智能停车引导系统的设计与研究.doc

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智能停车引导系统的设计与研究

摘要：

随着汽车工业的不断发展，停车问题逐渐显现。

本设计针对停车场引导技术进行研究，分析其原理。

然后使用红外传感器作为车位检测装置；使用AT89系列单片机作为停车场住控制器，控制引导显示；使用无线串行通信作为通信信道；使用个人计算机作为停车场显示界面；最后实现拥有“智能引导”功能的模拟停车场。

关键词：

无线传输；单片机；车位检测；显示程序

1绪论

1.1引言

随着经济的发展，人民生活水平的提升，汽车市场的繁荣引发了停车难题。

据统计，“全国机动车与停车位之比例约为3：

1①”。

经济发达的大中城市这一比例则更高，停车场建设已成为城市发展所面临的大问题。

根据我国机动车数量与停车位之比，以及国外发达国家停车产业的发展来看，停车难问题催生出了一个巨大的智能停车场管理设备市场。

新型的车位引导系统作为停车场管理系统的有力补充，从而形成了智能化更高的停车场管理系统。

车位引导系统能够对进出停车场的车辆进行有效引导和管理。

本系统实现的主要功能是引导人们更加方便快捷地停车，使停车场车位管理更加规范、有序，并且进一步提高停车场车位利用率。

“智能停车引导系统”在国外已得到了广泛应用，但是在国内只有较少大型停车场有类似的车位引导系统，因此本设计也有一定的实际意义。

1.2“智能停车引导系统”的介绍

1.2.1“智能停车引导系统”的定义

智能停车引导系统是为了对停车场车位状态进行判断，然后对停车场达到智能管理作用而设计的系统。

停车场车位引导系统主要用于大中型停车场，其工作原理是通过一定①陈秋玲，《停车场车位引导系统探析》，《智能建筑》，2006年07期。

的车位检测技术进行检测车位，从而判断出车位有无停放车辆，然后将各个车位停车情况通过一定的通信方式与控制计算机相连，控制计算机经过数据处理，将引导信号传给引导指示器，引导司机快速将汽车驶入空位。

停车场车位引导系统不但能够提高了停车场的使用率，使停车场管理更加便捷，还降低了大中型停车场的经营成本，大大提高了停车场的社会效益和经济效益。

从上面的信息我们可以清晰的看出：

“智能停车引导系统”是一个应用于停车场，通过车位检测模块检测数据，经过数据处理模块处理数据，并在引导指示模块显示信息的智能化系统。

1.3本系统的研究思路

1.3.1研究内容

本系统就停车场“智能停车引导系统”的设计进行探讨。

本设计通过模拟停车场引导系统，设计一个停车场模型来模拟这个系统来了解系统结构和原理。

1.3.2.系统设计的基本思路

本设计使用单片机为停车场的核心控制器，单片机系统采用C语言编程，接受外部输入信号，控制引导的显示；采用微型计算机为显示中心和数据处理核心中心，显示程序采用Delphi语言；采用无线串行通信为单片机和微型计算机的数据传输通道；外部信号的采集是通过红外传感器，将探测到的车位信息送交从单片机；人机接口方面采用LED灯，可以通过LED灯来显示引导信息；同时为了配合上述实现，还需要A/D转换器，电平标准转换等多种元器件或者芯片。

2系统方案选择与论证

2.1设计要求

“智能停车引导系统”应用到实际领域有很多不同要求，但是其大体思路与程序结构及功能都是类似的。

由于实际条件限制，本设计自行规定了一系列设计要求，以该要求作为本设计的最终目的：

1.下位机检测车位信息，通过无线串行通信传输给上位机，接收上位机引导信息并显示；

2.上位机实时显示停车场状态，并根据引导方式显示引导信息，引导信息通过无线串行通信传输给下位机。

2.2系统基本方案

根据课题要求，可将系统分为车位检测及引导显示模块、无线通信模块和上位机显示程序模块。

其中车位检测及引导显示模块包括：

主控制器、车位检测模块、引导显示模块；无线通信模块包括：

下位机无线通信模块和上位机无线通信模块。

主控制器

下位机无线通信模块

车位检测模块

引导显示模块

上位PC机

显示程序

上位机无线通信模块

图2.1：

“智能停车引导系统”的基本模块方框图

2.2.1各模块方案选择和论证

为实现各模块的功能，以下对各个模块分别做了几种不同的设计方案并进行了论证，并最终选择合适的方案。

1.控制模块

核心控制处理模块是整个系统的关键性单元。

第一它是车位信息的收集单元，通过车位检测的信息将在核心控制处理模块汇集，可以即时更新整个停车场的车位信息。

第二它控制着一个无线通信模块，把即时车位信息通过无线通信模块传输给中央计算机。

第三它通过无线通信模块接收中央计算机传输过来的引导数据，通过处理控制相应的引导灯显示，给予泊车者停车的引导信息。

根据以上要求可供选择的方案有：

方案一：

FPGA/CPLD

“FPGA/CPLD（现场可编程逻辑器件/复杂可编程逻辑器件）具有传统的门阵列的所有特点，内部阵列化的单元排列，具有通用性强、设计灵活、集成度高的特点，既适应集成工艺规则化的特点，又能满足不同用户多功能的要求。

它采用严格的同步逻辑设计，没有反馈环路、多时钟路径、三态逻辑、锁存器和异步复位、置位触发器等，只用了D触发器和逻辑门。

也就是借助综合工具，达到有效控制关键路径的延时，并预测具体实现技术的性能。

②”当然，这样会牺牲一部分FPGA资源，但由于硅技术的迅猛发展，硬件资源的浪费已显得微不足道。

方案二：

单片机

“单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小却比较完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

采用单片机实现可减少系统的外围电路，使系统结构更加简洁、性能更加安全可靠且使功能更加容易修改和扩展③。

”

虽然FPGA/CPLD与单片机相比有更高的学习效率和更高的运行效率，但是由于本系统需要的②张丹，贺西平，《基于单片机的超声波测距系统的设计》，《纺织高校基础科学学报》2008年01期；

③

运算速度和基本数据处理能力单片机已大大满足，考虑到成本及复杂度，选用单片机已经足够。

并且根据实际情况，选用AT89S52单片机比较合适。

2.车位检测传感器

“智能停车引导系统”的一个技术难点就是如何精确的检测停车位状态。

微处理器和中央计算机只有通过正确的车位状态信息才能对车位显示和引导路线的选择进行正确的控制，所以说一个精确的车位检测方法是这个系统实现的一个重要前提。

现今，主流的泊车位检测方法主要有四类：

超声波车位监测，地感线圈车位检测，视频图像车位检测和红外检测。

方案一:

超声波检测

“由于超声波车位检测器不易受干扰,安装方便,将超声波传感器安装在车位上面,向下发射超声波,超声波经过地面或车辆顶部反射又由传感器接收,可获取超声波传输的时间,从而计算出超声波传输的距离④”。

当泊位有车时,超声波传输的距离与无车时是不同的,由此可判断泊位上有无车辆停放。

超声波车位检测器的工作原理是通过测量距离来实现车位检测的。

它由三个部分构成:

单片机控制模块、超声波发射模块和超声波接收模块。

1.单片机控制模块主要负责40kHz超声波脉冲的产生与超声波在介质中传播的时间进行精确的计时。

2.超声波发射模块。

“为了提高发射强度,发射电路由反相器74LS04和超声波换能器构成,用推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端,可以提高超声波的发射强度。

输出采用两个反相器并联,用于提高驱动能力⑤”，如图2。

[6]图2.2：

由74ls04组成的超声波发射电路

3.超声波接受模块。

接收将超声波调制脉冲变为交变电压信号,经运算放大器放大后加至LM④高旭东，曹姗姗，《超声波车位检测器系统设计》，《黑龙江科技信息》2008年03期;

⑤张丹，贺西平，《基于单片机的超声波测距系统的设计》，《纺织高校基础科学学报》2008年01期。

567,如图3。

LM567是带有锁定环的音频译码集成块，通过调整能购鉴别40HZ的信号，然后通过一个信号线向外输出信号。

[7]图2.3：

超声波接收电路

方案二：

地感线圈车位检测

地感线圈检测车辆的基本原理如图4所示：

[8]图2.4：

地感线圈检测原理图

车位检测的核心器件是与地感线圈相连接的车辆感应器。

车辆感应器采用先进的锁相环技术。

当线圈上面没有车辆时，车辆感应器和地感线圈之间产生一个平衡点，车辆感应器输出一个低电平到CPU；当地感线圈上面有车辆时，地感线圈形成的磁场分布状况发生改变，车辆感应器输出高电平到CPU。

检测系统通过对两个信号进行检测判断，即可得到所需的车辆检测信号。

地感线圈检测具有以下优点：

1、使用简单，感应器只需要220V市电和12V直流供电；2、检测准确，采用了先进的锁相环技术；3、灵敏度高，具有很高的检测灵敏度，灵敏度可根据需要进行调节。

方案四：

视频图像车位检测

通常，一个摄像头可以同时监控多个车位，但是在检测现场的视频图像中，车位信息极易受到周边物体如树木、建筑物等的阴影和天气变化下雨天和太阳光照较强时等因素的影响通过对大量的检测现场视频图像的分析表明，发现车位上是否泊车存在3个特点：

1．对于单个车位，没有泊车时，该区域具有非常接近的灰度值，从而具有较小的方差有车辆停留时，车位范围内的车体、地面、车窗、车轮等具有不同的灰度，体现为较大的方差；

2．对于单个车位，没有泊车时，尽管由于天气、环境、光照等的影响，该区域图像与背景图像存在一定的线性相关性。

有车停留时，车位范围内车辆的信息与背景图像没有线性相关关系；

3．车辆不论颜色、大小都具有比较丰富的边缘信息，在天气变化时边缘信息也会保留，没有泊车时，车位内边缘信息较少，尽管有阴影，但阴影的边缘信息相对较少而有车停留时，车位内的车辆信息边缘丰富。

然后利用合适的图像处理方法来处理图像进行判别。

例如：

多特征车位检测算法利用了车位内有、无泊车特征差异的特点,提取出每个车位的多个特征参数,并利用这些参数进行联合判决,从而得出该车位有无泊车的结论。

方案五：

红外车位检测

红外光是一种不可见光波,它具有光的直线传播特性,红外光发射器发出红外光后,若遇阻碍物阻挡,将会产生红外光漫反射,当反射足够强时,红外光接收器能够接收并解调出该红外光信号。

换言之,当红外光接收器接收到红外光发射器所发射的信号后,说明在有效探测区域中有阻碍物存在。

当车位上有物体时就能在接收信号上出现变化，从而判别车位上是否有车。

由于基于视频图像技术的车位检测投入较大，成本较高，但精确程度高，适用于资金投入大，技术要求高的大型或超大型停车场。

超声检测和地感线圈检测技术，相对成本低，而且技术成熟，适用范围广。

超声检测装置安装需要安装在车辆上方一般适用于地下停车场，而地感线圈检测装置安装需要破坏地面，一般适用室外停车场。

虽然红外探测技术精确度不高而且受环境影响大，但考虑到实验条件以及课题要求，红外车位检测已经能满足所有要求，所以选择红外车位检测法。

3无线通信

无线通信主要实现无线数据传输功能。

无线传输的正确率与可靠率是整个系统的关键，它是整个系统的通信信道。

现今的无线通信方式主要有：

无线电、蓝牙和无线收发模块。

方案一：

无线电（卫星通信）

“卫星通信是一种利用地球上空的同步或非同步通信卫星作为中转来完成远距离通信的一种通信方式,主要特点是传输距离远、带宽大、频率高。

中频带通软件无线电结构即数字中频结构可以实现卫星通信,首先将数千兆的射频信号经过下变频处理,变换到几十