停车场车位信息检测和显示系统的设计

瓮嘉民， 蒋　威， 李小魁

(河南工程学院， 郑州 451191)



停车场车位信息检测和显示系统的设计

瓮嘉民， 蒋威， 李小魁

(河南工程学院， 郑州 451191)

摘要：针对大型停车场车位多、用于车位检测的传感器多和布线不方便等问题，提出了基于ZigBee和RS-485总线相结合的混合通信方式。设计了停车场车位信息检测和显示系统，将停车场划分为若干个区域，区域之间通过ZigBee进行无线通信，区域内部通过RS-485进行数据通信。每个区域主控制器主要由MCU最小系统、按键、DC-DC变换电路、掉电存储芯片、IC卡读写器、报警蜂鸣器、LED点阵显示装置、通信电路和车辆进出红外检测电路等组成。该系统可实现停车场车位状态数据的实时检测、传输和显示，并且具有车辆进出IC卡管理等功能。

关键词：停车场；ZigBee；RS-485总线；智能卡；STM32

目前,国内停车场车位信息检测和显示系统的市场状况远远落后于动态交通的智能化市场发展，停车场大都无检测和实时显示停车场信息的电子设备，即重动态交通而轻静态交通。在静态交通研究方面，国内外均无确定的评价指标，而动态交通则有道路拥堵指数、绿波带等评价内容。静态交通发展的落后已经成为城市动态交通的障碍。为此，国内外学者提出了动态交通要“动静结合、以静制动”的理论，在实践中已经初见成效[1-7]。本文设计了一套停车场车位检测和空车位个数及位置显示系统。

1系统设计方案

停车场车位信息检测和显示系统能够实时显示停车场内剩余车位的个数和位置，提高停车场的智能化管理水平。该系统的总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图

本设计将停车场车位信息检测和显示系统分为A(主)、B(从)、C(从)和D(从)4个区域子系统，是为了适应大型停车场及多层停车场需要。每个区域子系统有多块LED显示屏(安装在出入口和关键位置)，可以显示信息。A区与B、C、D区之间通过ZigBee无线通信，不方便布线之处可拆分为两个区域，为综合布线提供便利。多个子系统同时采集信息，汇总到区域主控制器，然后统一传输至停车场车位信息检测和显示系统的计算机控制器。停车场车位信息检测和显示系统可采集和显示实时信息，使各区域子系统信息同步，主控制器负担减轻，整个系统工作更加稳定可靠。

区域子系统内部结构如图2所示。它主要包括1个区域主控制器STM32、2个检测节点AT89S52、若干个车位传感器、多个LED点阵显示屏、ZigBee无线通信模块和车辆进出检测IC卡读卡器[8-10]等。

图2　区域子系统内部结构图

区域主控制器STM32与检测节点之间通过RS-485总线进行数据通信，通信协议采用查询方式。STM32与IC卡读卡器之间通过SPI串行接口进行数据交换。检测节点的每个单片机负责多个车位的信息检测，向主控制器STM32上传车位信息。

2系统硬件设计

停车场信息显示系统的区域主控制器主要包括中央控制单元(MCU)最小系统、按键、DC-DC变换电路、掉电存储芯片、报警蜂鸣器和车辆进出红外检测电路等(见图3)。

图3　停车场信息显示系统的区域主控制器设计原理

(1)MCU最小系统：RS-485总线和ZigBee通信要求MCU至少有2个串口，所采用的STM32F103系列具有3个串口，完全能够满足要求。

(2)按键：主要用于设置和操作控制。

(3)DC-DC变换电路：5 V直流电源通过AMS1117-3.3芯片变为3.3 V，供系统使用。

(4)掉电存储：为了在发生掉电时保存重要数据信息，选择了AT24C02存储器芯片，该芯片与STM32F103之间通过I2C总线进行数据通信。

(5)IC卡读写器：在出入口处装设IC卡读卡器，可对车辆进出信息进行检测，统计出剩余车位个数。该IC卡读卡器采用RC522，与STM32之间通过SPI串行接口进行数据交换。

(6)报警蜂鸣器：当PC6输出低电平时，蜂鸣器响；输出高电平时，蜂鸣器不响。

(7)LED点阵显示：主要包括行控制74HS154和行驱动，以及列控制74HC595移位寄存器和列驱动场效应管。该系统选用16×64的LED点阵屏，可以根据实际需要进行扩展。

(8)通信电路：包括ZigBee无线通信模块和RS-485总线。该系统选用CC2530组建ZigBee无线通信网络，理想的数据传输距离可达1.6 km，足够停车场使用，并且可以作为路由节点之用。A区域子系统主控制器与停车场车位信息检测和显示系统计算机之间的数据通信，需要由RS-485转至RS-232接口[9]，其他区域主控制器仅有RS-485接口即可。

(9)车辆进出红外检测电路：当有车辆进出时，输出高电平信号；否则，输出低电平信号。

3车位检测节点设计

车位检测节点原理如图4所示。

图4　车位检测节点原理图

每个车位检测节点最多可以外接24个车位检测红外传感器[1-2,11]。车位检测节点定时将检测到的车位信息通过RS-485总线传送至对应的区域主控制器。RS-485接口选用SN65HVD3082芯片。

在实际应用时，可根据车位数对车位检测节点进行扩展，每段RS-485总线可以挂31个车位检测节点。若按一个车位检测节点检测24个车位计算，则4个区域可以检测的车位数为：4×31×24=2 976，能够满足大多数停车场车位检测的需要。

红外车位检测传感器采用NE555震荡电路来产生频率为38 kHz、占空比为50%的方波信号，通过红外发射管发射红外线；选用一体化接收头的红外接收管来直接识别方波信号；采用反射式安装模式，通过LED显示屏对应位置的亮灭来指示车位状态。

4软件系统设计

4.1主机程序设计

主机程序流程如图5所示。主机的主要功能是向其他区域控制器发送命令，使从机检测对应区域的车位，获取从机数据，依次读取各区域的车位状态信息。停车场各区域数据获取完毕后，主机将全部车位的最新数据发送给每个区域从机。

4.2从机程序设计

从机程序流程如图6所示。从机既需要配合主机通信，又主动与检测节点进行通信。为了避免通信冲突，从机在没有收到主机命令时，不会主动和检测节点

通信；当收到主机命令后，一定延时后再与检测节点通信，提高了通信的可靠性。

4.3车位信息检测程序设计

车位信息检测节点(见图7)处理器的任务比较少，在通信空闲时负责检测车位传感器的数据，收到通信请求后，将采集到的数据返回从机。

图5　主机程序流程图　　　　　　图6　从机程序流程图　　　　图7　车位信息检测程序流程图

4.4ZigBee通信协议与格式

ZigBee通信遵从通信格式：传输对象、传输目的地址、命令类型、传输数据长度、N个字节数据、CRC校验。

ZigBee通信格式包含通信数据长度、N个字节数据及1个字节的CRC校验码。各通信节点通过收到的数据长度来判断是否接收完毕。为了保证数据传输正确，需要进行CRC校验。

5结语

系统通过红外传感器实现了车位状态信息实时检测，并通过ZigBee和RS-485总线进行了车位状态数据传输，为保证数据传输正确可进行累加和CRC校验。在每个区域的出入口，通过IC卡读卡器对车辆进出进行识别和闸道开放。系统软硬件设计中采用模块化思想，所有区域的硬件基本上一样，从机区域软件相同。经试用，整个系统稳定可靠，具有推广应用价值。

参考文献：

[1]耿寸召.基于ZigBee技术的停车场车位检测系统设计[D]. 呼和浩特:内蒙古大学,2013.

[2]于波.基于ZigBee的WSN定位技术的研究[D]. 长春:长春理工大学,2014.

[3]刘军.基于ZigBee的智能停车场管理系统的设计与实现[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[4]刘维波.基于ZigBee无线传感网络的超声波车位检测系统[D].西安:长安大学,2011.

[5]许静.停车场智能管理系统设计[D].南昌:南昌大学,2013.

[6]陈耀.城市停车诱导信息系统[D].杭州:浙江大学,2013.

[7]李林林.智能停车场系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2009.

[8]汪付川.智能停车场管理系统研究[D]. 镇江:江苏大学,2014.

[9]金春嫣. 基于ZigBee和红外检测的停车位监控系统的研究[D].长沙:中南大学,2010.

[10]刘姣.智能停车场管理系统的研究[D].长沙:湖南大学,2011.

[11]孙亮，党力明，戴宁.大型室内停车场车位的超声波检测[J].仪表技术与传感器,1996(10):39-42.

(责任编辑：王长通)

Design of Parking Space Detect and Display System Information

WENG Jia-min, JIANG Wei, LI Xiao-kui

(Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

Abstract：On a large parking it is not convenient to use more sensors and wiring problems. Based on ZigBee, a mixed communication mode of combining RS-485 bus is put forward. Car park could be divided into several regions, through the ZigBee wireless communication between area, regional internal data communication through the RS-485, and each area is mainly composed of MCU controller circuit minimum system, buttons, DC-DC transform, power storage, IC card read and write, buzzer alarm, LED dot matrix display, communication circuit and vehicles in and out of the infrared detection circuit. The system can realize the parking lot parking state data real-time detection, transmission and display, and a vehicle in and out of the IC card management, and other functions.It has been verified by practice, the effect is good.

Key words:parking; ZigBee; RS-485 bus; smart card; STM32

中图分类号：TP274

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.005

文章编号：1671-6906(2016)01-0020-05

作者简介：瓮嘉民(1972-)，男，河南息县人，副教授，硕士，主要研究方向为嵌入式系统应用和电力系统继电保护。

收稿日期：2015-11-04