基于物聯(lián)網(wǎng)的智能立體車庫創(chuàng)新實踐系統(tǒng)研制

陳嬌英陳延明

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院， 廣西南寧530004； 2.廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西南寧530001)

0 引言

我國各大中城市汽車的擁有量急速增加，開發(fā)應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)+無線傳感技術(shù)的智能立體車庫建設(shè)成為目前大中城市規(guī)劃建設(shè)的重要舉措[1-3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，智能立體停車場高層化規(guī)劃設(shè)計已成為解決城市靜態(tài)交通擁堵的有效措施[4]。文獻(xiàn)[5-6]報道了融合RFID無線射頻技術(shù)與ZigBee自組網(wǎng)實現(xiàn)高穩(wěn)定度的短距離物聯(lián)網(wǎng)控制。ZigBee自組網(wǎng)及手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制在各領(lǐng)域也得到廣泛開發(fā)應(yīng)用[7-10]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才培養(yǎng)問題凸顯重要，對接物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人才培養(yǎng)急需求，開發(fā)低成本、占地面積少、布置靈活、停車率高、安全可靠的智能化立體車庫創(chuàng)新實踐系統(tǒng)，目前尚未見有參考文獻(xiàn)報道。研制基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能立體停車庫創(chuàng)新實踐系統(tǒng)，是貫徹落實國家政策，開發(fā)創(chuàng)新科技實訓(xùn)基地，高速高效為社會培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用型人才的急速要求。成果作為一個科技創(chuàng)新實踐實驗平臺推廣應(yīng)用于中高職院校物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)，解決現(xiàn)代化城市智能交通規(guī)劃建設(shè)緊缺人才問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能立體車庫教學(xué)實訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。主要由管理服務(wù)器、中央控制器及5個控制點組成。

1.1 管理服務(wù)器

管理服務(wù)器負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的中心控制和數(shù)據(jù)保存，連接網(wǎng)關(guān)、pc電腦、智能安卓手機(jī)等。在瀏覽器內(nèi)輸入服務(wù)器地址，即可登陸到服務(wù)器的web管理界面，查詢到相關(guān)信息。

1.2 中央控制器

中央控制器包括網(wǎng)關(guān)及ZigBee協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)選用S5P4418處理器(ARM Cortex-A9)，具有開發(fā)應(yīng)用方便，教學(xué)應(yīng)用性強(qiáng)等特點。網(wǎng)關(guān)集成有ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，負(fù)責(zé)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各采集節(jié)點和控制節(jié)點進(jìn)行采集控制，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，負(fù)責(zé)ZigBee短距離無線傳感器局域網(wǎng)內(nèi)信息聯(lián)絡(luò)、交換、處理。

1.3 控制節(jié)點

① 道閘控制

在立體車庫的入口和出口各安裝一個道閘，道閘主要由Zigbee通信模塊及控制器、驅(qū)動電機(jī)等組成。道閘入口處安裝RFID電子標(biāo)簽，智能小車行駛到道閘入口處時，讀卡器讀取電子標(biāo)簽信息并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，小車自動停止等待道閘打開，同時道閘控制器接收到智能小車到達(dá)該入口信息，控制驅(qū)動電機(jī)擺閘打開，智能小車自動行駛通過，然后延時5 s打下道閘。

② 立體車庫

立體車庫的入庫及出庫控制系統(tǒng)由 STC15F2K60S2單片機(jī)、驅(qū)動電路、ZigBee通信模塊、光電隔離、直流電機(jī)、限位開關(guān)等組成，工作原理如圖2所示。

圖2 立體車庫工作原理Fig.2 Working principle of the vertical garage

整個立體車庫需要16個直流驅(qū)動電機(jī)(包括底部旋轉(zhuǎn)電機(jī)、垂直升降電機(jī)、平移電機(jī))及25個D-A93系列磁感應(yīng)限位開關(guān)。當(dāng)ZigBee路由器接收到網(wǎng)關(guān)ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來車輛入庫或出庫信號時，把信號傳輸給STC15控制器，控制器輸出控制指令驅(qū)動相應(yīng)電機(jī)工作，帶動托車盤接車運載送往目的地，通過限位開關(guān)檢測小車停車是否到位并通信給STC15控制器，同時把信息反饋給網(wǎng)關(guān)。

③ 智能小車

智能小車用于模擬客戶端車輛，整車由控制器(STC12C5A60S2單片機(jī))、ZigBee 通信模塊、紅外線光電傳感器、紅外線對管傳感器、125K讀卡器、驅(qū)動輪、萬向輪等組成。網(wǎng)關(guān)發(fā)出的控制指令，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給控制器控制智能小車自動駕駛。通過RFID射頻識別定位停車，選用軟磁軌道進(jìn)行路線循跡實現(xiàn)安全行駛。

④ 自動計費

自動計費系統(tǒng)主要由Zigbee通信模塊和電腦組成，Zigbee通信模塊根據(jù)接收到車輛的入庫及出庫時間進(jìn)行停車時間計算，依據(jù)收費標(biāo)準(zhǔn)及停車時間自動計算停車費用；收費標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)需要隨機(jī)調(diào)整，收費計算時間能精確到秒，收費計算金額能精確到“角”。

⑤ 車位顯示

該系統(tǒng)由STC8A單片機(jī)及LCD顯示模塊、Zigbee通信模塊等組成。接收Zigbee 協(xié)調(diào)器發(fā)來的智能小車信息?？娠@示空車位數(shù)量及空車位編號。LCD顯示采用320×240點陣的320240G-905-PL。JLX320240G-905-PC 型液晶顯示模塊作為普通的圖像型液晶顯示使用。

2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)如圖3所示。把RFID無線射頻技術(shù)與ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)融合一起，實現(xiàn)短距離物聯(lián)網(wǎng)，對靜止或移動車輛進(jìn)行自動識別，兩者結(jié)合使數(shù)據(jù)的采集和傳輸更加準(zhǔn)確可靠，使立體停車庫管理效率大大提高。通過服務(wù)器軟件可以實現(xiàn)車位預(yù)約、車輛出入車庫控制、收費等智能化管理。網(wǎng)關(guān)和ZigBee協(xié)調(diào)器連接一起，每個終端節(jié)點需要安裝一個ZigBee通信模塊，每個需要目標(biāo)定位點安裝一個對應(yīng)的RFID電子標(biāo)簽。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)通信示意圖Fig.3 Communication schematic of the Internet of Things

2.1 RFID射頻識別

RFID射頻技術(shù)(radio frequency identification, RFID)是一種簡單的無線系統(tǒng)。由電子標(biāo)簽和讀卡器組成，用于實現(xiàn)對智能小車的控制、檢測和跟蹤、定位。電子標(biāo)簽安裝于需要控制的目標(biāo)點，讀卡器安裝于智能小車上，智能小車上行駛到控制目標(biāo)點時，讀卡器讀取電子標(biāo)簽芯片的信息，并解碼發(fā)送至網(wǎng)關(guān)(中央處理器)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2.2 ZigBee自組網(wǎng)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域無線雙向通信技術(shù)，具有低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度等特點。通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)短距離通信，具備完整的應(yīng)答通訊協(xié)議，能靈活組織及擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，支持身份驗證和設(shè)備鑒權(quán)。ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)組建主要包括上電初始化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓?、?jié)點與網(wǎng)關(guān)通信三個過程。自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)初始化、給終端設(shè)備分配網(wǎng)址及接收路由器新的入網(wǎng)請求；路由器是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的樞紐，控制網(wǎng)絡(luò)中多跳路由選擇和新設(shè)備入網(wǎng)；終端設(shè)備只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖4 ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 ZigBee self-organizing network topology

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

立體車庫小車入庫、出庫的軟件流程如圖5所示。

需要存車入庫時，通過手機(jī)APP預(yù)約(或由系統(tǒng)隨機(jī)選空位)，智能小車自動循跡行駛至停車場入口處，立體車庫通過升降平移等一系列動作將拖車盤移到入口處，系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信給智能小車發(fā)送指令，智能小車駛?cè)肟胀熊嚤P，光電傳感器檢測到智能小車后即控制停車，同時發(fā)送指令給系統(tǒng)。系統(tǒng)控制立體車庫通過升降平移等一系列動作將承載智能小車的托車盤移動到指定停車位(或系統(tǒng)隨機(jī)空位)。出庫恢復(fù)到初始狀態(tài)，存車入庫操作完成，存車車位對應(yīng)的指示燈由綠色轉(zhuǎn)成紅色，同時系統(tǒng)更新顯示最新的空余車位數(shù)量。

需要取車時，系統(tǒng)接收到刷卡小車信息后控制立體車庫通過升降橫移將所取的小車托車盤移到出口處。系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信通知小車。小車循跡行駛至出口緩沖區(qū)，延時等待刷卡。系統(tǒng)獲取小車信息，在LED屏上顯示車牌號和本次停車扣費金額。道閘抬桿，智能小車自動駕駛離開。車庫恢復(fù)到初始狀態(tài)，取車車位對應(yīng)的指示燈由紅色轉(zhuǎn)成綠色，同時系統(tǒng)更新顯示最新空余車位數(shù)量。

圖5 入庫、出庫流程Fig.5 Flow chart of car entry and exit

圖6 實物圖Fig.6 Figure

4 系統(tǒng)測試

圖6所示是智能立體停車庫研制的實物圖，整體構(gòu)架尺寸(長×寬×高)為80 mm×60 mm×120 mm，搭建7層×2排共14個車位，其中4個固定車位，10個移動車位。升降部分用拉線限位結(jié)構(gòu)。具有升降橫移傳動特點。選用4輛智能小車注冊系統(tǒng)，分別編號為“01、02、03、04”，進(jìn)行入庫及出庫的測試。

4.1 系統(tǒng)上電初始化

系統(tǒng)接通電源，進(jìn)行初始化。

4.2 手機(jī)預(yù)約入庫

打開手機(jī)預(yù)約軟件進(jìn)行預(yù)約，圖7所示，“01號車入3號車位”、“02號車入1號車位”、“03號車入2號車位”，“4號車入4號車位”，每輛智能小車自動駕駛按預(yù)約成功入停對應(yīng)的車位，如圖8所示。

圖7 手機(jī)APP預(yù)約車位測試
Fig.7 Parking reservation test of APP

4.3 刷卡出庫

在刷卡機(jī)上刷03號小車停車卡，3號小車從03庫位成功出庫，測試結(jié)果如圖8所示。

反復(fù)隨機(jī)測試，實踐結(jié)果證明，ZigBee自組構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)便利節(jié)能，ZigBee局域網(wǎng)引入對智能車庫系統(tǒng)管理更加安全，外界干擾影響小、系統(tǒng)反應(yīng)靈敏 、魯棒性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，智能小車入庫及出庫準(zhǔn)確率達(dá)100 %，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

圖8 入庫、出庫測試結(jié)果Fig.8 Test results of the entrance and exit of garage

5 結(jié)語

通過RFID射頻自動識別智能小車信息，采用ZigBee自組局域物聯(lián)網(wǎng)，對智能小車入庫、出庫實現(xiàn)智能化控制和管理。經(jīng)多次測試驗證，ZigBee自組構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)便利節(jié)能，解決了網(wǎng)絡(luò)擁堵、數(shù)據(jù)丟包等關(guān)鍵問題，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、魯棒性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。ZigBee局域網(wǎng)引入對智能車庫系統(tǒng)管理更加安全，外界干擾影響小。該實訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用于職業(yè)院校物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)相關(guān)專業(yè)及創(chuàng)新科技實踐教學(xué)，具有成本低、發(fā)揮教學(xué)功效高等特點。該系統(tǒng)研制推廣應(yīng)用具有一定的市場前景及實用價值。