可聯(lián)網(wǎng)立體車庫智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛裕峰,牛 丹*,黃雪穎,李 濤,李 凡

(1.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京 210096;2.教育部“復(fù)雜工程系統(tǒng)測(cè)量與控制”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;3.江蘇聚力智能機(jī)械股份有限公司,江蘇 蘇州 215212)

近年來,隨著人們消費(fèi)能力水平的不斷提升,私家車數(shù)量逐年增加,如何利用有限的城市空間滿足日益增長的停車需求已成為當(dāng)前亟待解決的城市問題[1]．立體車庫的單位面積車容量大、建設(shè)成本低,并且有不同規(guī)模的工程設(shè)計(jì),能夠適應(yīng)不同容量的用戶需求[2]．因此深入研究立體車庫控制系統(tǒng),建造安全、可靠、穩(wěn)定、智能的立體車庫對(duì)日常生活具有重要意義．

智能立體車庫一般由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓輔助系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)組成,融合了機(jī)械、數(shù)控、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、傳感器、人工智能等技術(shù),是一種智能化、立體化的物流儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)[3]．自1920年美國建成第一座機(jī)械式升降立體車庫以來,其相關(guān)技術(shù)不斷向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的大趨勢(shì)發(fā)展[4]．如何利用計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存取、自主收費(fèi)、網(wǎng)上預(yù)約、遠(yuǎn)程管理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、故障診斷與預(yù)警,成為當(dāng)下立體車庫研究的主要方向[5]．由于可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)安全穩(wěn)定、板載資源豐富,目前國內(nèi)外的立體車庫設(shè)計(jì)多利用PLC控制車位擋板移動(dòng),車主停取車時(shí)可通過觸摸屏或識(shí)別集成電路卡啟動(dòng)控制[6]．目前主流的基于PLC的立體車庫控制系統(tǒng)可以管理單個(gè)立體車庫,但還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)無人立體車庫的聯(lián)網(wǎng)管理、車位信息發(fā)布、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能,無法滿足市場對(duì)智能立體車庫的需求．

本文設(shè)計(jì)的可聯(lián)網(wǎng)立體車庫智能控制系統(tǒng)采用進(jìn)階精簡指令集機(jī)器(advanced RISC machines,ARM)作為核心控制器[7],采用PLC控制機(jī)械結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了立體車庫環(huán)境的車牌識(shí)別系統(tǒng)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)和相關(guān)控制指令的網(wǎng)絡(luò)傳輸．實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無人立體車庫聯(lián)網(wǎng)管理、車位預(yù)約、在線付費(fèi)、云端可視化監(jiān)控、故障診斷和預(yù)警等功能．

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的立體車庫智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括三部分: 車位預(yù)訂和車庫管理云平臺(tái)、嵌入式控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)．其中,嵌入式控制系統(tǒng)包括基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)和基于數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)．

圖1 立體車庫智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of stereo garage intelligent control system

圖2 車位預(yù)訂和車庫管理云平臺(tái)控制軟件流程圖Fig.2 Software flow chart of parking space reservation and garage management cloud platform

車位預(yù)訂和車庫管理云平臺(tái)的功能有: ① 接收車庫智能控制器上傳的車庫相關(guān)數(shù)據(jù),并分別存入車位分配數(shù)據(jù)庫和車庫運(yùn)行數(shù)據(jù)庫中;② 接收車庫智能控制器上傳的待存車輛車牌信息,并存入計(jì)費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)庫中;③ 接收云門戶(網(wǎng)站或APP)發(fā)來的車位預(yù)訂信息,并與ARM控制器傳來的車牌信息對(duì)比,得出相應(yīng)存取命令發(fā)送給ARM控制器;④ 接收車庫運(yùn)營方的故障指令;⑤ 管理用戶、管理員信息;⑥ 計(jì)算停車費(fèi)用并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車庫智能控制器和云門戶端;⑦ 通過歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、診斷車庫運(yùn)行故障,并通過網(wǎng)絡(luò)推送到云門戶端．PLC系統(tǒng)控制電機(jī)升降橫移實(shí)現(xiàn)車輛出入,并通過光電開關(guān)檢測(cè)車位狀態(tài)、車庫運(yùn)行狀況以及限位開關(guān)狀態(tài),然后通過RS-485、RS-232等有線通信方式傳輸給ARM控制器．基于DSP的識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)車牌信息,并傳送至ARM控制器[9]．ARM控制器再通過以太網(wǎng)口、WiFi和GPRS等網(wǎng)絡(luò)通信方式將接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囄活A(yù)訂和車庫管理云平臺(tái)．

2 云平臺(tái)

車位預(yù)訂和車庫管理云平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)通信方式選擇、元器件選擇和通信電路設(shè)計(jì)．為滿足不同車庫環(huán)境的需要,云平臺(tái)和控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信擬采用以太網(wǎng)口、WiFi和GPRS方式,其對(duì)應(yīng)的元器件選擇和通信模塊設(shè)計(jì)如表1所示．云平臺(tái)控制軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示．

3 嵌入式控制系統(tǒng)

3.1 基于ARM的控制系統(tǒng)

基于ARM的控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)立體車庫與云平臺(tái)交互的信息中轉(zhuǎn)站,本文選擇STM32F429-IGT6作為其主控芯片,并設(shè)計(jì)相應(yīng)電源模塊(包括分壓電路、穩(wěn)壓電路、過載保護(hù)電路)、最小系統(tǒng)(包括時(shí)鐘電路、下載電路、復(fù)位電路等)、通信模塊(包括RS-485、RS-232通信電路等)、接口電路(包括DB9、RJ45接口電路)和保護(hù)電路(包括BAV99、TVS保護(hù)電路)．通過RS-485、RS-232等串口通信方式接收PLC控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、車位狀態(tài)、故障情況和車牌識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別的車牌信息,并將這些信息通過以太網(wǎng)口、WiFi和GPRS等方式發(fā)送給云平臺(tái),同時(shí)接收云平臺(tái)發(fā)來的車庫控制命令,再用串口通信的方式發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)．RS-485、RS-232等串口通信方式須設(shè)置相應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和校驗(yàn)方式．基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)之間采用HOST-LINK通信協(xié)議,與車牌識(shí)別系統(tǒng)之間采用自行設(shè)計(jì)的通信協(xié)議,與云平臺(tái)之間采用HTTP協(xié)議、POST方式和CJSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信．基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示．

表1 不同通信方式的元器件選擇和通信電路設(shè)計(jì)Tab.1 Component selection and communication circuit design for different communication methods

圖3 基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Software flow chart of ARM-based embedded control system

3.2 基于DSP的車牌識(shí)別系統(tǒng)

車牌識(shí)別系統(tǒng)要處理視頻流和圖片、進(jìn)行高速浮點(diǎn)運(yùn)算,須選擇高速DSP芯片作為其核心部件．本文在基于海思Hi3519芯片的嵌入式開發(fā)平臺(tái)上移植Linux系統(tǒng),采用交叉編譯方式運(yùn)行車牌識(shí)別算法．本系統(tǒng)的主機(jī)和單板通過串口連接傳輸命令行以及回顯嵌入式輸出,同時(shí)使用以太網(wǎng)口或JTAG連接進(jìn)行文件傳輸．交叉編譯過程主要包括制作交叉編譯工具、創(chuàng)建Linux環(huán)境、U-Boot移植、Linux內(nèi)核編譯、燒寫鏡像文件到SPI Flash等．

圖4為基于DSP的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程．車牌識(shí)別(plate recognize)算法主要包括車牌檢測(cè)(plate detect)和字符識(shí)別(chars recognize),前者負(fù)責(zé)定位源圖像中的車牌信息并截取作為后者的輸入．車牌檢測(cè)包括車牌定位(plate locate)和車牌判斷(plate judge)[8-10],進(jìn)行車牌檢測(cè)可以有效減少計(jì)算量,避免在視頻流的無車幀中浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間．字符識(shí)別包括字符分割(chars segment)和字符判斷(chars identify),字符分割將截取到的車牌圖片切分為若干個(gè)僅包含單個(gè)字符的圖片,并將其歸一化處理為同樣尺寸的待識(shí)別樣本．目前字符識(shí)別技術(shù)已相當(dāng)成熟,識(shí)別率較高,因此車牌識(shí)別算法的關(guān)鍵在于車牌定位的效果[11]．

圖4 基于DSP的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of the embedded license plate recognition system

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要控制電機(jī)模塊(控制車位板移動(dòng))、光電開關(guān)(檢測(cè)空余車位)、限位開關(guān)(檢測(cè)車位板位置)和安全裝置,接收相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù),針對(duì)ARM處理器發(fā)來的命令進(jìn)行響應(yīng)．根據(jù)PLC控制系統(tǒng)控制的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求,本文選用歐姆龍CP1E-N60型號(hào)的PLC控制系統(tǒng),其特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、界面友好、易于編程,能使用HOST-LINK通信協(xié)議通過RS-485和RS-232與上位機(jī)進(jìn)行通信．圖5是PLC控制系統(tǒng)的內(nèi)部接線情況．

圖6是PLC控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程．PLC控制系統(tǒng)和用戶直接交互,因此軟件設(shè)計(jì)中確保安全性比算法效率更重要,一旦發(fā)生故障系統(tǒng)將直接暫停．另外,PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的車位移動(dòng)算法時(shí),應(yīng)盡量使車位擋板的升降耗能最?。?/p>

5 安裝與測(cè)試

該系統(tǒng)在位于江蘇省蘇州市的某包含地上6層和地下2層的3列升降橫移式立體車庫進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)用化測(cè)試．在立體車庫現(xiàn)場安裝基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)控制箱、基于DSP的車牌識(shí)別攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備．系統(tǒng)的現(xiàn)場測(cè)試主要包括: ① PLC控制系統(tǒng)移動(dòng)車位板、采集傳感器數(shù)據(jù)、接收ARM控制系統(tǒng)命令的功能;② ARM控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)、云平臺(tái)的通信;③ 云平臺(tái)分配車位、響應(yīng)用戶需求、診斷故障的功能．

圖5 PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部接線圖Fig.5 Internal wiring of PLC control system

圖6 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Software flow chart of PLC control system

測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)立體車庫電機(jī)啟動(dòng)時(shí)回路電流較大,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大干擾．因此根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了抗電磁干擾的軟硬件解決方案并取得預(yù)期效果．測(cè)試過程中,用戶可以在云門戶的用戶界面查詢到附近立體車庫的車位情況,根據(jù)需要輸入車牌號(hào)和手機(jī)號(hào)預(yù)訂車位．然后用戶可以借助云門戶的導(dǎo)航服務(wù)到達(dá)預(yù)訂車庫,識(shí)別車牌后,智能控制器通過PLC系統(tǒng)把載車板移動(dòng)到停車處,駕駛員將車輛停到指定車板,系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭確定駕駛員安全離開后,控制PLC將車輛移動(dòng)到分配的車位．取車時(shí)云平臺(tái)根據(jù)停車時(shí)間計(jì)算費(fèi)用,用戶付款后智能控制器控制PLC取車．測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)基本達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求．

該系統(tǒng)對(duì)于提升立體車庫的智能化水平具有一定意義,通過簡單改裝就可以使現(xiàn)有的傳統(tǒng)停車場完成智能化升級(jí)．后續(xù)研究將加大系統(tǒng)實(shí)用化測(cè)試力度,進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性．