淺談立體車庫的自動(dòng)控制技術(shù)

（江蘇潤(rùn)邦智能車庫股份有限公司，江蘇 南京 211803）

0 引言

隨著我國全面進(jìn)入小康社會(huì)，私家車走進(jìn)了更多的家庭，成為人們生產(chǎn)生活中必不可少的交通工具。然而隨著我國汽車保有量的快速增長(zhǎng)，大量汽車涌進(jìn)城市，城市土地資源承受著著前所未有的壓力，其中停車位不足的問題尤為突出。在該背景下，政府和一些企業(yè)紛紛推出了立體車庫，希望通過對(duì)空間的高效利用，解決車位不足的問題。立體車庫的出現(xiàn)不僅可以緩解停車難的問題，還可以提高城市建設(shè)水平，是未來城市發(fā)展的重要方向之一。

1 立體車庫簡(jiǎn)介

立體車庫在結(jié)構(gòu)形式上可以分為很多種，主要是依據(jù)其運(yùn)動(dòng)的方式來進(jìn)行劃分，目前主要有垂直升降式、升降橫移式、垂直循環(huán)式和水平循環(huán)式等類型。其中，垂直升降式立體車庫是參考電梯的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通常在兩邊設(shè)置多層停車位，由升降臺(tái)和機(jī)械手共同完成存取車操作。升降橫移式采用的是一種多行多列多層式的立體結(jié)構(gòu)，層數(shù)擴(kuò)展比較容易，每層的車輛可以直接存取，但控制邏輯較復(fù)雜，要想提高安全性，會(huì)占用較多內(nèi)部空間。垂直循環(huán)式總結(jié)為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，各車位隨傳動(dòng)鏈做垂直方向的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，將空位或取車位運(yùn)送到出入口，這種結(jié)構(gòu)具有控制簡(jiǎn)單，占用空間小的特點(diǎn)。水平循環(huán)式立體車輛與垂直立體式車庫類似，只是運(yùn)動(dòng)方向變成水平。可見，不同結(jié)構(gòu)的立體車輛對(duì)控制系統(tǒng)的要求是不同的，但從控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路上看仍有很多共同之處[1]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立體車庫具有集成度高、功能多樣等特點(diǎn)，具有較高的控制要求。要做好立體車庫的自動(dòng)控制，關(guān)鍵在于控制器的設(shè)計(jì)。該文采用STM32 系列微處理器作為主控核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通用多層立體車庫的控制。為了提高系統(tǒng)的可靠性，對(duì)全部I/O 口都進(jìn)行了光電隔離，并對(duì)電源的輸出信號(hào)進(jìn)行了濾波[2]。立體車庫控制器采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，使各功能相對(duì)獨(dú)立，便于開發(fā)和調(diào)試，最后通過數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)把各模塊集成在一起。根據(jù)當(dāng)前通用立體車庫具有的功能和特點(diǎn)，該文充分發(fā)揮了STM32 的芯片的功能，實(shí)現(xiàn)了控制器功能的高度集成化?？刂破鞯闹饕δ苣K包括通信單元、I/O 單元、繼電器和信號(hào)處理單元等。還包括位移傳感器、限位傳感器、速度傳感器、照明系統(tǒng)、電源模塊以及存儲(chǔ)卡等外置單元。各功能模塊在STM32 芯片的統(tǒng)一調(diào)度下完成各項(xiàng)控制功能。

3 功能模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

立體車庫對(duì)高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的依賴性，從目前的技術(shù)來看，立體車庫的控制方式有很多，例如PLC、單片機(jī)、繼電器等，其中PLC 控制器在立體車庫的控制中有著最為廣泛的應(yīng)用，這與PLC 控制器本身的技術(shù)發(fā)展是直接相關(guān)的。然而，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，立體車庫的控制要求日益提高，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)如果不加以改造升級(jí)，很難適應(yīng)當(dāng)前立體車庫智能化和集成化的發(fā)展需求。

對(duì)于立體車庫而言，主控芯片不僅要完成基本的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，還需要完成大量的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算以及語音和圖像信號(hào)的高速傳輸，還要求具有強(qiáng)大的通信功能，以滿足組網(wǎng)和遠(yuǎn)程管理要求。在這種背景下，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，該文選用了STM32 單片機(jī)作為立體車庫的控制核心。該單片機(jī)芯片具有32 位處理能力，搭載了強(qiáng)大的Context-M3 內(nèi)核，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，芯片具有很多功能，提供了豐富的擴(kuò)展接口，可以滿足立體車庫的復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)處理要求。

在立體車庫的運(yùn)行過程中，必須有良好的環(huán)境支持，所以還需要采集多路傳感器數(shù)據(jù)作為控制的重要依據(jù)。傳感器信號(hào)經(jīng)控制器處理和解析后，先把控制信號(hào)發(fā)送給繼電器，由繼電器對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了滿足系統(tǒng)主從控制的需求，從機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線與主機(jī)相連。以STM32最小系統(tǒng)作為控制器的核心電路，采用3.3 V 直流電進(jìn)行供電，最小系統(tǒng)由晶振單元、電源模塊和復(fù)位電路組成。

3.2 輸入輸出模塊設(shè)計(jì)

車庫的運(yùn)動(dòng)需要采集大量的傳感器信號(hào)作為控制參數(shù)，一般來說，大多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)都是開關(guān)量，因此只需要使用STM32 本身的通用I/O 口就可以了。將傳感器輸出信號(hào)接入I/O 口后，通過程序?qū)ζ溥M(jìn)行掃描，即可實(shí)時(shí)讀取輸入信號(hào)[3]。實(shí)際上，為了提高安全性，傳感器信號(hào)通常不能直接接入I/O 口，而是要經(jīng)過光電隔離。該文采用TLP181 光電耦合器與上拉電阻的組成電路來對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行緩沖過濾，避免二極管和單片機(jī)由于過流而損壞。

考慮輸入輸出模塊有多種應(yīng)用要求，筆者同時(shí)對(duì)開關(guān)量的輸出分別設(shè)計(jì)了4 路上拉輸出接口和4 路下拉輸出接口，提高了系統(tǒng)的信號(hào)輸出能力。全部開關(guān)量輸出單元均通過光電耦合器進(jìn)行隔離。光電隔離技術(shù)大大提高了系統(tǒng)的安全性，由于輸入側(cè)等效阻抗一般很小，因此，信號(hào)受噪聲的影響也就可以忽略。另外，當(dāng)前的光電耦合器在耐壓設(shè)計(jì)上已經(jīng)十分強(qiáng)大，甚至可以直接承受上千伏的電壓，這對(duì)于電路保護(hù)也是有重要意義的。

由于單片機(jī)輸出的電平信號(hào)過小，不可能驅(qū)動(dòng)龐大的車庫運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此需要借助繼電器進(jìn)行功率輸出，完成車庫的運(yùn)動(dòng)控制。該文采用STM32 內(nèi)部集成的GPIO 電平控制器對(duì)小功率NPN 型硅管（S8050）的飽和與截止進(jìn)行控制，從而完成對(duì)繼電器輸出的控制。

3.3 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊實(shí)質(zhì)上是一系列功能不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口。STM32 具有豐富的通信接口，幾乎兼容所有的數(shù)據(jù)格式，，主控芯片內(nèi)部集成了以太網(wǎng)接口、PHY 芯片和RJ45 接口，為用戶提供了完善的局域網(wǎng)通信功能。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，可以通過網(wǎng)線將模塊信號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器或云平臺(tái)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)共享。

以太網(wǎng)接口通常是用戶首選的通信方式，這是因?yàn)樵跅l件允許的前提下，采用有線以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以獲得更高的傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性。以太網(wǎng)不僅可以直接通過路由設(shè)備接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，還可以通過4G 路由器實(shí)現(xiàn)無線通信。考慮到該模塊在后期物聯(lián)網(wǎng)上的廣泛應(yīng)用，專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的移動(dòng)通信接口，允許用戶通過GPRS、3G、4G 等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)單元或NB-IoT 單元實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，以適應(yīng)未來的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展[4]。

為了滿足近場(chǎng)通信數(shù)據(jù)傳輸，控制模塊還提供了RS-232、RS-485、UART 和CAN 總線接口，使用戶只需要一根串口線就能完成近場(chǎng)的調(diào)試或數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于目前的許多設(shè)備而言，串口通信仍然是必不可少的。模塊充分利用了STM32 內(nèi)部的通用同步/異步串行通信接口USART和UART。RS-485 通信接口采用外部擴(kuò)展設(shè)計(jì)，通過MAX3485 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以滿足4 通道的Modbus通信協(xié)議并行通信，數(shù)據(jù)傳輸速率峰值達(dá)10 Mbps。考慮到大規(guī)模工業(yè)控制的需求，還提供了CAN 總線接口，CAN數(shù)據(jù)收發(fā)由TAJ1050 芯片完成。

3.4 電源模塊設(shè)計(jì)

電源是實(shí)現(xiàn)控制器一切功能的基礎(chǔ)，為硬件電路提供能量來源，穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是保證控制器可靠工作的前提。因此，電源模塊的設(shè)計(jì)對(duì)于立體車庫自動(dòng)控制器的性能影響巨大。在設(shè)計(jì)電源的過程中，要充分考慮濾波、穩(wěn)壓、隔離和電氣保護(hù)等要求，提高電源的抗干擾性。該模塊采用了DC-DC 隔離電源芯片B1205S-2W，把24 V 直流電轉(zhuǎn)換到5 V 直流電，為光電耦合器、傳感器等模塊提供工作電壓。5 V 直流電再經(jīng)過LM2576-5 以及LM1117-3.3 線性穩(wěn)壓器，得到高度穩(wěn)定的3.3 V 直流電壓，為主控模塊供電。

為了避免電路之間的相互干擾，電源的各供電線路分別接獨(dú)立的地線，同時(shí)在電源輸入端接濾波電容，提高電壓穩(wěn)定性。通過接入熔斷器防止短路或過載造成設(shè)備燒壞，采用電感器過濾交流信號(hào)干擾，抑制諧波的生成。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)前一些立體車庫只注重硬件的控制，而不注重軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，硬件系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)最終還是需要通過軟件來體現(xiàn)。因此，為用戶提供一個(gè)良好的軟件環(huán)境十分重要。該文以3 層6 位立體車庫的控制為例，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在控制方式上，軟件系統(tǒng)為用戶提供了自動(dòng)和手動(dòng)2種模式。其中自動(dòng)控制模式是默認(rèn)的模式，也是正常情況下用戶使用的模式，可以為用戶提供一鍵存車、一鍵取車的便捷服務(wù)。手動(dòng)模式需要由用戶手動(dòng)進(jìn)行操作，具有一定的難度，沒有經(jīng)過培訓(xùn)一般很難順利完成，因此，手動(dòng)模式是在控制器故障的情況下采用的應(yīng)急功能，管理員對(duì)車庫進(jìn)行手動(dòng)操作，防止由于車庫系統(tǒng)故障造成無法取車。

車庫的主程序運(yùn)行原理為用戶先將車停到車位上，然后在操作面板上輸入信息，選擇存車或者取車功能，主程序會(huì)根據(jù)選擇的不同執(zhí)行相應(yīng)的子程序。下面以存車為例。系統(tǒng)首先對(duì)所有車位進(jìn)行掃描，找到車庫中最近的空車位。然后根據(jù)車位的位置生成控制指令順序，并發(fā)送給繼電器，由繼電器分別執(zhí)行，將車運(yùn)送到目標(biāo)車位。取車的流程與存車的恰好相反，在此不再贅述。

5 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用

該車庫在某市投運(yùn)了5 套系統(tǒng)，經(jīng)過了為期一年的試運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行高效可靠、平穩(wěn)安全，各項(xiàng)功能均可正常使用，顯著提高了市民存車取車的效率。該文設(shè)計(jì)的立體車庫控制系統(tǒng)具有一定的前瞻性、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性的特征，安全可靠、方便好用，較好地滿足了市民的停車需求，還成為了城市中的一道亮麗的風(fēng)景線。

6 結(jié)語

在不久的將來，各種形式的立體車庫將不斷出現(xiàn)在城市的每個(gè)角落?？梢灶A(yù)測(cè)，未來的立體車庫在空間利用率和智能化程度上會(huì)更高，成為人們?nèi)粘３鲂兴夭豢缮俚耐＼囋O(shè)施。該文設(shè)計(jì)的立體車庫自動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的使用價(jià)值，可以為立體車庫的設(shè)計(jì)提供借鑒。