基于STM32的智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梅明杰，肖 波，韓 濤，楊袁江，李 斌，王 憬

（湖北師范大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，黃石 435002）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通服務(wù)逐漸智能化，智能交通在提升交通效率、保障安全、服務(wù)公眾等方面成效顯著，是未來交通發(fā)展的重要方向［1］。目前大多數(shù)停車場(chǎng)缺乏停車引導(dǎo)裝置，駕駛員在需要停車時(shí)無法及時(shí)獲取區(qū)域準(zhǔn)確停車資源信息，導(dǎo)致時(shí)間大多浪費(fèi)在尋找車位和等待車位上［2］。傳統(tǒng)停車引導(dǎo)裝置使用AR 識(shí)別技術(shù)，其價(jià)格昂貴且檢修維護(hù)復(fù)雜，需要上位PC機(jī)處理數(shù)據(jù)。

本文使用STM32 作主控芯片，并使用成本較低的光電傳感器為主采集模塊，能大幅降低停車引導(dǎo)裝置的成本，使停車引導(dǎo)裝置更好地普及，從而提升通行效率，增強(qiáng)出行幸福感，并讓停車場(chǎng)有了更大的車流量承載能力，一定程度上改善城市交通。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以STM32 為主控芯片的智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)，主要由光電傳感器模塊、攝像頭模塊、STM32F103 主控芯片、一級(jí)引導(dǎo)顯示屏、二級(jí)引導(dǎo)顯示燈組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其原理是通過光電傳感器模塊、攝像頭模塊采集停車場(chǎng)實(shí)況信息，顯示屏和指示燈顯示實(shí)時(shí)空閑車位余量和空閑車位分布情況，給駕駛員提供分級(jí)引導(dǎo)。其中光電傳感器安裝在各個(gè)停車位上，攝像頭懸掛，實(shí)施方式如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 采集模塊方位示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分包括STM32F103主控芯片、傳感器采集模塊和顯示模塊。

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用STM32F103芯片作為主控制器，該芯片是一種基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的單片機(jī)，具有高性能、低成本、低功耗嵌入式等特點(diǎn)［3］。對(duì)于停車引導(dǎo)系統(tǒng)，采用STM32 作為主控芯片能帶來更高的性價(jià)比和豐富的外設(shè)資源，其集成了I/O 系統(tǒng)，適用于停車場(chǎng)內(nèi)多車位光信號(hào)的采集，以及引導(dǎo)顯示屏的控制。主控芯片在工作時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)接收傳感器模塊采集的車位實(shí)況信息，處理后控制顯示模塊顯示正確引導(dǎo)信息。

2.2 傳感器采集模塊

本系統(tǒng)采用光電傳感器模塊進(jìn)行停車場(chǎng)內(nèi)光信號(hào)的采集，如圖3所示，該模塊集成了光敏電阻、可調(diào)電位器、LM393 電壓比較芯片、輸出指示燈等元件。傳感器安裝于停車場(chǎng)各個(gè)車位上，并根據(jù)不同位置的光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)電位器，以改變接在反相端INA-端的閥值翻轉(zhuǎn)電壓，使傳感器準(zhǔn)確判斷車位的遮光情況。

圖3 光電傳感器模塊原理圖

其中LM393 電壓比較器作模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將光敏電阻接收光照時(shí)產(chǎn)生的電阻值變化變成電壓信號(hào)傳遞給電壓比較器的同相輸入端INB+，變化的電壓信號(hào)與電壓比較器的反相輸入端INA-端的基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)同相端INB+電壓大于反相端INA-端電壓時(shí)，電壓比較器的輸出端OUT 輸出高電平電壓；當(dāng)同相端INB+電壓小于反相端INA-端電壓時(shí)，電壓比較器的輸出端OUT輸出低電平電壓。

在車位占用的遮光狀態(tài)時(shí)，光敏電阻的電阻值很大，電阻R1 與該光敏電阻組成的分壓點(diǎn)電壓升高，使同相端INB+電壓大于反相端INA-端電壓，電壓比較器的輸出端OUT 輸出高電平電壓，表示車位占用。在車位空余有光照時(shí)，光敏電阻的電阻值很小，電阻R1 與該光敏電阻組成的分壓點(diǎn)電壓下降，使同相端INB+電壓小于反相端INB-端電壓，電壓比較器的輸出端OUT 輸出低電平電壓，表示車位空余［4］。從而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)車位是否占用的判斷。

2.3 攝像頭采集模塊

攝像頭采集模塊采用OV5640 攝像頭，該攝像頭具有最高500 萬的像素，通過DVP 接口與主控芯片進(jìn)行連接?？奢敵霾蕡D、灰度等格式，并自動(dòng)對(duì)焦，調(diào)節(jié)圖像的飽和度及白平衡。在本系統(tǒng)中與光電傳感器配合使用，判斷停車位上的遮光物體是否為車輛，將識(shí)別結(jié)果傳輸?shù)街骺匦酒?，從而提高車位余量?jì)算的準(zhǔn)確性。

2.4 顯示模塊

本系統(tǒng)顯示模塊包括一級(jí)引導(dǎo)顯示屏和二級(jí)車位顯示燈，一級(jí)引導(dǎo)顯示屏置于停車場(chǎng)道路交匯口處，顯示相鄰?fù)＼嚪謪^(qū)的車位余量，二級(jí)車位顯示燈顯示本分區(qū)所有車位的占用情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的分級(jí)引導(dǎo)。其中一級(jí)引導(dǎo)顯示屏采用LCD12864 顯示屏，該屏幕由128 列64行的矩陣顯示點(diǎn)構(gòu)成，可顯示中文漢字和英文字符，為駕駛員提供更直觀的停車信息，實(shí)施方式如圖4所示。一級(jí)引導(dǎo)顯示屏只顯示相鄰分區(qū)的車位余量，為了給駕駛員提供完善的停車引導(dǎo)服務(wù)，需配合二級(jí)車位顯示燈。

圖4 一級(jí)引導(dǎo)顯示屏

二級(jí)車位顯示燈通過LED 燈的亮滅表示各個(gè)車位的占用情況，其中LED 燈串聯(lián)在傳感器輸出端，亮起表示該車位占用，如圖5 所示，LED 指示燈配合車位分布平面圖，可直觀地將本分區(qū)空余車位分布情況提供給駕駛員，幫助駕駛員選擇適合的停車位，完成停車引導(dǎo)。

圖5 二級(jí)車位顯示燈

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由采集程序設(shè)計(jì)和顯示器控制程序設(shè)計(jì)兩部分組成，其中采集程序?qū)⒐怆妭鞲衅骱蛿z像頭采集的數(shù)據(jù)處理并計(jì)算得出各分區(qū)車位余量，并由顯示器控制程序控制輸出到顯示屏中，完成分級(jí)停車引導(dǎo)［5］。

3.1 軟件設(shè)計(jì)任務(wù)

本系統(tǒng)需要讓STM32 主控芯片實(shí)時(shí)處理光電傳感器和攝像頭采集到的車位實(shí)況數(shù)據(jù)，判斷各車位占用情況，并計(jì)算各個(gè)分區(qū)的車位余量，通過并行口通信將各分區(qū)車位余量信息輸出到顯示屏，控制顯示屏顯示相鄰分區(qū)的車位余量信息。當(dāng)車位實(shí)況發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能檢測(cè)到并及時(shí)更新顯示屏上的引導(dǎo)信息，確保系統(tǒng)提供正確的停車引導(dǎo)服務(wù)。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示，初始化后開始第一個(gè)周期的車位余量檢測(cè)，計(jì)算出各分區(qū)的車位余量，通過顯示屏控制程序?qū)⒅付ǚ謪^(qū)的車位余量數(shù)據(jù)輸出顯示，完成本周期的停車引導(dǎo)任務(wù)，并以50 ms為周期循環(huán)進(jìn)行車位余量檢測(cè)和顯示，實(shí)時(shí)更新車位余量信息的顯示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 采集程序設(shè)計(jì)

主控芯片STM32 接收光電傳感器處理后的車位實(shí)況信息，并通過各個(gè)車位對(duì)應(yīng)引腳接收到的電平信號(hào)判斷該車位是否被占用。以A分區(qū)為例，定義整型變量NumA，依次判斷各車位占用情況，若車位空余，則NumA++，判斷完A區(qū)所有車位后得出A區(qū)剩余車位NumA，并將NumA數(shù)據(jù)輸出到顯示屏控制程序中進(jìn)行顯示，輸出本輪結(jié)果后延時(shí)，以50 ms為周期進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)的采集和處理，采集程序流程如圖7所示［6］。

圖7 光電傳感器采集流程圖

3.3 攝像頭程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用OV5640 攝像頭采集車位實(shí)況照片，通過車牌字模的模糊匹配算法識(shí)別車位上是否有車牌號(hào)，若未識(shí)別到車牌，則該車位可能被非車輛的其他物體遮光，并判斷為該車位處于空余狀態(tài)，流程如圖8 所示。攝像頭以QVGA 分辨率采集圖像后，對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理，存入主控芯片STM32 的RAM 中，完成初始化。隨后檢測(cè)圖片中的車牌邊緣并進(jìn)行圖像矯正，使車牌字符規(guī)整。矯正圖像后捕捉圖像中的字符圖像，并分割車牌圖像使字符獨(dú)立，將字符圖片與預(yù)存車牌號(hào)字體的字符模板比對(duì)并匹配，重合度達(dá)到設(shè)定值表示本次識(shí)別結(jié)果為車牌，并判斷該車位被占用；若識(shí)別不到車牌，則表示該停車位被其他物體、灰塵等遮光，或傳感器故障，判斷為車位空余。

圖8 攝像頭控制流程圖

3.4 顯示器控制程序設(shè)計(jì)

LCD12864 液晶顯示器是一種點(diǎn)陣型的液晶顯示器，其形式是128×64 個(gè)顯示單元，通過設(shè)定的初始化程序?qū)CD12864 顯示屏進(jìn)行初始化，以此來開啟顯示屏的液晶顯示，顯示屏控制流程如圖9所示。初始化完成后調(diào)用漢字顯示編碼，逐行完成漢字內(nèi)容的顯示，該內(nèi)容為固定內(nèi)容，不隨車位實(shí)況而變動(dòng)。隨后調(diào)用車位余量的計(jì)算結(jié)果，并調(diào)用對(duì)應(yīng)數(shù)字的字模編碼，顯示該車位余量數(shù)字，車位余量數(shù)字以50 ms為周期實(shí)時(shí)更新。其中漢字字模和數(shù)字字模均為16×16 像素的宋體，以32 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)儲(chǔ)存于數(shù)組中，對(duì)應(yīng)一個(gè)漢字或數(shù)字的256 bit 字模編碼，在顯示程序中被調(diào)用［7］。

圖9 顯示屏控制流程圖

4 調(diào)試與驗(yàn)證

4.1 仿真調(diào)試

本系統(tǒng)使用Keil 軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯，并在Proteus 軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試，仿真效果如圖10 所示，該顯示內(nèi)容會(huì)隨著傳感器采集的信號(hào)變化實(shí)時(shí)更新車位余量數(shù)字，顯示內(nèi)容與車位實(shí)況一致，且二級(jí)引導(dǎo)顯示燈正確顯示剩余車位分布情況。

圖10 仿真顯示效果

4.2 實(shí)物調(diào)試

在實(shí)物調(diào)試中，本系統(tǒng)使用SPI串行口通信控制OLED屏作為一級(jí)引導(dǎo)顯示屏，二級(jí)引導(dǎo)顯示燈中，紅色LED 燈亮起表示該車位占用，顯示效果如圖11 所示。經(jīng)驗(yàn)證，顯示模塊根據(jù)車位占用實(shí)時(shí)更新引導(dǎo)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)停車引導(dǎo)。

圖11 實(shí)物運(yùn)行效果圖

5 結(jié)語

本文在停車需求與汽車總量比例失調(diào)，且停車引導(dǎo)設(shè)施不完善的背景下，設(shè)計(jì)了智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)，此次設(shè)計(jì)完成了停車場(chǎng)各分區(qū)實(shí)時(shí)車位余量信息的顯示、車位占有情況的指示與停車引導(dǎo)。其中以STM32 為主控芯片，并采用了光電傳感器作為信息采集模塊，可大幅減少停車引導(dǎo)設(shè)備的生產(chǎn)與維護(hù)成本，并且STM32 主控芯片具有一定的擴(kuò)展性，可為停車場(chǎng)提供后續(xù)升級(jí)空間；光電傳感器相較于傳統(tǒng)的AR 智能識(shí)別技術(shù)具有更高的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，適合使用在形如地下停車場(chǎng)的光照強(qiáng)度固定場(chǎng)所，也為停車引導(dǎo)信息的顯示提供了便利。