（東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419）

近年來，人們經(jīng)濟水平的提高和汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，使得我國汽車保有量急劇增加，機動車輛增長速度已遠遠超過公路停車場等交通基礎(chǔ)設(shè)施的增長速度。以北京為例，2009年城市汽車保有量為480.9萬輛，經(jīng)營性停車場5 194個，經(jīng)營性停車位總數(shù)達125萬個。截至2014年底，全國機動車保有量達2.64億輛，機動車駕駛?cè)送黄?億。其中汽車駕駛?cè)顺^2.46億，駕齡不滿1年的駕駛?cè)? 967萬，占總數(shù)的9.82%。全國平均每百戶家庭擁有25輛私家車，北京每百戶家庭擁有63輛，廣州、成都等大城市每百戶家庭超過40輛。根據(jù)政府部門和城市交通管理部門的統(tǒng)計，停車場的數(shù)量以及停車位的數(shù)量都很有限，我國城市機動車停車位與保有量比例為1﹕5，停車位的占有率只有20%左右[1]，經(jīng)濟發(fā)達的大中城市這一比例則更低。遠遠小于汽車總量的停車位，已經(jīng)不能滿足當前用戶的停車需求，直接造成了城市停車難問題，且日益嚴重。

“車多位少”“停車難”不僅讓有車族頭疼，也影響城市交通有序和暢通，成為廣大老百姓關(guān)心的問題。同時，長時間的尋找停車位不僅是一種能源的浪費，更帶來環(huán)境污染和噪聲污染。因此，采用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等使城市停車管理及引導系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確、高效、全時段和全方位的城市車位管理，給城市管理機制帶來了創(chuàng)新和突破是非常必要的，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

一、整體方案設(shè)計

基于CAN總線的大型停車場智能引導系統(tǒng)按功能可分為四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、信息層和決策層。感知層由終端探測單元將車位信息通過CAN總線上傳；網(wǎng)絡(luò)層通過協(xié)議轉(zhuǎn)換將信息上傳至后臺管理計算機及數(shù)據(jù)庫；信息層對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息通過云計算、數(shù)據(jù)分析管理、流量監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等，實現(xiàn)如WEB百度地圖、搜索引擎、信息安全等各種公共服務(wù)平臺對數(shù)據(jù)的訪問及應(yīng)用；通過信息層的平臺開放接口，政府部門、交通局、旅游區(qū)、車輛輔助控制、手機客戶端等做出對應(yīng)決策行為[2-4]。

該智能引導系統(tǒng)主要由車位探測器、控制器、LED顯示屏、行車指示燈、計算機管理系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。實現(xiàn)的功能主要有以下幾點：1.LED顯示屏可以顯示總剩余車位數(shù)量和各區(qū)剩余車位數(shù)量；2.車輛探測器指示燈引導快速停車。車輛探測器指示燈安裝在過道等明顯地方，使駕駛員可以很遠就發(fā)現(xiàn)前方是否有空停車位并快速的找到停車位停車；3.公眾可通過停車APP實現(xiàn)車位查詢、車位預訂、錯時停車等功能；4.為管理者提供真實、可靠的分析數(shù)據(jù)，提高停車場管理水平；5.集中管理，將數(shù)據(jù)匯總，并進行數(shù)據(jù)挖掘和分析，為政府相關(guān)部門運營決策提供支持；6.通過道路車流數(shù)據(jù)分析，對停車位規(guī)劃和管理手段的實施效果進行量化評估；7.對路內(nèi)、路外停車場的停車數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，為城市停車位的規(guī)劃布局提供決策依據(jù)；8.開放數(shù)據(jù)接口，用于集成和擴張。

圖1 基于CAN總線的大型停車場智能引導系統(tǒng)拓撲圖

二、硬件設(shè)計

根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由主控芯片模塊、電源模塊、車位檢測器、行車指示燈、通訊設(shè)計、控制器及LED屏顯等部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

（一）主控芯片設(shè)計

本系統(tǒng)采用以STC15W408AS單片機為核心的方案。STC15系列單片機采用STC-Y5超高速CPU內(nèi)核，在相同的時鐘頻率下，速度又比STC早期的1T系列單片機（如STC12系列/STC11系列/STC10系列）的速度快20%。增強型單片機比普通8051的快8～12倍，工作電壓是2.5-5.5V。STC15W408AS內(nèi)部有8K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，擦出次數(shù)10萬次以上，有片內(nèi)EEPROM功能。

（二）電源設(shè)計

性能穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提?？紤]到系統(tǒng)因多節(jié)點和遠距離供電下的電壓衰減現(xiàn)象而導致的設(shè)備供電不穩(wěn)定，系統(tǒng)選用LM2576-5.0電源芯片為各模塊供電。該電源芯片是3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩(wěn)壓器（1.23V），并具有限流及熱關(guān)斷電路等完善的保護電路，只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路，且其輸入電壓為7～40V，工作電壓比較寬。

（三）車位檢測器設(shè)計

車位檢測器是通過超聲波測距來實時采集車位信息，并將車位狀態(tài)通過紅綠指示燈顯示出來，讓駕駛者一目了然知道是否有車位。本系統(tǒng)選用US-015超聲波模塊。US-015是目前市場上分辨率最高，重復測量一致性最好的超聲波測距模塊，分辨率可達0.5mm，測距精度高且可實現(xiàn)2cm～4m的非接觸測距功能，供電電壓為5V，工作電流為2.2mA，支持GPIO通信模式，工作穩(wěn)定可靠。模塊測距的時序如圖3所示。

圖3 US-015測距時序圖

如圖3所示，只需在Trig管腳輸入一個10US以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHz的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，通過Echo管腳輸出。根據(jù)Echo管腳輸出高電平的持續(xù)時間可以計算距離值。超聲波的速度與溫度有關(guān)，但在精度要求不嚴格的場合可以忽略溫度所帶來的影響，否則就應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右猿C正。

（四）行車指示燈設(shè)計

行車指示燈的作用在于指示某一區(qū)域總體的停車情況，如果該區(qū)域車位已滿，行車指示燈就在這區(qū)域的路口提前顯示已滿（用紅燈表示），避免司機朋友增加不必要的停車時間，從而帶來不必要的能源消耗與環(huán)境污染問題。該行車指示燈的安轉(zhuǎn)位置如圖4所示。圖中在入口的路口中有三個行車指示燈，自下至上代表著相應(yīng)區(qū)域的車位情況，最下面區(qū)域的車位已經(jīng)停滿，所以在入口處左拐的行車指示燈顯示紅色，提前告知司機此區(qū)域已經(jīng)停滿了，沒有車位了。中間區(qū)域有空車位所以入口處直行的行車指示燈是綠色，進入此區(qū)域的司機接下來就需要通過車位指示燈來引導到有空車位的區(qū)域，方便快速找到車位。

圖4 行車指示燈使用位置

（五）通訊設(shè)計

本系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式。CAN控制器是采用Microchip的MCP2515，它是一款獨立控制器局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器，完全支持CANV2.0B技術(shù)規(guī)范，能發(fā)送和接收標準和擴展數(shù)據(jù)幀以及遠程幀。MCP2515自帶的兩個驗收屏蔽寄存器和六個驗收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，因此減少了主單片機（MCU）的開銷。MCP2515與MCU的連接是通過業(yè)界標準串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）來實現(xiàn)的。

CAN接收器采用TJA1050，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接受性能。其在原有產(chǎn)品上做了改進之后，使得CANH和CANL理想配合，將電磁輻射減到更低，同時在有不上電節(jié)點時，性能有所改進。其自身所附帶的限流電路，保護發(fā)送器的輸出級，使由正或負電源電壓意外造成的短路不會對TJA1050造成損壞[5-9]。

（六）控制器及LED屏顯

控制器功能是將CAN總線上的信息通過處理得到我們需要的信息，將還有多少車位信息用LED屏顯示出來，司機在沒有進入停車場的時候就提前得知下面是否有空車位。

1.控制器

控制器由主控芯片STM32單片機和CSM100組成。CSM100系列UART轉(zhuǎn)CAN模塊集成微處理器、CAN-bus控制器、CAN-bus收發(fā)器、DC-DC轉(zhuǎn)換、高速光電隔離于一體。該產(chǎn)品可以很方便地嵌入到具有 UART接口的設(shè)備中，在不需改變原有硬件結(jié)構(gòu)的前提下使設(shè)備獲得CAN-bus通訊接口，實現(xiàn)UART設(shè)備和CAN-bus網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊。其中UART通道支持多種波特率。

CSM100將CAN總線上的信息通過UART的形式輸出，利用CSM100操作CAN-bus就如同操作UART一樣方便。如圖5所示為CSM100系列模塊的功能框圖。主控芯片同樣通過UART將CSM100輸出的信息接收到主控芯片中，進行處理得到具體空車位信息。

圖5 CSM100系列模塊的功能框圖

2.LED屏顯

LED屏幕采用市場上單紅色P10點陣屏?？刂破鲗⑿畔⑻幚砗弥?，將數(shù)據(jù)通過RS232傳輸發(fā)送到LED控制板上，從而實現(xiàn)空車位數(shù)量的實時顯示。

三、后臺軟件設(shè)計

后臺監(jiān)控系統(tǒng)是用Visual C++基于Windows平臺設(shè)計的用戶程序。其思路是車位探測器對不同ID的車位進行探測。為了保證數(shù)據(jù)足夠準確，每一個探測器需要統(tǒng)計規(guī)定時間內(nèi)的所檢測得到最多信號，并以這個信號為準，把對應(yīng)車位的ID和車位信息拼接成一種符合CAN數(shù)據(jù)幀的格式上傳到CAN總線，然后經(jīng)過CAN轉(zhuǎn)TCP/IP模塊，上傳至后臺監(jiān)控軟件，同時將數(shù)據(jù)存儲進數(shù)據(jù)庫，管理員就可以通過后臺監(jiān)控軟件時刻查詢了解停車場的實時情況。結(jié)合后臺軟件的監(jiān)控、日程安排、告警、事件管理和群組管理等功能，實現(xiàn)圖形化管理整個停車場，以電子地圖的形式直觀顯示當前停車場的車位信息，用豐富的色彩標識不同類型的車位和區(qū)分車輛停泊時間，從而實現(xiàn)車牌識別、計費、發(fā)票打印、歷史數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計、報表生成等功能[10-15]，功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，軟件流程圖如圖7所示。

圖6 功能結(jié)構(gòu)圖

圖7 軟件流程圖

后臺監(jiān)控軟件設(shè)計的核心是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要把CAN轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)換器上傳的數(shù)據(jù)進行逐一的采集分析并保存至數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集流程如下圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

作為后臺服務(wù)器的一個采集系統(tǒng)，要與轉(zhuǎn)換器取得相互之間的通信，首先需創(chuàng)建socket，如果創(chuàng)建不成功，則需要重新創(chuàng)建；反之，綁定本機的IP和端口號，供客戶端進行連接，此時等待著接收轉(zhuǎn)換器發(fā)來的數(shù)據(jù)。為了能夠存儲轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，得建立一個數(shù)據(jù)庫，庫中根據(jù)需要創(chuàng)建兩個表：狀態(tài)表和流水表，把相對應(yīng)的字段進行羅列和創(chuàng)建，當采集系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)時，需要把ID號和信號拼接成一條符合數(shù)據(jù)庫中的表的規(guī)則的記錄，然后進行存儲，最后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)，進行實時更新數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)。

四、小結(jié)

針對停車場和停車位的分布性特點，設(shè)計了基于CAN總線的大型停車場智能引導系統(tǒng)，利用超聲波測距原理能夠準確地檢測出車位使用狀態(tài)信息，采用4級拓撲結(jié)構(gòu)，將停車場誘導、控制、管理集成一體，遵循TCP/IP協(xié)議，將位于整個城市不同地方的停車場通過Internet連在一起，組成城域級綜合停車管理系統(tǒng)。電源的直流傳輸和LED光源的使用，使整系統(tǒng)安全、節(jié)能；同時系統(tǒng)安裝簡單、方便維護。該智能引導系統(tǒng)大大縮短了車主尋找車位時間，提高了停車場的使用率；同時也降低了工作人員的勞動強度，為減少無效交通、提高駕車出行效率、緩解“停車難”問題、節(jié)能減排、改善城市道路交通環(huán)境等問題提供便利，非常適用于各種大中型停車場和旅游區(qū)、火車站和購物中心等公共停車場。

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