黃海俊，黎冬梅，許媛媛，潘佳豪，黃日榮

（玉林師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

地下停車場(chǎng)作為城市交通配套設(shè)施中重要的一部分[1]，為駕駛員提供了方便的停車環(huán)境。然而，由于地下停車場(chǎng)位于地下水平面以下，面臨著排水問(wèn)題和阻水挑戰(zhàn)。特別是在降雨天氣或春季融雪時(shí)，地下停車場(chǎng)容易發(fā)生積水現(xiàn)象，給車輛和人員的安全帶來(lái)潛在威脅[2]。因此，設(shè)計(jì)和實(shí)施有效的車庫(kù)智能排水系統(tǒng)是解決地下停車場(chǎng)排水問(wèn)題的關(guān)鍵。

目前，傳統(tǒng)的車庫(kù)排水方式主要依賴于地面排水系統(tǒng)，然而，由于地下停車場(chǎng)位置相對(duì)低洼且受到地下水位因素的影響，常常出現(xiàn)排水不暢、積水嚴(yán)重甚至水浸事故頻發(fā)的情況[3]。為了有效解決這一問(wèn)題，本研究提出了一種基于STM32 的車庫(kù)智能排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)旨在通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控和排水、阻水功能來(lái)全面解決排水和阻水問(wèn)題。它能夠快速調(diào)整排水阻水機(jī)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)各種排水情況，顯著改善地下停車場(chǎng)的排水效果，提升用戶的停車體驗(yàn)和安全性。

1 系統(tǒng)方案概述

本文研究的車庫(kù)智能排水系統(tǒng)主要包括以下3 個(gè)模塊：控制模塊、傳感器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊?？刂颇K以基于STM32 的單片機(jī)為核心，通過(guò)接口與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制信號(hào)傳輸。傳感器模塊包括雨水傳感器和人體紅外感應(yīng)傳感器。用于監(jiān)測(cè)車庫(kù)內(nèi)的降雨情況和車輛進(jìn)出情況。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊包括百葉式排水機(jī)構(gòu)、剪叉式阻水機(jī)構(gòu)、活動(dòng)井蓋、抽水泵，根據(jù)傳感器模塊的信號(hào)和傳感器設(shè)置的限度，通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水、防倒灌和防止車庫(kù)被降雨水淹的功能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■2.1 剪叉式阻水升降機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)

如圖2 所示，是剪叉式阻水機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。為了實(shí)現(xiàn)阻水板的升降功能，選用了適當(dāng)規(guī)格和功率的電動(dòng)推桿作為驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)推桿通過(guò)固定連接于阻水板底部，并利用電源和控制器實(shí)現(xiàn)靈活控制。為了將電動(dòng)推桿的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為阻水板的垂直運(yùn)動(dòng)，采用了一種剪叉式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。該剪叉式機(jī)構(gòu)由兩個(gè)交叉的連桿組成，其中一個(gè)連桿固定在電動(dòng)推桿上，另一個(gè)連桿固定在阻水板上。當(dāng)電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，剪叉式機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑵渚€性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為阻水板的垂直運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)阻水板的升降功能。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效地將電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)傳遞到阻水板，使其能夠沿垂直方向升降。同時(shí)，通過(guò)合理選用電動(dòng)推桿的規(guī)格和功率，以及優(yōu)化連桿的長(zhǎng)度和比例，可以實(shí)現(xiàn)所需的升降高度和速度。

圖2 剪叉式阻水機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

■2.2 百葉式排水機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)

如圖3 所示，展示了百葉式排水機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用了平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并選擇舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)百葉的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。平行四桿機(jī)構(gòu)由舵機(jī)的輸出軸和兩個(gè)連桿組成。其中一個(gè)連桿固定在舵機(jī)的輸出軸上，而另一個(gè)連桿與百葉相連。通過(guò)合理設(shè)計(jì)連桿的長(zhǎng)度和比例關(guān)系，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以被轉(zhuǎn)化為百葉的平行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)百葉的同時(shí)開(kāi)閉。通過(guò)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，可以實(shí)現(xiàn)百葉的靈活開(kāi)啟和關(guān)閉操作，以確保車庫(kù)快速排水。這種簡(jiǎn)單而有效的平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為百葉式排水裝置提供了穩(wěn)定可靠的動(dòng)力傳輸方式。

圖3 百葉式排水機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■3.1 主控制器模塊

車庫(kù)智能排水系統(tǒng)采用STM32F103VET6 作為核心控制器，提供了多樣化的外設(shè)接口[5]。這些接口包括電源接口、外部傳感器接口、外部執(zhí)行器接口、I2C 總線接口和控制引腳。通過(guò)外部傳感器接口，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取車庫(kù)環(huán)境的參數(shù)信息，比如水量和人員出現(xiàn)情況。外部執(zhí)行器接口可用于控制排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以驅(qū)動(dòng)水泵或打開(kāi)排水閥門。同時(shí)，使用I2C 總線接口可以與其他設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。控制引腳則用于數(shù)據(jù)輸入輸出、定時(shí)任務(wù)和中斷處理。利用軟件編程，系統(tǒng)能夠智能地控制排水系統(tǒng)的啟停，根據(jù)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。這樣，車庫(kù)智能排水系統(tǒng)得以穩(wěn)定可靠地進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，顯著提升了系統(tǒng)的智能化水平。

■3.2 雨水傳感器模塊

車庫(kù)智能排水系統(tǒng)采用雨水傳感器模塊，通過(guò)電阻性原理設(shè)計(jì)，能及時(shí)檢測(cè)車庫(kù)內(nèi)的雨水積聚并實(shí)現(xiàn)智能排水。雨水傳感器模塊在系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用。當(dāng)雨水落入車庫(kù)時(shí)，雨滴與涂覆鎳線電極接觸，形成導(dǎo)電路徑，使電路板與地連接，產(chǎn)生低電平信號(hào)[6]。該信號(hào)經(jīng)過(guò)連接的LM393 電壓比較器處理，比較AC 端口和IN 端口電平，輸出相應(yīng)的高或低電平。當(dāng)檢測(cè)到雨水存在時(shí)，輸出高電平信號(hào)；若無(wú)雨水，則輸出低電平信號(hào)。控制單元連接到雨水傳感器模塊的DO數(shù)字輸出，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器模塊狀態(tài)，判斷車庫(kù)是否有雨水積聚。同時(shí)，通過(guò)連接到雨水傳感器模塊的AO 模擬輸出，可獲取雨水的量信息，以便更精準(zhǔn)地控制排水程度和時(shí)機(jī)。使用雨水傳感器模塊，車庫(kù)智能排水系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)雨水狀態(tài)并進(jìn)行智能排水，避免車庫(kù)積水問(wèn)題，提升安全性和舒適性。

■3.3 人體紅外感應(yīng)傳感器模塊

車庫(kù)智能排水系統(tǒng)采用了人體紅外感應(yīng)傳感器模塊作為關(guān)鍵組件，位于入口底部的阻水擋板上。該模塊通過(guò)雙元探頭設(shè)計(jì)和圓形透鏡設(shè)計(jì)，能夠精確感知人員和車輛的方向和距離，同時(shí)擴(kuò)大感應(yīng)角度范圍[7]。通過(guò)延時(shí)關(guān)閉和感應(yīng)封鎖時(shí)間的設(shè)置，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)人員和車輛的進(jìn)出，并在延時(shí)時(shí)間內(nèi)阻止水流進(jìn)入車庫(kù)。通過(guò)此優(yōu)化設(shè)計(jì)，人體紅外感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)感應(yīng)和可重復(fù)觸發(fā)的功能，提高了車庫(kù)智能排水系統(tǒng)的效率、安全性和便利性，為用戶提供更高水平的智能車庫(kù)管理體驗(yàn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

車庫(kù)智能排水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為五個(gè)方面。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行MCU（單片機(jī)）的初始化設(shè)置，包括引腳配置和時(shí)鐘設(shè)置。傳感器模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊也需要初始化，并與它們建立通信連接，確保硬件正常工作和數(shù)據(jù)傳輸。在傳感器數(shù)據(jù)采集階段，通過(guò)讀取雨水傳感器和人體紅外感應(yīng)模塊數(shù)據(jù)，獲取車庫(kù)內(nèi)的降雨情況和車輛進(jìn)出情況。傳感器數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)和格式轉(zhuǎn)化。參數(shù)判斷和控制邏輯階段根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的閾值對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷。例如，當(dāng)降雨超過(guò)閾值時(shí)觸發(fā)排水機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到人員或車輛接近車庫(kù)入口時(shí)觸發(fā)阻水機(jī)構(gòu)升起。設(shè)備動(dòng)作控制階段，通過(guò)GPIO 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，如百葉式排水機(jī)構(gòu)和剪叉式阻水機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉狀態(tài)、活動(dòng)井蓋的升降、抽水泵的啟停。用戶界面和操作階段，通過(guò)顯示屏提供菜單和界面，并通過(guò)按鈕進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和查詢系統(tǒng)狀態(tài)。

整體框架包括初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、決策控制子程序、用戶界面子程序，可提供高效排水和用戶友好操作。圖4 為軟件整體框圖。

圖4 軟件整體框圖

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證測(cè)試車庫(kù)智能排水系統(tǒng)的性能功能，模擬車庫(kù)環(huán)境的搭建（如圖5 所示），進(jìn)行設(shè)備動(dòng)作控制和傳感器數(shù)據(jù)采集的測(cè)試與分析，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 傳感器數(shù)據(jù)采集和設(shè)備動(dòng)作控制測(cè)試結(jié)果

圖5 車庫(kù)智能排水系統(tǒng)樣機(jī)

通過(guò)對(duì)設(shè)備動(dòng)作控制和傳感器數(shù)據(jù)采集的測(cè)試與分析，證明了車庫(kù)智能排水系統(tǒng)在設(shè)備動(dòng)作控制和傳感器數(shù)據(jù)采集方面表現(xiàn)良好，能夠根據(jù)不同情境進(jìn)行智能排水管理。然而，在實(shí)際應(yīng)用中仍可能存在改進(jìn)的空間，例如提升設(shè)備響應(yīng)速度、增加傳感器的準(zhǔn)確性。未來(lái)可以進(jìn)一步研究和改進(jìn)系統(tǒng)的性能，以滿足更多需求和場(chǎng)景。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于STM32 的車庫(kù)智能排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器和機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的阻水排水控制，解決了地下停車場(chǎng)排水問(wèn)題。傳感器和控制機(jī)構(gòu)的協(xié)作保證了系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，降低了水浸事故的發(fā)生概率，增強(qiáng)了用戶停車安全性。通過(guò)實(shí)時(shí)感知和準(zhǔn)確判斷降雨情況，系統(tǒng)能夠智能引導(dǎo)雨水進(jìn)入排水或阻水系統(tǒng)，有效預(yù)防積水和水浸事故的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)在保證停車安全的同時(shí)，能夠及時(shí)有效地排水，降低了水浸風(fēng)險(xiǎn)，提升排水效果，為用戶提供更安全和便利的停車環(huán)境。未來(lái)，該系統(tǒng)有望在更廣范圍的停車場(chǎng)中應(yīng)用，提高城市交通系統(tǒng)的智能化水平，為人們的出行提供更安全、便利的保障。