袁若辰，王連震，艾雨豪，陳梓明，張同聲，李沃陽

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

近年來，停車難已經(jīng)成為大城市面臨的嚴峻問題。部分區(qū)域車位數(shù)量嚴重不足和現(xiàn)有車位沒有得到有效利用，是造成停車難的兩個主要因素。鑒于土地資源有限，車位數(shù)量短期不會大幅增加。為了緩解停車難問題，可以從泊位資源的有效利用考慮，提高現(xiàn)有泊位的利用率。

國外學者較早提出了泊車管理系統(tǒng)概念，并采用相關(guān)技術(shù)獲取了車位狀態(tài)信息。歷史上第一套探測停車位信息的車位探測器的泊車誘導(dǎo)系統(tǒng)于2001年在華盛頓國際機場的停車場首次投入使用。隨后，2003年德國慕尼黑機場的停車場首次使用基于傳感器進行車位使用狀況探測的泊車系統(tǒng)。

隨著近年來“停車難”“難停車”問題凸顯，中國各大高校對車輛停放進行研究，取得了重大成果。例如，中山大學研究了一種基于視頻探測技術(shù)的停車場監(jiān)控系統(tǒng)，北京工業(yè)大學研究了一種基于空間位置重構(gòu)的自動泊車系統(tǒng)，北京交通大學研究了一種基于無模型自適應(yīng)控制技術(shù)的自動泊車系統(tǒng)。這些研究均很好地促進了行業(yè)的發(fā)展。

本文設(shè)計了一種基于紅外探測和無線傳輸?shù)牡叵虏次伙@示裝置，車主僅需通過手機終端便可知道地下停車場的車位使用情況，并選擇就近停車，有效提高了地下停車場車位利用率，緩解了停車難問題。

目前常用的泊位狀態(tài)探測技術(shù)主要有超聲波探測、紅外探測、環(huán)形線圈探測以及視頻探測等[1]。綜合考慮裝置效率、操作難度、經(jīng)濟成本以及地下停車場環(huán)境等因素，紅外探測器具有其他探測器無法比擬的優(yōu)勢，因此決定采用紅外線探測器作為本文的泊位探測裝置。

整個裝置的工作流程包括三個步驟：

（1）感應(yīng)傳輸階段：紅外線探測器檢會實時探測泊位信息，并將具體信息傳輸給將對應(yīng)的APP使用者。

（2）接收顯示階段：車主可通過APP終端獲取泊位空缺變化等信息。

（3）使用階段：車主通過提示信息準確找到相應(yīng)車位，車位被使用的信息再次被探測器檢測，從而傳輸給其他APP使用者，達到系統(tǒng)的動態(tài)工作過程循環(huán)。

1 感應(yīng)傳輸階段

感應(yīng)傳輸階段由紅外探測器和無線傳輸裝置 組成。

1.1 紅外傳感器工作原理

本文采用E18-D80NK-N型傳感器。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進行解調(diào)輸出，可有效避免可見光的干擾[2]。透鏡的使用使得這款傳感器最遠檢測距離為80 cm，具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格低、易于裝配以及使用方便等特點。

該傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該傳感器為NPN型光電開關(guān)，輸出狀態(tài)是0和1，即數(shù)字電路中的低電平和高電平。檢測到目標高電平輸出，正常狀態(tài)低電平輸出。當檢測到車位有車停入時為0輸出，即低電平；正常狀態(tài)為高電平輸出。本系統(tǒng)需要可以測得距離是否有變化的傳感器，而此種傳感器的測量測距離可以調(diào)整，所以該傳感器可以勝任。

發(fā)射器：當接入電源時，經(jīng)過整流模塊的整流穩(wěn)壓，驅(qū)動調(diào)制器，之后發(fā)射管接收到調(diào)制器所發(fā)出的電信號，通過光電二極管發(fā)出紅外信號。

接收器：當接入電源時，經(jīng)過整流模塊的整流穩(wěn)壓，驅(qū)動調(diào)節(jié)器和放大器放大和同步選通整形，然后用積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時（或不延時）觸發(fā)驅(qū)動器輸出光電開關(guān)控制信號。

光電開關(guān)一般都具有很好的回差性，即使被測物體在小范圍內(nèi)晃動也不會影響輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)[3]。當車輛駛?cè)腴e置泊位時，車輛遮擋一段時間的紅外發(fā)射器信號，致使紅外接收器無法收到信號，紅外接收器整合占位信號并發(fā)送給信號傳輸模塊，最終在顯示裝置上顯示為被占[4]。

1.2 紅外信號發(fā)射與接收的工作原理

圖2是紅外探測器信號發(fā)射接收的工作示意圖。

圖2 紅外探測器信號發(fā)射接收

紅外探測工作時分為信號發(fā)射與接收兩個過程，發(fā)射端將對應(yīng)的數(shù)字信號即遙控碼加載在載波上。承載著信號的載波發(fā)送出去，紅外接收頭里面有一個紅外光電二極管，此時通過放大等操作，最終把信號調(diào)制成電流信號，從而轉(zhuǎn)成所需要的遙控碼，輸出相應(yīng)功能[5]。

紅外信號接收裝置采用紅外熱稀電處理芯片，是一款高性能集成電路，能快速開啟各種負載裝置，適用于停車場、庫房以及走廊等敏感裝置[6]。運算放大器將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由耦合電容給運算放大器進行第二級放大，再經(jīng)由兩個電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動延遲時間定時器，然后輸出信號經(jīng)晶體管放大驅(qū)動繼電器去接通負載。

2 信息傳輸系統(tǒng)

車位使用狀態(tài)信息的傳輸系統(tǒng)包含由單片機控制的信息采集器，與每個車位安放的紅外探測器連接進行信息采集，以收集相應(yīng)車位信息[7]。隨后相應(yīng)信息將借助中繼器傳入網(wǎng)絡(luò)，并最終被接收裝置接收。

2.1 信息傳輸模塊

信息傳輸系統(tǒng)的工作過程（采集-處理-傳輸-接收），如圖3所示。

圖3 信息傳輸系統(tǒng)的工作流程

（1）泊位信息采集：采用紅外探測器。

（2）控制中心：將收集到的泊位使用信息加工處理后，向后臺傳輸至后臺處理器[8]。

（3）信息發(fā)布子系統(tǒng)：將泊位使用信息發(fā)布在地下車庫外的顯示屏和APP終端。

2.2 信息傳輸系統(tǒng)

2.2.1 地下停車場信號問題

地下停車場由于受所處環(huán)境限制，信號往往較弱，而本文裝置需實時檢測車位使用情況。調(diào)頻無線發(fā)射與接收裝置的無線信道在傳播過程中，復(fù)雜且時變的環(huán)境會引起信號自由空間路徑損耗、多徑衰落以及陰影衰落等衰減損耗。為了解決此影響，提出在地下停車場中安裝信號發(fā)射基站，用于信號接收和中轉(zhuǎn)。需要說明的是，發(fā)射基站位置的選擇取決于地下車庫的具體位置信息。

2.2.2 車位信息的傳輸

本文使用紅外線探測器、單片機以及與嵌入式無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片構(gòu)成信息傳輸模塊。利用車位使用信息的二值性，使車位使用狀態(tài)為“0”與“1”的狀態(tài)值。由于地下停車場通常光線較為昏暗,實地尋找車位比較困難，配套的指引裝置能幫車主快速找到目標泊位。

裝置如圖4所示，其中1為泊位，2和3分別為通了工作電流的指示燈和紅外探測器。紅外探測器將獲得的車位信息交由單片機編碼，再由無線收發(fā)模塊建立通信，后臺接收數(shù)據(jù)后進行解碼與識別處理，再將數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用終端端口。APP終端程序完成車位狀態(tài)判斷、相應(yīng)停車時間以及車輛統(tǒng)計等信息顯示。

圖4 泊位模擬

2.3 信息傳輸模塊工作過程

信息傳輸將由調(diào)頻無線發(fā)射機和接收機完成。紅外傳感器發(fā)出的泊位信息將由調(diào)頻無線發(fā)射接收機接收，然后發(fā)送至后臺程序加以處理。

發(fā)射機采用變?nèi)荻O管與壓控振蕩器直接調(diào)頻方式，然后輸出給高頻功率放大器，將調(diào)頻信號發(fā)射，原理如圖5所示。

圖5 發(fā)射機原理

接收機盡可能選擇單功能模塊進行設(shè)計，原理如圖6所示。

圖6 接收機原理

此外，前置低噪聲放大器、混頻器和鑒頻器選用集成電路、中頻放大器雙調(diào)諧放大器實現(xiàn)相應(yīng)功能。這一系列設(shè)計可使信號傳輸更有效，提升工作效率，且有效降低材料成本。

3 接收顯示裝置

接收顯示和使用階段主要由泊位顯示系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)是以電影院選座系統(tǒng)作為參照。車主登陸該系統(tǒng)后，可通過該界面選擇特定的車位，每個車位都附有其具體位置的提示。界面中，每一個button代表一個車位，顯示空白代表空閑車位，顯示黑色代表以占用，在車主點擊占用并跳轉(zhuǎn)到鎖定界面。

本文采用服務(wù)器數(shù)據(jù)直傳到客戶端的方式：在APP客戶端顯示車位選擇主界面系統(tǒng)，車主點擊紅色空閑車位占用，跳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到鎖定界面。泊位信息由紅色空閑變?yōu)樗{色占用；車主取車后，泊位信息將自動變化，APP的計時計費系統(tǒng)會提示車主支付停車費，并且其他車主將會看到本車位的實時信息，由此實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)工作過程循環(huán)。

4 結(jié) 語

本文通過紅外線探測器和無線傳輸裝置的結(jié)合使用，實現(xiàn)泊位信息的實時傳輸。具體地，紅外探測具有探測穩(wěn)定、抗干擾能力強以及靈敏度高等優(yōu)點。調(diào)頻無線發(fā)射接收裝置功率、能耗較低，可以實現(xiàn)信號的實時傳輸。此外，通過開發(fā)客戶端APP，用戶可以直接通過手機進行選位、停車以及付費等一系列操作，由此大大提高了地下停車場的使用率。本文詳細介紹了裝置的具體原理和方案，裝置以效率高、成本低以及操作方便等優(yōu)點，為地下泊位管理系統(tǒng)提供了一種新選擇。