基于红外避障模块和ARM Cortex-M3的空余车位管理及引导系统

2016-03-12北京联合大学高禄良许汇冬

电子世界 2016年23期

北京联合大学王楠高禄良杨峰许汇冬

北京联合大学王楠高禄良杨峰许汇冬

本设计对现有停车场引导系统进行了提炼，主要研究引导车主快速找到空余车位这一功能，并制作了模型。该方案考虑到模型尺寸较小，将市面上主流的超声波传感器换成了红外线避障传感器，对全部车位进行了分块管理，分别由89C51单片机进行监测管理，通过NRF24L01无线通讯模块将数据传输到主控STM32单片机，经过主控芯片处理后再回传，利用LED灯进行车辆引导。本方案主要分为以下五部分：车位状态采集、数据分块汇总、无线模块传输、主控分析、车辆引导

车位引导；无线通讯；单片机

引言

近十年来，随着国民收入的不断增加，我国私人汽车数量持续高速增长，在各大、中型城市中，停车位拥有量和需求量之间的矛盾愈加突出。如何在现有停车场数量不变的前提下提高其使用效率便成为一个突出的问题。现行的大、中型停车场都普遍存在着以下几个管理问题：(1)管理者无法实时掌握停车场空余车位、空余位置的有效数据。(2)驾驶员无法短时间内找到空余车位。(3)停车场智能化管理程度低，为了保障停车场正常运行，势必增加人工成本，降低企业利润。(4)停车场日常使用数据的统计和整理基本以人工为准，既不准确又不方便和及时。本方案根据以上问题，研究出了基于2.4G无线通信技术的红外测距智能化停车场引导系统，该系统可以直接引导车辆进入空余停车位的功能。

1.绪论

1.1 大型停车场空余车位管理系统的研究背景及意义

现代化城市高架桥以及复杂的立交桥处处可见，城镇道路也四通八达。私人汽车作为一种现代化的舒适便捷的交通工具早已进入很多寻常人家，然而令人厌烦的堵车以及停车难等问题也随之而来。目前，越来越多的智能大型停车场设计方案和研究的侧重点和方向也都趋向于高度智能化、信息化和网络化发展。随着私人民用汽车数量的增加，停车场管理引导系统的升级也大势所趋。

当前我国的城市交通管理存在诸多不合理的现象，场内设备陈旧，管理人员不到位，建筑物内的停车位的配备不够完善，停车位远远不能满足需求，对未来的规划也不够全面，从而造成了交通堵塞问题，因此中国的交通系统还有很大的发展潜力。从智能化入手，发展智能化的停车引导系统，加强停车场利用率，使得现有停车场内的每一处空间得到充分的利用，而且驾驶员能够根据智能化的停车场引导快速、准确的找到空闲停车位。

由停车场的发展历程，结合国内外典型的停车场管理系统，总结出其存在的主要问题有：(1)大型停车场出入口处以及停车场内主要交叉路口在车流量较大时非常容易排起长龙，导致车辆的通过效率较低；(2)当停车场内车位总数较多而空余车位较少时，由于没有准确的空余车位位置信息及引导，很容易导致漫无目的的寻找车位；(3)在很多大型建筑物的停车场内，当驾驶员取车时由于车位较多很容易导致方向迷失；经过多年的实践和分析表明，现在车辆数量不断增长，如果一味的依靠对停车场的扩建是无法满足这种在情况下对停车位数量的需求的，所以对公共停车场车位进行更有效地管理就显得非常重要了，车辆的停放与智能化管理早已成为各大中型城市交通管理系统中非常重要的不可缺少的一个环节。

1.2 设计方案

1.2.1 设计目标

(1)驾驶员驾驶车辆进入停车场后能迅速找到停车位，节约时间1)停车场内的每个车位上方安装车位指示灯，被车辆占用时指示灯灭，空余时指示灯亮起。2)在停车场的主要路口安装指示灯，通过指示箭头，指示那个方向有空余车位。

(2)提高停车场内每个车位的使用效率。1)加强对进入车辆的自动引导，使每个车位的使用率最大化。2)使驾驶员能够在最短的时间内找到自己的车辆，车位能尽量早的空出来。3)平均使用车位，保证车辆不会过度集中。

(3)提高停车场主要路口通过率，尽量减少或消除拥堵。1)有效的引导车辆，加强车辆的流动。2)提高用户停车的舒适度，使用户更加满意。

1.2.2 设计内容

1)车位较多时，进行分模块管理，每个管理单元进行单个汇总。2)每个车位上的灯要足够醒目，引起注意。3)红外线测距模块的调试，考虑到环境的影响。4)车位统计以及线路引导。

1.2.3 系统组成

本设计主要由车位状态采集、数据分块汇总、无线模块传输、主控分析、车辆引导五部分组成。车位使用状态主要使用红外模块采集数据。分块汇总使用89C51单片机对车位状态进行汇总。无线模块传输使用89C51单片机与主控STM32单片机之间的互相通讯。主控分析主要是STM32单片机分析由无线模块接受到的数据，数据处理后将结果再回传给相应的89C51单片机。车辆引导主要是由89C51单片机根据接收到的回传数据，控制路口的LED灯来引导车主快速寻找车位并进入停车位。

2.硬件简介与设计

2.1 STM32单片机

STM32F103系列单片机使用的是ARM公司的Cortex-M3内核---性能高、成本低、功耗低。32位处理器的缺点是功耗高、成本高，该内核客服了这些缺点又突破了16位处理器的性能限制，所以受到广大开发商和供应商的支持，很快普及开来。

I/O设计与选择：由于主控STM32和89C51之间是通过NRF24L1无线通信模块进行通讯，所以主控STM32使用的I/O口很少。本设计中STM32单片机的I/O口使用情况如表2.1所示。

表2.1 STM32单片机I/0口对照表

2.2 89C51单片机

I/O设计与选择：对于大多数单片机来说，I/O口P0.0—P3.7是作为数据的输入和输出口，也只有他们能做到数据的传输，从外面把数据读入，传输到单片机的芯片之中，然后通过程序算法把需要的结果通过它传输出去。由于传输口输入和输出的状态只能选择一种，而且口只有P0.0—P4.2这么多，所以如何选择规划I/O口的使用就变的异常重要。所以能使用的接口更是少之又少。本设计中51单片机的具体接口设计如表2.2所示。

表2.2 89C51单片机I/0口对照表

NRF24L01模块是一种工作频率为2.4---2.5GHz之间的无线收发器芯片。该模块还有一个显著的特点----消耗极低的电流。

3.程序编写中应用的技术及系统主要流程

3.1 程序编写中应用的技术

本课题是基于STM32单片机和红外避障模块的大型停车场空余车位引导系统，程序主要分为主控STM32和分组管理的89C51。STM32程序运用keil uvision5进行编写编译编写过程中运用USART串口与NRF24L01进行通讯，需要进行USART数据串口的参数和NRF24L01无线通信模块进行参数初始化，首先进行NRF24L01无线通讯模块的初始化，使用PC机通过串口调试助手向无线通信模块发送ASCII码进行设置。然后进行USART串口初始化。

89C51程序使用keil uvision4进行编写编译，程序中主要运用了多层循环嵌套和判断结构，对单片机的四组管脚分别进行不同的设置。

3.2 系统主要工作流程

3.2.1 系统功能概述

为了让课堂教学焕发生命的夺目光彩，让语文成为一泓活水，成为学生爱学、会学的一门课程。教师需要的是积极引导，大胆改革课堂教学，让自主学习化作暖暖的东风，吹来素质教育的春天。

该系统实现的主要功能是：当驾驶员到停车场入口时，可以在入口的显示装置上看到停车场内空余车位的数量，进入停车场后，在每个岔路口都会由指示灯，提示哪个方向有空余车位，同时在每个车位顶部都会有指示灯，当确认此车位已经被占用则指示灯熄灭。

3.2.2 功能的实现

(1)由于需要模拟的车位较多，所以进行了分组，每组的数据先由89C51单片机进行汇总处理，然后通过NRF24L01无线通讯模块分组传送给STM32主单片机进行处理。处理完成后再通过无线模块进行回传以控制信号灯进行车辆引导。

(2)车位需要有传感器来判断车位内是否停有车辆，拟采用红外线测距装置，通过测车位内物体到传感器的距离来判断车位内的状态。设计如图3.1所示。

图3.1 系统流程图

4.系统方案设计

4.1 无线避障模块检测车位状态

红外避障模块对外界环境光线有较强的适应能力，探头由一个红外线发射管和一个红外线接收管组成，正常工作时发射管会有规律的发射出固定频率的红外线。当没有物体遮挡时，接收管会输出高电平。而当接收管没有接收到发射管发射出的红外线时，输出为低电平。因为采用如此的设计，可以把检测信号简单的用高低电平表示出来，这样很方便信号的传输，使其可以很容易的连接到单片机等一系列控制器上。

4.2 89C51单片机程序设计

51单片机主要负责小组内的管理，对红外避障模块的检测结果进行采集，依据每个车位的信号进行空余车位的计数，并控制与之相对应车位的车位指示灯的亮灭。然后通过USART串口将数据传输到STM32主控。

4.2.1 数据发送

每四个车位分为一组，共分为16组，分别进行编号1-16，在发送车位数据时对数据进行标志，将对应的编号添加到数据中车位的数量。i1为1组空余车位的数量，i2位2组空余车位的数量；将i1与10相加并放在数组number的0位，此时number[0]内的数据是一个两位数，高位为小组编号，低位为该小组中空余，在接收到主控的信号后准备发送数组内的数据。发送时利用循环结构将数组内的数据一一发出。

4.2.2 数据接收

当通过NRF24L01无线通讯模块接收到数据后，先进行高地位分离，由高位数据rh判断此数据是否是该51单片机需要的。如果rh等于该组单片机的编号则此时需要向主控STM32发送数据。

当确定是需要的数据后，根据低位数据来控制路口车位引导灯,同样也是利用switch语句根据rl选择相应的指示数据。

4.3 STM32程序设计

STM32单片机的屏幕显示程序运行的后台数据，通过此功能可以快速调试系统。

4.3.1 STM32数据接收并处理

STM32接收到数据reg1后，利用求余和取整将数据reg1进行分离分成高位reg2和低位reg3，高位是车位分组编号，低位是空余车位数量。分出高低位后，利用switch语句把数据放入相应的数组位置。switch语句以reg2为依据，判断完后执行case内的语句，完成数据的读取。

各组车位的数据存入数组后，16组数据全部读取完以后使用循环语句求出空余车位总数。

4.3.2 STM32数据发送

主控STM32发送数据由两个部分组成，低位是向下级的89C51单片机发送的路口车位指示灯控制数据，高位是每个单片机的编号01-06，当相应的单片机接收到属于自己的数据时，会将自己最新的数据返回给主控芯片。

4.4 外部硬件设计

图4.1 外部硬件设计模型

图4.2 车位引导系统实现模型

外部硬件设计模型如图4.1所示，利用CAD软件设计图纸，并进行后期制作。具体设计数据为：共有64个独立车位，每四个分为一组，分别标号0-15。使用6个51单片机控制，分别标号1-6。

经过我们反复实验, 最终实现了剩余车位引导系统的设计任务,并满足设计要求，如图4.2所示。

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