基于紅外探測和無線傳輸?shù)牡叵虏次伙@示裝置*

袁若辰，王連震，艾雨豪，陳梓明，張同聲，李沃陽

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

近年來，停車難已經(jīng)成為大城市面臨的嚴(yán)峻問題。部分區(qū)域車位數(shù)量嚴(yán)重不足和現(xiàn)有車位沒有得到有效利用，是造成停車難的兩個(gè)主要因素。鑒于土地資源有限，車位數(shù)量短期不會(huì)大幅增加。為了緩解停車難問題，可以從泊位資源的有效利用考慮，提高現(xiàn)有泊位的利用率。

國外學(xué)者較早提出了泊車管理系統(tǒng)概念，并采用相關(guān)技術(shù)獲取了車位狀態(tài)信息。歷史上第一套探測停車位信息的車位探測器的泊車誘導(dǎo)系統(tǒng)于2001年在華盛頓國際機(jī)場的停車場首次投入使用。隨后，2003年德國慕尼黑機(jī)場的停車場首次使用基于傳感器進(jìn)行車位使用狀況探測的泊車系統(tǒng)。

隨著近年來“停車難”“難停車”問題凸顯，中國各大高校對(duì)車輛停放進(jìn)行研究，取得了重大成果。例如，中山大學(xué)研究了一種基于視頻探測技術(shù)的停車場監(jiān)控系統(tǒng)，北京工業(yè)大學(xué)研究了一種基于空間位置重構(gòu)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)，北京交通大學(xué)研究了一種基于無模型自適應(yīng)控制技術(shù)的自動(dòng)泊車系統(tǒng)。這些研究均很好地促進(jìn)了行業(yè)的發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外探測和無線傳輸?shù)牡叵虏次伙@示裝置，車主僅需通過手機(jī)終端便可知道地下停車場的車位使用情況，并選擇就近停車，有效提高了地下停車場車位利用率，緩解了停車難問題。

目前常用的泊位狀態(tài)探測技術(shù)主要有超聲波探測、紅外探測、環(huán)形線圈探測以及視頻探測等[1]。綜合考慮裝置效率、操作難度、經(jīng)濟(jì)成本以及地下停車場環(huán)境等因素，紅外探測器具有其他探測器無法比擬的優(yōu)勢，因此決定采用紅外線探測器作為本文的泊位探測裝置。

整個(gè)裝置的工作流程包括三個(gè)步驟：

（1）感應(yīng)傳輸階段：紅外線探測器檢會(huì)實(shí)時(shí)探測泊位信息，并將具體信息傳輸給將對(duì)應(yīng)的APP使用者。

（2）接收顯示階段：車主可通過APP終端獲取泊位空缺變化等信息。

（3）使用階段：車主通過提示信息準(zhǔn)確找到相應(yīng)車位，車位被使用的信息再次被探測器檢測，從而傳輸給其他APP使用者，達(dá)到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程循環(huán)。

1 感應(yīng)傳輸階段

感應(yīng)傳輸階段由紅外探測器和無線傳輸裝置 組成。

1.1 紅外傳感器工作原理

本文采用E18-D80NK-N型傳感器。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，可有效避免可見光的干擾[2]。透鏡的使用使得這款傳感器最遠(yuǎn)檢測距離為80 cm，具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格低、易于裝配以及使用方便等特點(diǎn)。

該傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該傳感器為NPN型光電開關(guān)，輸出狀態(tài)是0和1，即數(shù)字電路中的低電平和高電平。檢測到目標(biāo)高電平輸出，正常狀態(tài)低電平輸出。當(dāng)檢測到車位有車停入時(shí)為0輸出，即低電平；正常狀態(tài)為高電平輸出。本系統(tǒng)需要可以測得距離是否有變化的傳感器，而此種傳感器的測量測距離可以調(diào)整，所以該傳感器可以勝任。

發(fā)射器：當(dāng)接入電源時(shí)，經(jīng)過整流模塊的整流穩(wěn)壓，驅(qū)動(dòng)調(diào)制器，之后發(fā)射管接收到調(diào)制器所發(fā)出的電信號(hào)，通過光電二極管發(fā)出紅外信號(hào)。

接收器：當(dāng)接入電源時(shí)，經(jīng)過整流模塊的整流穩(wěn)壓，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器和放大器放大和同步選通整形，然后用積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器輸出光電開關(guān)控制信號(hào)。

光電開關(guān)一般都具有很好的回差性，即使被測物體在小范圍內(nèi)晃動(dòng)也不會(huì)影響輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)[3]。當(dāng)車輛駛?cè)腴e置泊位時(shí)，車輛遮擋一段時(shí)間的紅外發(fā)射器信號(hào)，致使紅外接收器無法收到信號(hào)，紅外接收器整合占位信號(hào)并發(fā)送給信號(hào)傳輸模塊，最終在顯示裝置上顯示為被占[4]。

1.2 紅外信號(hào)發(fā)射與接收的工作原理

圖2是紅外探測器信號(hào)發(fā)射接收的工作示意圖。

圖2 紅外探測器信號(hào)發(fā)射接收

紅外探測工作時(shí)分為信號(hào)發(fā)射與接收兩個(gè)過程，發(fā)射端將對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)即遙控碼加載在載波上。承載著信號(hào)的載波發(fā)送出去，紅外接收頭里面有一個(gè)紅外光電二極管，此時(shí)通過放大等操作，最終把信號(hào)調(diào)制成電流信號(hào)，從而轉(zhuǎn)成所需要的遙控碼，輸出相應(yīng)功能[5]。

紅外信號(hào)接收裝置采用紅外熱稀電處理芯片，是一款高性能集成電路，能快速開啟各種負(fù)載裝置，適用于停車場、庫房以及走廊等敏感裝置[6]。運(yùn)算放大器將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由耦合電容給運(yùn)算放大器進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由兩個(gè)電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，然后輸出信號(hào)經(jīng)晶體管放大驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。

2 信息傳輸系統(tǒng)

車位使用狀態(tài)信息的傳輸系統(tǒng)包含由單片機(jī)控制的信息采集器，與每個(gè)車位安放的紅外探測器連接進(jìn)行信息采集，以收集相應(yīng)車位信息[7]。隨后相應(yīng)信息將借助中繼器傳入網(wǎng)絡(luò)，并最終被接收裝置接收。

2.1 信息傳輸模塊

信息傳輸系統(tǒng)的工作過程（采集-處理-傳輸-接收），如圖3所示。

圖3 信息傳輸系統(tǒng)的工作流程

（1）泊位信息采集：采用紅外探測器。

（2）控制中心：將收集到的泊位使用信息加工處理后，向后臺(tái)傳輸至后臺(tái)處理器[8]。

（3）信息發(fā)布子系統(tǒng)：將泊位使用信息發(fā)布在地下車庫外的顯示屏和APP終端。

2.2 信息傳輸系統(tǒng)

2.2.1 地下停車場信號(hào)問題

地下停車場由于受所處環(huán)境限制，信號(hào)往往較弱，而本文裝置需實(shí)時(shí)檢測車位使用情況。調(diào)頻無線發(fā)射與接收裝置的無線信道在傳播過程中，復(fù)雜且時(shí)變的環(huán)境會(huì)引起信號(hào)自由空間路徑損耗、多徑衰落以及陰影衰落等衰減損耗。為了解決此影響，提出在地下停車場中安裝信號(hào)發(fā)射基站，用于信號(hào)接收和中轉(zhuǎn)。需要說明的是，發(fā)射基站位置的選擇取決于地下車庫的具體位置信息。

2.2.2 車位信息的傳輸

本文使用紅外線探測器、單片機(jī)以及與嵌入式無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片構(gòu)成信息傳輸模塊。利用車位使用信息的二值性，使車位使用狀態(tài)為“0”與“1”的狀態(tài)值。由于地下停車場通常光線較為昏暗,實(shí)地尋找車位比較困難，配套的指引裝置能幫車主快速找到目標(biāo)泊位。

裝置如圖4所示，其中1為泊位，2和3分別為通了工作電流的指示燈和紅外探測器。紅外探測器將獲得的車位信息交由單片機(jī)編碼，再由無線收發(fā)模塊建立通信，后臺(tái)接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼與識(shí)別處理，再將數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用終端端口。APP終端程序完成車位狀態(tài)判斷、相應(yīng)停車時(shí)間以及車輛統(tǒng)計(jì)等信息顯示。

圖4 泊位模擬

2.3 信息傳輸模塊工作過程

信息傳輸將由調(diào)頻無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)完成。紅外傳感器發(fā)出的泊位信息將由調(diào)頻無線發(fā)射接收機(jī)接收，然后發(fā)送至后臺(tái)程序加以處理。

發(fā)射機(jī)采用變?nèi)荻O管與壓控振蕩器直接調(diào)頻方式，然后輸出給高頻功率放大器，將調(diào)頻信號(hào)發(fā)射，原理如圖5所示。

圖5 發(fā)射機(jī)原理

接收機(jī)盡可能選擇單功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，原理如圖6所示。

圖6 接收機(jī)原理

此外，前置低噪聲放大器、混頻器和鑒頻器選用集成電路、中頻放大器雙調(diào)諧放大器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。這一系列設(shè)計(jì)可使信號(hào)傳輸更有效，提升工作效率，且有效降低材料成本。

3 接收顯示裝置

接收顯示和使用階段主要由泊位顯示系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)是以電影院選座系統(tǒng)作為參照。車主登陸該系統(tǒng)后，可通過該界面選擇特定的車位，每個(gè)車位都附有其具體位置的提示。界面中，每一個(gè)button代表一個(gè)車位，顯示空白代表空閑車位，顯示黑色代表以占用，在車主點(diǎn)擊占用并跳轉(zhuǎn)到鎖定界面。

本文采用服務(wù)器數(shù)據(jù)直傳到客戶端的方式：在APP客戶端顯示車位選擇主界面系統(tǒng)，車主點(diǎn)擊紅色空閑車位占用，跳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到鎖定界面。泊位信息由紅色空閑變?yōu)樗{(lán)色占用；車主取車后，泊位信息將自動(dòng)變化，APP的計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)會(huì)提示車主支付停車費(fèi)，并且其他車主將會(huì)看到本車位的實(shí)時(shí)信息，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作過程循環(huán)。

4 結(jié) 語

本文通過紅外線探測器和無線傳輸裝置的結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)泊位信息的實(shí)時(shí)傳輸。具體地，紅外探測具有探測穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)頻無線發(fā)射接收裝置功率、能耗較低，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸。此外，通過開發(fā)客戶端APP，用戶可以直接通過手機(jī)進(jìn)行選位、停車以及付費(fèi)等一系列操作，由此大大提高了地下停車場的使用率。本文詳細(xì)介紹了裝置的具體原理和方案，裝置以效率高、成本低以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)，為地下泊位管理系統(tǒng)提供了一種新選擇。