基于CAN總線的大型停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東 東莞 523419）

近年來，人們經(jīng)濟(jì)水平的提高和汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，使得我國汽車保有量急劇增加，機(jī)動車輛增長速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過公路停車場等交通基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度。以北京為例，2009年城市汽車保有量為480.9萬輛，經(jīng)營性停車場5 194個，經(jīng)營性停車位總數(shù)達(dá)125萬個。截至2014年底，全國機(jī)動車保有量達(dá)2.64億輛，機(jī)動車駕駛?cè)送黄?億。其中汽車駕駛?cè)顺^2.46億，駕齡不滿1年的駕駛?cè)? 967萬，占總數(shù)的9.82%。全國平均每百戶家庭擁有25輛私家車，北京每百戶家庭擁有63輛，廣州、成都等大城市每百戶家庭超過40輛。根據(jù)政府部門和城市交通管理部門的統(tǒng)計(jì)，停車場的數(shù)量以及停車位的數(shù)量都很有限，我國城市機(jī)動車停車位與保有量比例為1﹕5，停車位的占有率只有20%左右[1]，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大中城市這一比例則更低。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車總量的停車位，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前用戶的停車需求，直接造成了城市停車難問題，且日益嚴(yán)重。

“車多位少”“停車難”不僅讓有車族頭疼，也影響城市交通有序和暢通，成為廣大老百姓關(guān)心的問題。同時，長時間的尋找停車位不僅是一種能源的浪費(fèi)，更帶來環(huán)境污染和噪聲污染。因此，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等使城市停車管理及引導(dǎo)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確、高效、全時段和全方位的城市車位管理，給城市管理機(jī)制帶來了創(chuàng)新和突破是非常必要的，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、整體方案設(shè)計(jì)

基于CAN總線的大型停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)按功能可分為四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、信息層和決策層。感知層由終端探測單元將車位信息通過CAN總線上傳；網(wǎng)絡(luò)層通過協(xié)議轉(zhuǎn)換將信息上傳至后臺管理計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)庫；信息層對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息通過云計(jì)算、數(shù)據(jù)分析管理、流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等，實(shí)現(xiàn)如WEB百度地圖、搜索引擎、信息安全等各種公共服務(wù)平臺對數(shù)據(jù)的訪問及應(yīng)用；通過信息層的平臺開放接口，政府部門、交通局、旅游區(qū)、車輛輔助控制、手機(jī)客戶端等做出對應(yīng)決策行為[2-4]。

該智能引導(dǎo)系統(tǒng)主要由車位探測器、控制器、LED顯示屏、行車指示燈、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾點(diǎn)：1.LED顯示屏可以顯示總剩余車位數(shù)量和各區(qū)剩余車位數(shù)量；2.車輛探測器指示燈引導(dǎo)快速停車。車輛探測器指示燈安裝在過道等明顯地方，使駕駛員可以很遠(yuǎn)就發(fā)現(xiàn)前方是否有空停車位并快速的找到停車位停車；3.公眾可通過停車APP實(shí)現(xiàn)車位查詢、車位預(yù)訂、錯時停車等功能；4.為管理者提供真實(shí)、可靠的分析數(shù)據(jù)，提高停車場管理水平；5.集中管理，將數(shù)據(jù)匯總，并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，為政府相關(guān)部門運(yùn)營決策提供支持；6.通過道路車流數(shù)據(jù)分析，對停車位規(guī)劃和管理手段的實(shí)施效果進(jìn)行量化評估；7.對路內(nèi)、路外停車場的停車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為城市停車位的規(guī)劃布局提供決策依據(jù)；8.開放數(shù)據(jù)接口，用于集成和擴(kuò)張。

圖1 基于CAN總線的大型停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

二、硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由主控芯片模塊、電源模塊、車位檢測器、行車指示燈、通訊設(shè)計(jì)、控制器及LED屏顯等部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

（一）主控芯片設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用以STC15W408AS單片機(jī)為核心的方案。STC15系列單片機(jī)采用STC-Y5超高速CPU內(nèi)核，在相同的時鐘頻率下，速度又比STC早期的1T系列單片機(jī)（如STC12系列/STC11系列/STC10系列）的速度快20%。增強(qiáng)型單片機(jī)比普通8051的快8～12倍，工作電壓是2.5-5.5V。STC15W408AS內(nèi)部有8K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，擦出次數(shù)10萬次以上，有片內(nèi)EEPROM功能。

（二）電源設(shè)計(jì)

性能穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提。考慮到系統(tǒng)因多節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)距離供電下的電壓衰減現(xiàn)象而導(dǎo)致的設(shè)備供電不穩(wěn)定，系統(tǒng)選用LM2576-5.0電源芯片為各模塊供電。該電源芯片是3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有限流及熱關(guān)斷電路等完善的保護(hù)電路，只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，且其輸入電壓為7～40V，工作電壓比較寬。

（三）車位檢測器設(shè)計(jì)

車位檢測器是通過超聲波測距來實(shí)時采集車位信息，并將車位狀態(tài)通過紅綠指示燈顯示出來，讓駕駛者一目了然知道是否有車位。本系統(tǒng)選用US-015超聲波模塊。US-015是目前市場上分辨率最高，重復(fù)測量一致性最好的超聲波測距模塊，分辨率可達(dá)0.5mm，測距精度高且可實(shí)現(xiàn)2cm～4m的非接觸測距功能，供電電壓為5V，工作電流為2.2mA，支持GPIO通信模式，工作穩(wěn)定可靠。模塊測距的時序如圖3所示。

圖3 US-015測距時序圖

如圖3所示，只需在Trig管腳輸入一個10US以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當(dāng)檢測到回波信號后，通過Echo管腳輸出。根據(jù)Echo管腳輸出高電平的持續(xù)時間可以計(jì)算距離值。超聲波的速度與溫度有關(guān)，但在精度要求不嚴(yán)格的場合可以忽略溫度所帶來的影響，否則就應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右猿C正。

（四）行車指示燈設(shè)計(jì)

行車指示燈的作用在于指示某一區(qū)域總體的停車情況，如果該區(qū)域車位已滿，行車指示燈就在這區(qū)域的路口提前顯示已滿（用紅燈表示），避免司機(jī)朋友增加不必要的停車時間，從而帶來不必要的能源消耗與環(huán)境污染問題。該行車指示燈的安轉(zhuǎn)位置如圖4所示。圖中在入口的路口中有三個行車指示燈，自下至上代表著相應(yīng)區(qū)域的車位情況，最下面區(qū)域的車位已經(jīng)停滿，所以在入口處左拐的行車指示燈顯示紅色，提前告知司機(jī)此區(qū)域已經(jīng)停滿了，沒有車位了。中間區(qū)域有空車位所以入口處直行的行車指示燈是綠色，進(jìn)入此區(qū)域的司機(jī)接下來就需要通過車位指示燈來引導(dǎo)到有空車位的區(qū)域，方便快速找到車位。

圖4 行車指示燈使用位置

（五）通訊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式。CAN控制器是采用Microchip的MCP2515，它是一款獨(dú)立控制器局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器，完全支持CANV2.0B技術(shù)規(guī)范，能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀。MCP2515自帶的兩個驗(yàn)收屏蔽寄存器和六個驗(yàn)收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報(bào)文，因此減少了主單片機(jī)（MCU）的開銷。MCP2515與MCU的連接是通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）來實(shí)現(xiàn)的。

CAN接收器采用TJA1050，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接受性能。其在原有產(chǎn)品上做了改進(jìn)之后，使得CANH和CANL理想配合，將電磁輻射減到更低，同時在有不上電節(jié)點(diǎn)時，性能有所改進(jìn)。其自身所附帶的限流電路，保護(hù)發(fā)送器的輸出級，使由正或負(fù)電源電壓意外造成的短路不會對TJA1050造成損壞[5-9]。

（六）控制器及LED屏顯

控制器功能是將CAN總線上的信息通過處理得到我們需要的信息，將還有多少車位信息用LED屏顯示出來，司機(jī)在沒有進(jìn)入停車場的時候就提前得知下面是否有空車位。

1.控制器

控制器由主控芯片STM32單片機(jī)和CSM100組成。CSM100系列UART轉(zhuǎn)CAN模塊集成微處理器、CAN-bus控制器、CAN-bus收發(fā)器、DC-DC轉(zhuǎn)換、高速光電隔離于一體。該產(chǎn)品可以很方便地嵌入到具有 UART接口的設(shè)備中，在不需改變原有硬件結(jié)構(gòu)的前提下使設(shè)備獲得CAN-bus通訊接口，實(shí)現(xiàn)UART設(shè)備和CAN-bus網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊。其中UART通道支持多種波特率。

CSM100將CAN總線上的信息通過UART的形式輸出，利用CSM100操作CAN-bus就如同操作UART一樣方便。如圖5所示為CSM100系列模塊的功能框圖。主控芯片同樣通過UART將CSM100輸出的信息接收到主控芯片中，進(jìn)行處理得到具體空車位信息。

圖5 CSM100系列模塊的功能框圖

2.LED屏顯

LED屏幕采用市場上單紅色P10點(diǎn)陣屏?？刂破鲗⑿畔⑻幚砗弥?，將數(shù)據(jù)通過RS232傳輸發(fā)送到LED控制板上，從而實(shí)現(xiàn)空車位數(shù)量的實(shí)時顯示。

三、后臺軟件設(shè)計(jì)

后臺監(jiān)控系統(tǒng)是用Visual C++基于Windows平臺設(shè)計(jì)的用戶程序。其思路是車位探測器對不同ID的車位進(jìn)行探測。為了保證數(shù)據(jù)足夠準(zhǔn)確，每一個探測器需要統(tǒng)計(jì)規(guī)定時間內(nèi)的所檢測得到最多信號，并以這個信號為準(zhǔn)，把對應(yīng)車位的ID和車位信息拼接成一種符合CAN數(shù)據(jù)幀的格式上傳到CAN總線，然后經(jīng)過CAN轉(zhuǎn)TCP/IP模塊，上傳至后臺監(jiān)控軟件，同時將數(shù)據(jù)存儲進(jìn)數(shù)據(jù)庫，管理員就可以通過后臺監(jiān)控軟件時刻查詢了解停車場的實(shí)時情況。結(jié)合后臺軟件的監(jiān)控、日程安排、告警、事件管理和群組管理等功能，實(shí)現(xiàn)圖形化管理整個停車場，以電子地圖的形式直觀顯示當(dāng)前停車場的車位信息，用豐富的色彩標(biāo)識不同類型的車位和區(qū)分車輛停泊時間，從而實(shí)現(xiàn)車牌識別、計(jì)費(fèi)、發(fā)票打印、歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成等功能[10-15]，功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，軟件流程圖如圖7所示。

圖6 功能結(jié)構(gòu)圖

圖7 軟件流程圖

后臺監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要把CAN轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)換器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一的采集分析并保存至數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集流程如下圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

作為后臺服務(wù)器的一個采集系統(tǒng)，要與轉(zhuǎn)換器取得相互之間的通信，首先需創(chuàng)建socket，如果創(chuàng)建不成功，則需要重新創(chuàng)建；反之，綁定本機(jī)的IP和端口號，供客戶端進(jìn)行連接，此時等待著接收轉(zhuǎn)換器發(fā)來的數(shù)據(jù)。為了能夠存儲轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，得建立一個數(shù)據(jù)庫，庫中根據(jù)需要創(chuàng)建兩個表：狀態(tài)表和流水表，把相對應(yīng)的字段進(jìn)行羅列和創(chuàng)建，當(dāng)采集系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)時，需要把ID號和信號拼接成一條符合數(shù)據(jù)庫中的表的規(guī)則的記錄，然后進(jìn)行存儲，最后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時更新數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)。

四、小結(jié)

針對停車場和停車位的分布性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的大型停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)，利用超聲波測距原理能夠準(zhǔn)確地檢測出車位使用狀態(tài)信息，采用4級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將停車場誘導(dǎo)、控制、管理集成一體，遵循TCP/IP協(xié)議，將位于整個城市不同地方的停車場通過Internet連在一起，組成城域級綜合停車管理系統(tǒng)。電源的直流傳輸和LED光源的使用，使整系統(tǒng)安全、節(jié)能；同時系統(tǒng)安裝簡單、方便維護(hù)。該智能引導(dǎo)系統(tǒng)大大縮短了車主尋找車位時間，提高了停車場的使用率；同時也降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，為減少無效交通、提高駕車出行效率、緩解“停車難”問題、節(jié)能減排、改善城市道路交通環(huán)境等問題提供便利，非常適用于各種大中型停車場和旅游區(qū)、火車站和購物中心等公共停車場。

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