基于無線網(wǎng)絡(luò)的地下車庫LED燈光導(dǎo)航系統(tǒng)尚兆功

,　王升軍,　高　鵬,　郭祥洋,　劉玲云

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基于無線網(wǎng)絡(luò)的地下車庫LED燈光導(dǎo)航系統(tǒng)尚兆功

1,王升軍1,高鵬2,郭祥洋1,劉玲云1

尚兆功(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>

(1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南250101;

2.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 山東 濟(jì)南250013)

摘要：介紹了基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的地下車庫LED 智能燈光導(dǎo)航系統(tǒng),利用車牌識(shí)別技術(shù),在燈光的引導(dǎo)下可使車主在停車場快速找到空車位,同時(shí)能使車主在找到車輛后迅速找到車庫出口。系統(tǒng)不僅能對(duì)車輛進(jìn)行導(dǎo)航,還能合理控制車庫內(nèi)照明。結(jié)合具體車庫實(shí)例,利用A*搜索算法進(jìn)行了從入口到指定車位的路徑計(jì)算,并進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)運(yùn)行可靠,節(jié)能實(shí)用。

王升軍(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑夹g(shù)。

高鵬(1981—),男,工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：ZigBee網(wǎng)絡(luò); 燈光導(dǎo)航; 燈光控制器; A*算法

0引言

目前,大多數(shù)地下車庫的管理主要通過入口處的道閘進(jìn)行IC卡身份識(shí)別,符合要求的車輛一經(jīng)識(shí)別即開閘放行;車庫內(nèi)的照明設(shè)備基本處于常亮狀態(tài);車庫內(nèi)缺少導(dǎo)航設(shè)備。車庫的管理技術(shù)落后,缺乏智能化、自動(dòng)化、信息化的先進(jìn)管理技術(shù)。一方面,在入口處車主需要停車刷卡,高峰期易造成擁堵;另一方面,由于地下車庫空間較大,車主尋找車位困難,浪費(fèi)大量的精力和時(shí)間;除此之外,車庫內(nèi)大量的照明設(shè)備也易造成能源浪費(fèi)。目前的車庫智能系統(tǒng)在計(jì)費(fèi)、進(jìn)出口識(shí)別等功能發(fā)展相對(duì)較多,但在車輛入庫后如何快速引導(dǎo)車輛在車庫內(nèi)停車等方面考慮不足,智能化程度低。

本文利用車牌識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)以及無線通信技術(shù),提出一種新的停車場運(yùn)行模式,通過無線通信技術(shù)將整個(gè)車庫內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來,完成對(duì)整個(gè)車庫的信息采集及行車導(dǎo)航。

1總體方案設(shè)計(jì)

基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的地下車庫LED 智能導(dǎo)航系統(tǒng)主要由主服務(wù)器、ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器組成,主服務(wù)器通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)連接若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器,車庫內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息上傳到主服務(wù)器。主服務(wù)器根據(jù)需求,通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將控制信號(hào)下發(fā)到各網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器,完成導(dǎo)航工作。

車庫的運(yùn)行過程包括車庫入口處的視頻識(shí)別、入口到車位過程中的行車監(jiān)測和燈光導(dǎo)航、車庫車位信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和車輛出庫的燈光導(dǎo)航。具體為車輛在入口處觸發(fā)地感線圈進(jìn)行攝像機(jī)圖像抓拍,識(shí)別軟件識(shí)別出車牌號(hào),并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫信息匹配。若該車匹配成功,道閘開啟并記錄車輛進(jìn)入時(shí)間,管理中心計(jì)算機(jī)規(guī)劃一條最優(yōu)路徑,并利用車輛探測設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,依次打開行車路徑上的LED燈具進(jìn)行燈光導(dǎo)航,直到車位探測器檢測到車輛到達(dá)指定車位。當(dāng)車輛離開時(shí),觸發(fā)車位上方的探測器并通知管理中心,管理中心規(guī)劃駛離路徑并進(jìn)行LED燈光導(dǎo)航,使車輛順利到達(dá)出口。

網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器主要由MSP430 微控制器、微波檢測模塊、超聲波檢測模塊、ZigBee 無線模塊、燈光控制模塊組成。超聲波檢測模塊探測車位狀況,微波檢測模塊檢測有無車輛移動(dòng)信號(hào),超聲波檢測模塊用來檢測車位上有無車輛,然后將車位占用信息通過ZigBee無線模塊上傳至數(shù)據(jù)處理中心。當(dāng)檢測到有車輛進(jìn)入時(shí),系統(tǒng)根據(jù)車位占用情況給車輛就近尋找空車位,然后通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的程序?yàn)檐囕v規(guī)劃一條最優(yōu)路徑,并通過ZigBee無線模塊下發(fā)指令,將該路徑上的LED燈具通過燈光控制模塊點(diǎn)亮,這樣就能使車主很容易找到系統(tǒng)分配的空車位。

無線燈光控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　無線燈光控制器結(jié)構(gòu)框圖

2網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1　超聲波檢測模塊設(shè)計(jì)

超聲波測距原理:通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物反射的回波,從而測出發(fā)射超聲波和接收回波的時(shí)間間隔,然后求出障礙物到超聲波傳感器的距離。

超聲波檢測模塊原理如圖2所示。該模塊選取51單片機(jī)作為中心控制器,由單片機(jī)輸出8個(gè)40 kMz周期的方波,經(jīng)過6路反相器進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭,當(dāng)超聲波接收探頭接收到返回的超聲信號(hào)后,觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷程序,單片機(jī)定時(shí)器得出時(shí)間差,實(shí)現(xiàn)距離的測量。超聲波在空氣中的傳播速度受外界環(huán)境的影響,其中溫度的影響最大,因此為了提高測量的準(zhǔn)確性,必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖2　超聲波檢測模塊原理

超聲波模塊放在網(wǎng)絡(luò)化燈光控制器上,距離地面約為3 m,要求控制器以下沒有遮擋物,車的高度一般為1.1~1.8 m。微控制器通過定時(shí)器計(jì)算從發(fā)射超聲波到接收超聲波的時(shí)間,進(jìn)而計(jì)算出障礙物到超聲波傳感器的距離。如果距離大于2.5 m,則認(rèn)為車位無車;如果距離小于2.5m,則認(rèn)為車位有車。

2.2　微波檢測模塊

微波模塊主要用來檢測有無移動(dòng)車輛,當(dāng)檢測到有車輛移動(dòng)時(shí),燈被點(diǎn)亮,延時(shí)5 s,燈自動(dòng)熄滅;當(dāng)檢測到?jīng)]有移動(dòng)物體時(shí),燈處于熄滅狀態(tài)。

本文選用HB100微波模塊,主要用來檢測探測范圍內(nèi)有無移動(dòng)車輛,脈動(dòng)輸出頻率與物體相對(duì)徑向移動(dòng)速度成近似線性關(guān)系,IF的輸出幅度與物體的大小、距離有關(guān)。微波模塊只輸出峰峰值極小的多普勒頻移信號(hào),必須對(duì)輸出的信號(hào)放大數(shù)千倍,微波信號(hào)通過帶通濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率外信號(hào)的濾除,運(yùn)算放大電路將通過帶通濾波器的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大,最后比較偏置電路將微波信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào),將信號(hào)送由單片機(jī)進(jìn)行判斷。如單片機(jī)檢測到有效信號(hào),則認(rèn)為微波被觸發(fā),車輛正在經(jīng)過該地點(diǎn)。

微波信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示,通過調(diào)整電位器R20可以調(diào)節(jié)探測距離。

圖3　微波信號(hào)調(diào)理電路

2.3　無線通信模塊組網(wǎng)

ZigBee接口電路的主要功能是串口轉(zhuǎn)ZigBee無線傳輸,用戶根本不需要考慮復(fù)雜的ZigBee協(xié)議,只需根據(jù)需要,利用ZigBee配置軟件進(jìn)行必要的配置,便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)。

由于地下停車場規(guī)模較大,節(jié)點(diǎn)較多,對(duì)信息的準(zhǔn)確性要求較高,因此選擇網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為地下停車場內(nèi)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee組網(wǎng)示意圖如圖4所示?？倕f(xié)調(diào)器是連接計(jì)算機(jī)與停車場內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的橋梁,與一級(jí)子網(wǎng)絡(luò)隸屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。下一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器與上一級(jí)的路由節(jié)點(diǎn)相連,實(shí)現(xiàn)了不同網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián),最終每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行通信。 總協(xié)調(diào)器作為通信中樞放置于車庫入口道閘處,方便車牌識(shí)別后進(jìn)行燈光導(dǎo)航,所有的導(dǎo)航信息和車位檢測信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳到管理中心,管理中心的控制命令通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)。

圖4　ZigBee組網(wǎng)示意圖

3停車場路徑規(guī)劃

車輛出入車庫時(shí),主控計(jì)算機(jī)為其規(guī)劃一條最優(yōu)路徑,并點(diǎn)亮路徑上相應(yīng)燈具,對(duì)車主進(jìn)行導(dǎo)航。路徑規(guī)劃應(yīng)進(jìn)行環(huán)境建模,環(huán)境建模的質(zhì)量決定規(guī)劃出的路徑的優(yōu)劣。

在求解最優(yōu)路徑過程中,以柵格法對(duì)車庫進(jìn)行建模,最短路徑作為求解目標(biāo),運(yùn)用啟發(fā)式最短路徑搜索算法中經(jīng)典的A*搜索算法進(jìn)行求解。

3.1　A*搜索算法

A*搜索算法的原理是設(shè)計(jì)一個(gè)估價(jià)函數(shù):

f(n)=h(n)+m(n)

式中:f(n)——從初始點(diǎn)經(jīng)由節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)點(diǎn)的估價(jià)函數(shù);

h(n)——在空間中從起始節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際代價(jià);

m(n)——從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的預(yù)估代價(jià)。

通過估價(jià)函數(shù)對(duì)當(dāng)前位置下一步能夠到達(dá)的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估,搜索每一步,找到估價(jià)值f(n)最小的點(diǎn)作為路徑節(jié)點(diǎn),路徑前進(jìn)一步并根據(jù)算法繼續(xù)循環(huán)。

A*算法的具體步驟:

(1) 創(chuàng)建一個(gè)develop表和一個(gè)path表,初始狀態(tài)為空,把起始點(diǎn)s放入develop表中。

(2) 搜索develop表中節(jié)點(diǎn),若develop表為空表,則表示沒有找到路徑,搜索失敗。

(3) 若develop表不為空,則從中選一個(gè)f值最小的節(jié)點(diǎn)為最佳節(jié)點(diǎn),將該節(jié)點(diǎn)記為b,把它放入path表中。

(4) 判斷節(jié)點(diǎn)b是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)e,若節(jié)點(diǎn)b是目標(biāo)節(jié)點(diǎn),則成功搜出一條路徑。

(5) 若節(jié)點(diǎn)b不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn),則對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展,產(chǎn)生子節(jié)點(diǎn)b1、b2…,對(duì)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下列過程(以子節(jié)點(diǎn)b1為例說明):

① 如果b1已經(jīng)在develop表中,計(jì)算h(b1),將develop表中原來節(jié)點(diǎn)b1稱為為節(jié)點(diǎn)ob,比較h(b1)和h(ob)。如果h(b1)

② 若b1已經(jīng)在path表中,則跳過該節(jié)點(diǎn),繼續(xù)擴(kuò)展其他節(jié)點(diǎn)。

③ 若b1既不在develop表中,又不在path表中,則把它放入develop表中,給b1加一個(gè)指向它的父節(jié)點(diǎn)b的指針,計(jì)算h(b1)。

(6) 轉(zhuǎn)入第(2)步繼續(xù)循環(huán),直到找到解或者無解退出為止。

3.2　計(jì)算實(shí)例

本文結(jié)合具體的車庫實(shí)例,利用A*搜索算法搜索一條從入口到指定車位230的路徑,并顯示路徑上的燈光控制器編號(hào)。

車庫路徑規(guī)劃算法仿真圖如圖5所示。利用柵格法對(duì)整個(gè)車庫建模,對(duì)車庫路徑搜索算法采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#進(jìn)行了仿真模擬。

圖5　車庫路徑規(guī)劃算法仿真圖

圖5中每個(gè)柵格有四個(gè)坐標(biāo)值,分別是x、y、x1、y1,其中x、y是每個(gè)柵格在仿真圖上的坐標(biāo),是區(qū)分每個(gè)柵格的標(biāo)志,通過x、y坐標(biāo)的增減,表示每個(gè)燈光控制器與其周圍控制器之間的關(guān)系,例如左上角第一個(gè)柵格,x=0,y=0,x1=5,y1=18.6,(0,0)代表該柵格,下方柵格為(0,1),右方柵格為(1,0)。x1、y1是根據(jù)車庫CAD圖得出的每個(gè)柵格實(shí)際地理坐標(biāo),在路徑搜索過程中利用x1、y1可計(jì)算每個(gè)柵格的g、f值。

為了防止在路徑規(guī)劃過程中,車道和車位上的燈相混合,導(dǎo)致“穿越車位行駛現(xiàn)象”,表示車道燈光控制器的柵格始終為可行柵格,表示車位燈光控制器的柵格初始時(shí)設(shè)為不可行柵格,在發(fā)出查詢命令后,目標(biāo)車位柵格由不可行柵格變?yōu)榭尚袞鸥?而表示墻的柵格始終為不可行柵格。

首先確定起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo),起點(diǎn)為入口對(duì)應(yīng)的燈光控制器s(0,11),實(shí)際坐標(biāo)為(3.7,78.5),終點(diǎn)為車位230對(duì)應(yīng)的燈光控制器e(17,13),它的實(shí)際坐標(biāo)為(86.5,93)。把起點(diǎn)s(0,11)放入develop表中,此時(shí)develop表中f值最小的節(jié)點(diǎn)b=s,把s放入path表,因s不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn),對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)展,產(chǎn)生兩個(gè)子節(jié)點(diǎn),位于上方的子節(jié)點(diǎn)b1(0,10),位于右方的子節(jié)點(diǎn)b2(1,11)。對(duì)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作,b1既不在 develop 表中,又不在 path表中,把它放入develop表中,將s設(shè)為b1的父節(jié)點(diǎn),調(diào)出b1的實(shí)際坐標(biāo)(3.7,73),計(jì)算h(b1)=sqrt[(3.7-3.7)2+(73-78.5)2]=5.5,m(b1)=bbs(3.7-86.5)+bbs(73-93)=102.8,f(b1)=5.5+102.8=108.3;對(duì)b2進(jìn)行相似操作,該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)(7.5,78.5),h(b2)=sqrt[(7.5-3.7)2+(78.5-78.5)2]=3.8,m(b2)=bbs(7.5-86.5)+bbs(78.5-93)=93.5,f(b2)=3.8+93.5=97.3。此時(shí),develop表不為空,f值最小節(jié)點(diǎn)b=b2,把b2放入path表中,經(jīng)判斷b2不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn),對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)展。依次類推,逐步計(jì)算下去,直到develop表中f值最小節(jié)點(diǎn)b=e(17,13)為止,這時(shí)表示成功搜出一條路徑。本例采用四方向?qū)ぢ?子節(jié)點(diǎn)只在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的上下左右四個(gè)方向中的可行柵格中選取,不同節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)之間幾乎不存在交叉,對(duì)某節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展時(shí)其子節(jié)點(diǎn)通常不在develop表中,一般不需要修正h(ob)值。

經(jīng)過驗(yàn)證,A*算法可以快速、高效地找到一條最短路徑,一旦車庫內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化,可迅速重組地圖,以當(dāng)前位置為起點(diǎn),再次調(diào)用A*算法,搜索最短路徑。

4結(jié)語

該系統(tǒng)能夠?yàn)檐囍骺焖偃胲噹焱＼囂峁┍憷?工作穩(wěn)定可靠,適用性強(qiáng),且能夠節(jié)省大量停車過程中不必要的等待時(shí)間,節(jié)約電能,使整個(gè)車庫運(yùn)行成本降低。無線通信的使用也使整個(gè)車庫的信息交互十分方便,提高了地下車庫的管理效率和管理水平。

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【辦刊宗旨】

以現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能建筑技術(shù)為引導(dǎo)，引領(lǐng)建筑電氣技術(shù)不斷開拓自主知識(shí)創(chuàng)新，向著高效、節(jié)能和綠色的目標(biāo)和方向發(fā)展。及時(shí)、全面地報(bào)道國內(nèi)外建筑電氣最新研究成果和行業(yè)信息，為建筑電氣的研究與開發(fā)、產(chǎn)品制造與應(yīng)用、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域打造一流的技術(shù)交流和信息傳遞平臺(tái)。

Underground Garage LED Lighting Navigation System Based on Wireless NetworkSHANGZhaogong1,WANGShengjun1,GAOPeng2,GUOXiangyang1,LIULingyun1

(1.School of Information & Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China;

2.Shandong Urban and Rural Planning and Design Institute, Jinan 250013, China)

Abstract：This paper introduced the intelligent light navigation system based on LED.Using the license plate recognition technology,the car owner can find an empty parking spaces easily.At the same time,the system is helpful for people to find the exit if the car owner want to leave the garage.The system cannot only be used for navigation of vehicles,but also reasonably control the garage lighting.A path from the entrance to the specified parking lot was calculated by using A* search algorithm.The simulation results show that the system is reliable in operation,energy saving and practicality.

Key words:ZigBee network; light navigation; lighting controller; A* algorithm

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號(hào)：TU 113

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)01-0032-05