，将测试系统中各车位检测器节点的定时上传时间设置为10s，通信速率设置为50kb／s，采用CANalyst软件对挂载不同检测器节点个数情况下的报文上传最大时延进行观测和记录，结果见图8。

图8 车位检测器节点个数与报文上传时延的关系Fig.8 Data transmission delay test with multiple nodes

测试结果表明，基于CAN 总线通信技术的车位检测器的报文信息上实时性很高，且基本不受总线挂载节点个数影响。

最后，对采用CAN 总线通信技术的车位检测器的车位信息上传准确可靠性进行测试分析。在上述实时性测试的实物系统基础上，更改车位检测器的报文协议，将报文的数据域用于统计个节点的发送报文总数，同时采用CANalyst软件对总线上接收到的报文数据进行观测统计，分别测试挂载不同节点个数及不同上传频率下的通信稳定性，测试系统运行约10h后记录报文统计结果，见表2。

表2 CAN 总线报文收发统计结果Tab.2 The statistical results of CAN bus message receiving and sending

测试结果表明，当总线挂载节点数目越大、上传频率越高时，通信的丢包率有所增加，但误码率始终为0。即便在这种极端的测试条件下，总线通信仍能保证无误码和极低的丢包率（远小于1%），在实际应用中借助各检测器的定时上传功能，可保证管理系统实时准确地监测场内各车位状态。

5 结束语

车位检测器是停车场智能化管理的基础和重要组成部分，笔者基于CAN 总线通信技术设计并实现的1种车位检测器，可辅助智能化停车场管理系统实现停车场车位状态实时监测、空余车位信息发布以及停车诱导等功能。通过搭建实物系统测试，验证了本文提出的车位检测器的软硬件设计方案的可行性与实用性，该检测器相比于传统的基于RS－485通信技术的车位检测器具有更高的数据上传实时性和可靠性，组网方式更为方便灵活，非常适用于大中型地下停车场、政府办公楼、火车站和购物中心等公共停车场的车位检测，具有显著的技术优势和广泛的应用前景。

［1］曹光磊，徐克宝.基于超声探测的停车场车位引导系统的研究［J］.仪器仪表学报，2008，29（4）：735－738.Cao Guanglei，Xu Kebao.Based on supersonic survey parking lot berth homing system research［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（4）：735－738.

［2］雷祯靖，秀 芝，李克杰.基于RS232的停车监测设备研究［J］.科技信息，2013（20）：24.Lei Zhenjing，Xiu Zhi，Li Kejie.Based on RS232 parking monitoring equipment research［J］.Science＆Technology Information，2013（20）：24.

［3］周 律，汪 亮，邓 胜.基于MODBUS的地面停车场智能管理系统［J］.计算机测量与控制，2013，21（1）：236－239.Zhou Lv，Wang Liang，Deng Sheng.Intelligent parking system on the ground based on modbus［J］.Computer Measurement ＆ Control，2013，21（1）：236－239.

［4］王学峰.CAN 总线技术及应用［J］.赤峰学院学报：自然科学版，2008，24（2）：52－54.Wang Xuefeng.CAN Bus Technology and Application［J］.Journal of Chifeng University：Natural Science Edition，2008，24（2）：52－54.

［5］王庆双，蔡冬生.基于ARM 的CAN 通信系统的设计与实现［J］.航空电子技术，2011，42（1）：9－13.Wang Qingshuang，Cai Dongsheng.ARM－based CAN communication system design and implementation［J］.Avionics Technology.2011，42（1）：9－13.

［6］潘俊家，杨芝华，龚进峰，等.CAN 总线网络自动化测试平台应用［J］.交通信息与安全，2013，31（3）：113－116.Pan Junjia，Yang Zhihua，GongJinfeng，et al.Application of automation test platform of CAN bus network［J］.Transport Information and Safety，2013，31（3）：113－116.

［7］唐燕妮，戴卫军.大型停车场智能管理系统的研究与开发［J］.工业控制计算机，2010，23（6）：95－96.Tang Yanni，Dai Weijun.Research and development for intelligent management system of large parking lot［J］.Industrial Control Pomputer，2010，23（6）：95－96.

［8］迟东明，司栋森.CAN 总线在停车场灯光智能控制系统中的应用［J］.微计算机信息，2005，21（2）：46－47 Chi Dongming，Si Dongseng.Application of CAN bus in parking guidance system［J］.Microcomputer Information，2005，21（2）：46－47.

［9］佟为明，高洪伟，陈培友.CAN 总线传输延时特性的研究［J］.仪器仪表学报，2007，28（4）：295－297.Tong Weiming，Gao Hongwei，Chen Peiyou.Research of CAN bus transmission time delay property［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2007，28（4）：295－297.

［10］刘应吉，曹庆富，张学文，等.基于CAN 总线与GPRS的营运客车运行状态远程监控系统研究［J］.交通信息与安全，2013，31（1）：90－93.Liu Yingji，Cao Qingfu，Zhang Xuewen，et al.Research of the remote monitoring system of operating passenger car running state based on CAN bus and GPRS［J］.Transport Information and Safety，2013，31（1）：90－93.

［11］王 雷，江朝华，徐 鹏.大城市商业区停车诱导系统应用开发［J］.交通信息与安全，2009，29（1）：95－97.Wang Lei，Jiang Chaohua，Xu Peng.Application and development of the parking guidance system for big city business district［J］.Transport Information and Safety，2009，29（1）：95－97.

［12］Wan JooPark，Byung Sung Kim，Dong－EunSeo，et al.Parking space detection using ultrasonic sensor in parking assistance system Intelligent Vehicles Symposium［C］∥2008IEEEIntelligent Vehicles Symposium.Eindhoven，Netherlands：Eindhoven University of Technology，2008：1039－1044