孫二杰，孫冰瑩，神瑞寶，李偉，石震

（1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250101；2、國網(wǎng)山東節(jié)能服務(wù)有限公司）

引 言

本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下車庫燈光導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過燈光控制器對(duì)車位進(jìn)行檢測，然后通過算法為到來的車輛分配一個(gè)最近的空車位，最后通過控制該路徑上的照明燈完成對(duì)車主的引導(dǎo)。同時(shí)，該系統(tǒng)能合理控制車庫內(nèi)的照明，在保證車庫照度要求的情況下，避免了大量長明燈的存在，節(jié)約了電能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1為地下車庫燈光導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由控制中心計(jì)算機(jī)、車牌識(shí)別系統(tǒng)、通信控制器、無線燈光控制器組成。

無線燈光控制器主要由MSP430單片機(jī)、微波檢測模塊、超聲波檢測模塊、ZigBee 無線模塊、照明控制電路、電源及看門狗電路組成，如圖2所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

該控制器選用MSP430F149，因?yàn)樵撓盗袉纹瑱C(jī)是一種超級(jí)低功耗的混合信號(hào)處理器，具有簡潔的內(nèi)核、精簡的指令結(jié)構(gòu)、大量片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和豐富的尋址方式［13］。超聲波檢測模塊用來檢測車位占用情況及行車方向，超聲波檢測模塊通過將所測距離與其所安裝的高度進(jìn)行對(duì)比來確定車位是否被占用，假設(shè)無線燈光控制器安裝高度為3m，則規(guī)定：如果所測距離2.5m＜d≤3 m，則車位無車；如果0≤d≤2.5 m，則車位有車。

無線燈光控制器上安裝有兩個(gè)超聲波傳感器A、B，通過判斷這兩個(gè)超聲波狀態(tài)改變的先后順序來判斷車的行車方向，在沒有車輛經(jīng)過的情況下，A、B 的狀態(tài)均為無車，當(dāng)A 的狀態(tài)發(fā)生改變后，如果在很短的時(shí)間內(nèi)B的狀態(tài)也發(fā)生改變，則行車方向?yàn)橛葾 到B；反之，則行車方向?yàn)橛葿到A。微波檢測模塊用來檢測探測范圍內(nèi)是否有人或車輛移動(dòng)，如果有，照明控制電路點(diǎn)亮所控?zé)艟撸?s后燈具自動(dòng)熄滅?？撮T狗電路用來實(shí)時(shí)監(jiān)測程序運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)程序發(fā)生故障進(jìn)入死循環(huán)后，看門狗定時(shí)器溢出，從而引起看門狗中斷，給MCU 一個(gè)復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。

ZigBee模塊用于無線燈光控制器與主控制器之間的通信，ZigBee技術(shù)是一種低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高可靠性、高安全性的雙向無線通信技術(shù)，使用該通信方式可以避免有線電纜的鋪設(shè)，降低了系統(tǒng)的安裝成本與安裝難度。電源模塊用來給整個(gè)無線燈光控制器提供電源。照明控制電路主要是用來控制燈具的亮滅。

當(dāng)車輛入庫時(shí)，入口攝像頭獲取車輛的車牌信息，出入口控制管理計(jì)算機(jī)對(duì)車牌進(jìn)行識(shí)別。如果該車是長期用戶，則開啟道閘，放行車輛。若車牌信息不存在，說明該車為臨時(shí)車輛，發(fā)放臨時(shí)電子標(biāo)簽，開啟道閘，并對(duì)車輛進(jìn)行路徑規(guī)劃，并逐步給最短路徑上對(duì)應(yīng)的智能無線燈光控制器發(fā)出指令，智能無線燈光控制器控制相應(yīng)的燈具亮起，車輛經(jīng)過后，燈具自動(dòng)熄滅。車輛出庫時(shí)，無線燈光控制器判斷車輛離開車位，并將信息通過ZigBee發(fā)送到出入口控制管理計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)車輛位置以及出口位置，為出庫車輛規(guī)劃出一條最短路徑，并逐步給這條路徑上對(duì)應(yīng)的智能無線燈光控制器發(fā)出指令，智能無線燈光控制器控制相應(yīng)的燈具亮起，車輛經(jīng)過后，燈具自動(dòng)熄滅。

圖2無線燈光控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 無線燈光控制器設(shè)計(jì)

2.1 超聲波模塊設(shè)計(jì)

超聲波模塊可獨(dú)立工作，選用STC 系列的51單片機(jī)，為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力選用CD74ACT05M 驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭。超聲波接收采用CX20106A，該芯片內(nèi)含解調(diào)電路、前置放大電路等幾部分電路，該芯片體積小，同時(shí)接收角度寬、價(jià)格低。

首先由51單片機(jī)的定時(shí)器1產(chǎn)生頻率為40kHz的方波，由于單片機(jī)引腳驅(qū)動(dòng)能力弱，測量距離有限，所以將40kHz的方波信號(hào)分成兩路，送給由CD74ACT05M組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大，以便使測量距離足夠遠(yuǎn)、滿足使用要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T，以聲波形式發(fā)送到空氣中。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

上述超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后反射回來，超聲波接收探頭接收到回波后，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)CX20106A 內(nèi)部放大后再進(jìn)行限幅放大，變?yōu)榫匦蚊}沖后濾除干擾信號(hào)。檢波器濾掉載波檢出指令信號(hào)，當(dāng)接收信號(hào)與CX20106A 中心頻率相符時(shí)，由7引腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿。超聲波接收電路如圖4所示。

圖4 超聲波接收電路

2.2 微波調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為縮短研發(fā)時(shí)間，選用HB100微波模塊，該模塊主要是用來檢測探測范圍內(nèi)有無移動(dòng)車輛。然而微波模塊只能輸出峰峰值十分小的多普勒頻移信號(hào)，只有對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)千倍的放大，才能被單片機(jī)識(shí)別。為了滿足不同場合下對(duì)微波探測距離遠(yuǎn)近不同的要求，將R1設(shè)為可調(diào)電阻，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。為了防止干擾信號(hào)的干擾，需將偏置比較電路調(diào)節(jié)到一個(gè)相對(duì)合適的閾值［12］。微波調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 微波信號(hào)調(diào)理電路

2.3 照明控制電路設(shè)計(jì)

照明控制電路對(duì)燈具起到開關(guān)作用，當(dāng)有車輛進(jìn)入微波的探測范圍內(nèi)后，單片機(jī)接收到微波發(fā)出的多普勒信號(hào)，通過控制電路控制燈具的亮滅。

由于雙向可控硅具有開關(guān)速率快、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，所以選用BTA16作為該電路中的主要器件。選用光耦芯片MOC3041來進(jìn)行強(qiáng)弱電之間的電氣隔離，在輸入、輸出之間實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這樣內(nèi)部隔離電壓可達(dá)2 000V。根據(jù)光耦芯片的開關(guān)特性，將R27的阻值定為120Ω，這樣開關(guān)時(shí)間不到2μs，完全能滿足燈具控制的要求。照明控制電路如圖6所示。

圖6 照明控制電路

2.4 看門狗電路

在電路實(shí)際調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)程序有時(shí)會(huì)進(jìn)入死循環(huán)，為了解決這個(gè)問題，在電路中增加了看門狗電路，選用IMP706SESA，其作用是監(jiān)視程序運(yùn)行情況，通過不停地喂狗來判斷其工作狀態(tài)。該芯片使用簡單、功耗低、喂狗信號(hào)間隔最大1.6s，有利于保證單片機(jī)程序運(yùn)行的完整性。該芯片與單片機(jī)的接口電路如圖7所示。

3 停車場路徑規(guī)劃

車輛出入車庫時(shí)，首先主控計(jì)算機(jī)為該車輛規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑，并點(diǎn)亮該路徑上對(duì)應(yīng)的燈具，通過燈光對(duì)車主進(jìn)行導(dǎo)航。路徑規(guī)劃首先要根據(jù)環(huán)境進(jìn)行建模，環(huán)境建模在路徑規(guī)劃中起著關(guān)鍵性的作用。

在求解最優(yōu)路徑過程中，以柵格法對(duì)車庫進(jìn)行建模，路徑最短作為求解目標(biāo)，運(yùn)用啟發(fā)式最短路徑搜索算法中經(jīng)典的A＊搜索算法進(jìn)行求解。

3.1 A＊搜索算法

對(duì)于A＊搜索算法，首先要設(shè)計(jì)一個(gè)估價(jià)函數(shù)f（n）＝l（n）＋m（n），其中f（n）為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的估價(jià)函數(shù)，l（n）表示從起始節(jié)點(diǎn)到

圖7 看門狗電路

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際代價(jià)，m（n）表示從節(jié)點(diǎn)n到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)代價(jià)［6］。通過這個(gè)函數(shù)對(duì)下一步能夠到達(dá)的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，每次搜索時(shí)找到估價(jià)值最小的點(diǎn)，繼續(xù)往下搜索［7］。

A＊算法的具體步驟：

①創(chuàng)建一個(gè)OPEN 表和一個(gè)CLOSE 表，令兩個(gè)表為空，把起始點(diǎn)s放入OPEN 中。

②搜索OPEN 表中節(jié)點(diǎn)，若OPEN 表為空表，則表示沒有找到路徑，搜索失敗。

③若OPEN 表不為空，則從中選一個(gè)f值最小的節(jié)點(diǎn)為最佳節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)記為a，把它放入CLOSE表中。

④判斷節(jié)點(diǎn)a是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)e，若節(jié)點(diǎn)a是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則成功搜出一條路徑。

⑤若節(jié)點(diǎn)a不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)展，產(chǎn)生子節(jié)點(diǎn)a1、a2、……，對(duì)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行過程判斷（以子節(jié)點(diǎn)a1為例說明）：

a.如果a1已經(jīng)在OPEN 表中，計(jì)算l（a1），將OPEN表中原來的節(jié)點(diǎn)a1稱為子節(jié)點(diǎn)ob，比較l（a1）和l（ob）。如果l（a1）＜l（ob），則修改ob的父指針為a，修正l（ob）值，把較小值l（a1）賦給l（ob），相應(yīng)的更新f（ob）值；若l（a1）≥l（ob），則停止擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。

b.若a1已經(jīng)在CLOSE表中，則跳過該節(jié)點(diǎn)，返回步驟⑤，繼續(xù)擴(kuò)展其他節(jié)點(diǎn)。

c.若a1既不在OPEN 表中，又不在CLOSE 表中，則把它放入OPEN 表中，給a1加一個(gè)指向它的父節(jié)點(diǎn)a的指針，計(jì)算l（a1）。

⑥轉(zhuǎn)入第②步繼續(xù)循環(huán)，直到找到解或者無解退出為止。

3.2 計(jì)算實(shí)例

下面以一個(gè)具體的車庫為實(shí)例，利用A＊搜索算法搜索一條從入口到指定車位230的路徑，并顯示路徑上的無線燈光控制器編號(hào)。

根據(jù)車庫的CAD圖，可獲知車庫內(nèi)部環(huán)境的實(shí)際情況。因篇幅問題，這里只顯示包含入口點(diǎn)與終點(diǎn)車位的車庫局部電氣CAD圖，如圖8所示。圖中顯示了車庫內(nèi)部燈具以及車位分布等情況，并根據(jù)要求合理配置了智能無線燈光控制器。圖中代表熒光燈，↑代表智能無線燈光控制器，灰色方框代表車位），車位內(nèi)部的數(shù)字代表車位號(hào)，例如—表示車位號(hào)為197的車位［11］。

圖8 車庫局部電氣CAD圖

車庫路徑規(guī)劃算法仿真圖略——編者注，利用Visual C＃編譯工具，采用面向?qū)ο蟮恼Z言C＃，利用柵格法針對(duì)整個(gè)車庫建模，然后對(duì)該路徑算法進(jìn)行仿真。柵格規(guī)模為22×20，圍墻用深黑色柵格代表，車位無線燈光控制器用深灰色柵格代表。淺灰色柵格代表路徑柵格，白色柵格代表車道無線燈光控制器，帶斜線柵格代表路徑搜索過程中擴(kuò)展過的未被納入路徑的子節(jié)點(diǎn)。

經(jīng)過驗(yàn)證，A＊算法可以快速、高效地找到一條最短路徑，一旦車庫內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，可迅速重組地圖，以當(dāng)前位置為起點(diǎn)，再次調(diào)用A＊算法，搜索最短路徑。

結(jié) 語

針對(duì)地下車庫智能化程度低引起的泊車效率低、車庫照明控制方式落后引起的電能耗費(fèi)大的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種用于地下車庫的這種燈光導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的自動(dòng)導(dǎo)航，而且可以合理控制燈的亮滅，既方便了停車，又節(jié)約了能源。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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