軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計

劉國滿，盛 敬，陳成偉

（1.南昌工程學(xué)院 江西省精密驅(qū)動與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099；2.汕頭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，汕頭 515063）

隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，社會車輛占有率不斷提高，城市交通面臨著巨大的壓力。特別在我國大城市的中心地帶，出現(xiàn)了“一位難求”問題[1]。對于大型停車場來說，由于停放的車輛較多，尋找停車位的路線復(fù)雜，若沒有適當(dāng)?shù)耐＼囈龑?dǎo)控制，停車場內(nèi)極易發(fā)生車輛擁堵、相碰以及亂停亂放等現(xiàn)象。

本文提出了一種基于SDN環(huán)境下的停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)，該引導(dǎo)控制系統(tǒng)通過區(qū)域分支調(diào)度器實(shí)時向SDN控制服務(wù)器上報控制區(qū)域內(nèi)的停車位狀態(tài)情況以及當(dāng)前其所控制路段行駛的車輛的交通狀況信息，SDN控制服務(wù)器按照目的停車位地址最大匹配算法進(jìn)行停車車輛運(yùn)行路線的計算和生成，以方便停車車輛能快速行駛到合適的目的停車位，方便了人員在大型停車場上進(jìn)行停車和取車操作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1所示為停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意，其由SDN控制服務(wù)器、區(qū)域分支調(diào)度器和車輛運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備三部分組成。SDN控制服務(wù)器負(fù)責(zé)停車運(yùn)行路線的計算和向區(qū)域分支調(diào)度器下發(fā)停車運(yùn)行路線，區(qū)域分支調(diào)度器負(fù)責(zé)本地控制區(qū)域交通狀態(tài)情況的上報和根據(jù)停車引導(dǎo)路線進(jìn)行運(yùn)行指令的下發(fā)，車輛運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備負(fù)責(zé)對停車的車輛運(yùn)行操作的控制，如：左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及直行等操作。具體實(shí)施過程為車輛從入口處進(jìn)入停車場時，由停車場SDN控制服務(wù)器根據(jù)所停的車輛的類型和大小，選擇一個合適的停車位，并將該目的停車位地址信息發(fā)送給所停的車輛運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備上，當(dāng)車輛行駛到相應(yīng)區(qū)域時，有相應(yīng)區(qū)域上分支調(diào)度器，根據(jù)該車輛需要到達(dá)的目的停車位，查找控制器上所保存的引導(dǎo)路線，指導(dǎo)該車輛在區(qū)域上運(yùn)行路線。

圖1 基于SDN停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Parking guidance control system structure diagram

停車場SDN控制服務(wù)器主要通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)方式，根據(jù)當(dāng)前停車場上停車位的空閑狀態(tài)和停車場道路上交通狀況，為每個區(qū)域停車位根據(jù)最大匹配算法計算出一條最優(yōu)引導(dǎo)路線，發(fā)送給停車場上每個分支區(qū)域調(diào)度器，由區(qū)域分支調(diào)度器對停車的車輛運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備進(jìn)行行駛路線調(diào)度。另外，區(qū)域分支調(diào)度器根據(jù)其控制區(qū)域內(nèi)的停車位空閑狀態(tài)和道路交通變化情況，實(shí)時上傳給停車場SDN控制服務(wù)器，由SDN控制服務(wù)器根據(jù)最新停車位空閑狀態(tài)和道路交通情況，由SDN控制服務(wù)器按照停車位地址最大匹配算法進(jìn)行行駛路線計算和生成。而對于區(qū)域分支調(diào)度器主要通過無線通信方式，如：WiFi，ZigBee或藍(lán)牙通訊等，根據(jù)區(qū)域分支調(diào)度器上所生成的路線圖，發(fā)送運(yùn)行指令給車輛運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備，相應(yīng)指令數(shù)據(jù)主要包括直行，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)以及開始停車操作指令。其主要運(yùn)行過程流程圖如圖2所示。

圖2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下停車引導(dǎo)運(yùn)行流程Fig.2 Flow chart of parking guidance operation

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 停車位地址編號

為了減少引導(dǎo)路線計算和配置的工作量，停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)采用地址最大匹配算法進(jìn)行停車位地址匹配和比較，確定車輛的停放過程的運(yùn)行路線。在SDN控制服務(wù)器中對停車場上每個停車位進(jìn)行地址編號時，應(yīng)該盡量考慮到同一個區(qū)域上停車位運(yùn)行路線一致性。相比不同區(qū)域，同一區(qū)域內(nèi)所有停車位采用統(tǒng)一運(yùn)行路線的原則可能會給部分停車位帶來引導(dǎo)路線較長的問題，難以實(shí)現(xiàn)所有車輛停放過程視為全局最優(yōu)運(yùn)行路線。

由于停車位采用分區(qū)域管理機(jī)制，參考IP網(wǎng)絡(luò)地址編配方式對停車位進(jìn)行地址編號，對同一個區(qū)域內(nèi)的所有停車位，在外界區(qū)域上保存同樣運(yùn)行路線，以便實(shí)現(xiàn)基于地址最大匹配算法和原則進(jìn)行運(yùn)行車輛的引導(dǎo)，如若將一個停車場分成256大區(qū)域，且每個大區(qū)域均分成256個小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)又可以設(shè)定256內(nèi)停車位。

2.2 路線引導(dǎo)算法

當(dāng)車輛進(jìn)入某一停車區(qū)域時，由該區(qū)域分支調(diào)度控制器對該車輛上車載設(shè)備進(jìn)行問詢，根據(jù)該車輛所分配的目的停車位地址，先根據(jù)地址最大匹配原則進(jìn)行地址匹配，其引導(dǎo)過程流程如圖3所示。實(shí)施過程如下：一個車輛所分配的停車位為128.255.100，若所進(jìn)入?yún)^(qū)域編號為128.254區(qū)域時，若采取最大匹配原則，則大區(qū)域128匹配上后，再對里面小區(qū)域進(jìn)行匹配，若匹配不上，則根據(jù)SDN控制服務(wù)器所下發(fā)的引導(dǎo)路線策略，選擇左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)和直行三種方式行駛。若小區(qū)域數(shù)值也匹配上，則根據(jù)引導(dǎo)路線策略，開始減速運(yùn)行，開始進(jìn)行車位號查找和匹配，以便行駛到相應(yīng)停車位后，開始進(jìn)行后續(xù)智能停車操作。

圖3 停車引導(dǎo)算法流程Fig.3 Flow chart of parking guidance algorithm

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 引導(dǎo)系統(tǒng)驅(qū)動模塊

在引導(dǎo)系統(tǒng)驅(qū)動模塊中，采用L298N驅(qū)動模塊對車輪上電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)行的停止、制動、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等功能[2]。其L298N驅(qū)動模塊線路連接圖如圖4所示，其電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動原理如表1所示。

在ENA使能狀態(tài)，才可以通過IN1，IN2輸入口對電機(jī)的運(yùn)行方向。若需要對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，則在使能端口輸出PWM脈沖，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速功能[3]。

圖4 L298N驅(qū)動模塊線路連接圖Fig.4 L298N driver module line connection diagram

表1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)原理Tab.1 Motor forward and reverse principle

3.2 引導(dǎo)系統(tǒng)控制系統(tǒng)

引導(dǎo)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)，一種STC公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器[4]，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、超有效的解決方案。在系統(tǒng)主要在停車運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備上采用單片機(jī)進(jìn)行控制，以便接收到區(qū)域分支調(diào)度器下發(fā)過來的運(yùn)行指令時，進(jìn)行解析處理和發(fā)送控制指令給相應(yīng)控制單元，進(jìn)行車輛運(yùn)行方向和速度的調(diào)節(jié)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 PWM調(diào)速原理及實(shí)現(xiàn)

PWM是指將輸出信號的基周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率的方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定周期的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。因此，PWM又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”[5]。脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時，速度增加；點(diǎn)擊斷電時。速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律改變通、斷電時間，即可讓點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速得到控制。其PWM信號圖如圖5所示。

圖5 PWM信號示意圖Fig.5 PWM signal diagram

其中PWM信號中的占空比D=t/T，其中t表示一個周期內(nèi)高電平的時間，T表示一個運(yùn)行周期時間，通過改變這個占空比D的值，可以來改變電機(jī)的速度[6]。其主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

（1）void pwm_out_left_moto （void）//左電機(jī)調(diào)速，調(diào)節(jié)push_val_left的值改變電機(jī)轉(zhuǎn)速

（2）void pwm_out_right_moto （void）//右電機(jī)調(diào)速，調(diào)節(jié)push_val_left的值改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.2 循跡模塊

紅外循跡模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，在位于地下停車場這種地方只有一種光線它能很好地感應(yīng)黑線而基本不會出現(xiàn)失誤，紅外循跡模塊具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到反射面（白色地板）時，紅外線發(fā)射回來被接收管接收[7]，經(jīng)過比較器電路處理器后，此時智能車后退方向往反方向行走；如模塊探測到黑線，則智能車倒退方向?yàn)橥较?，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號）；其工作電壓為3.3 V～5 V。

此套紅外光電傳感器固定在底盤后方同時貼近地面，用來智能車倒退探測黑線的貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射地面，光線經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出高電平信號；智能車經(jīng)過黑線時，發(fā)射端發(fā)射的光線被黑線吸收，接收端接收不到反射光線[8]，傳感器輸出低電平信號后送ST89C52單片機(jī)處理，判斷執(zhí)行哪一種預(yù)先編制的程序來控制智能車的行駛狀態(tài)，其實(shí)現(xiàn)主要算法流程如圖6所示。

圖6 循跡算法流程Fig.6 Sequential algorithm flow chart

4.3 通信模塊

系統(tǒng)測試模塊基于藍(lán)牙通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分支區(qū)域調(diào)度器與車輛上運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備之間的通信功能，其實(shí)現(xiàn)過程中主要分成了三大模塊。

1）UART 口初始化功能（UART_INIT）

該功能主要對UART口進(jìn)行通信參數(shù)的初始化和設(shè)置，其主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

2）藍(lán)牙發(fā)送功能

該功能模塊主要用來實(shí)現(xiàn)將需要發(fā)送的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)指令發(fā)送出去[9]，其實(shí)主要代碼如下所示：

3）藍(lán)牙接收功能

該功能模塊主要通過中斷信號方式，當(dāng)有需要數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，進(jìn)行藍(lán)牙接收功能的處理[7]，其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4.4 停車引導(dǎo)系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)解析模塊

該模塊主要對分支區(qū)域調(diào)度器發(fā)送給車輛上運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備上指令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以便根據(jù)解析結(jié)果，車輛采取相應(yīng)處理操作和動作。其實(shí)現(xiàn)主要代碼如下：

5 測試與驗(yàn)證

在停車引導(dǎo)系統(tǒng)的測試環(huán)節(jié)，采用小車樣機(jī)在模擬停車場環(huán)境下進(jìn)行停車操作測試。每個區(qū)域內(nèi)分支調(diào)度器根據(jù)所停車輛的目的停車位，根據(jù)地址最大匹配原則[10]進(jìn)行路線查找，發(fā)送指令數(shù)據(jù)給小車樣機(jī)上運(yùn)行引導(dǎo)控制系統(tǒng)，指導(dǎo)小車的運(yùn)行。測試過程如圖7所示。

圖7 測試過程Fig.7 Test process

首先小車樣機(jī)停在模擬停車場入口處，由用戶電腦作為SDN控制服務(wù)器，通過藍(lán)牙通信，給小車下發(fā)一個目的停車位地址，并向其區(qū)域分支調(diào)度器下發(fā)到達(dá)該目的停車位具體引導(dǎo)路線圖。當(dāng)小車開始運(yùn)行時，其上運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備就不斷定時地向區(qū)域分支調(diào)度器進(jìn)行廣播自己所需到達(dá)目的停車位地址[11]，由區(qū)域分支調(diào)度器根據(jù)最大地址匹配算法，進(jìn)行該目的停車位地址的尋找，并將小車運(yùn)行引導(dǎo)模塊或設(shè)備下發(fā)運(yùn)行指令，進(jìn)行直行或轉(zhuǎn)彎等運(yùn)行操作[12]，直至最后小車運(yùn)行到目的停車位，開始后續(xù)的停車操作。

6 結(jié)語

本文主要設(shè)計一種在軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制和運(yùn)行的分離，簡化了停車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少系統(tǒng)的硬件成本。由于車輛的停車運(yùn)行路線是由停車場SDN控制服務(wù)器統(tǒng)一計算和調(diào)度，避免了停車場擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。最后當(dāng)前所研究的停車引導(dǎo)系統(tǒng)，只解決了從停車場入口處到目的停車位之間運(yùn)行路線引導(dǎo)，并沒有考慮到如何將車輛自動導(dǎo)入車庫，這可能需要后續(xù)考慮的問題。