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停車場智能化管理系統(tǒng)設計 摘 要 本設計基于RFID智能識別和高速的視頻圖像和存儲比較相結合，通過計算機的圖像處理和自動識別，對車輛進出停車場的收費、車牌識別和車位誘導等，以實現停車場全方位智能管理。 本設計是以AT89C51型單片機為主控芯片的智能停車場系統(tǒng)，主要是針對車輛誘導和車輛檢測系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)利用地感線圈對進出停車場的車輛進行檢測，控制閘桿機的自動起落，并具備車位顯示以及語音提示功能。該系統(tǒng)配合IC卡和圖像監(jiān)測處理裝置構成一套完整的智能停車系統(tǒng)，從而實現大型停車場的智能化管理。 總體說該系統(tǒng)主要有以下特點：遠距離感應讀卡，無需停車，速度快，效率高；電腦管理，科學高效；簡化車輛進出管理手續(xù)，而且安全可靠。 關鍵詞：智能管理，車牌識別，車位誘導，車輛檢測  目　錄 前 言 1 第1章 緒論 3 1.1 課題設計目的和發(fā)展趨勢 3 1.1.1 課題研究目的及實際意義 3 1.1.2 智能停車場管理系統(tǒng)發(fā)展概況及趨勢 3 1.2 課題設計思想 4 第2章 智能停車場管理系統(tǒng)概述 5 2.1 射頻技術（RFID）概述 5 2.1.1 射頻識別系統(tǒng)的構成 6 2.1.2 射頻系統(tǒng)基本工作流程圖 6 2.2 車牌識別技術 7 2.2.1 車牌自動識別系統(tǒng)原理 8 2.2.2 牌照號碼、顏色識別 9 2.3 車位誘導和車輛檢測系統(tǒng)概述 10 2.3.1 車位誘導和車位顯示 11 2.3.2 超聲波測距原理 12 2.3.3 車輛檢測 13 2.4 小區(qū)停車計費系統(tǒng)概述 14 2.4.1 計費系統(tǒng)概述 14 2.4.2 計費系統(tǒng)的工作原理及特點 14 2.5 進出口識別系統(tǒng)概述 17 第3章 車位誘導車輛檢測系統(tǒng)硬件設計 19 3.1 停車場系統(tǒng) 19 3.2 系統(tǒng)總體原理 20 3.2.1 車輛檢測 20 3.2.2 車位誘導和車位顯示 21 3.2.3 其他控制部分 21 3.3 車輛檢測系統(tǒng)硬件設計 22 3.3.1 鎖相環(huán)路工作原理 22 3.3.2 信號輸入電路的設計 23 3.3.3 復位電路的設計 24 第4章 系統(tǒng)軟件設計 25 4.1 程序流程圖 25 4.2 設計要點 26 4.3 編制軟件程序 26 結　論 34 謝 辭 35 參考文獻 36 外文資料翻譯 38 前 言 在現代化的大型停車場中，智能停車管理系統(tǒng)使得車輛進出手續(xù)簡單，安全性高，實現了對車輛的自動檢測、計費、統(tǒng)計、顯示等功能，大大節(jié)省了人力資源，提高了工作效率。整個停車管理系統(tǒng)中，車輛檢測部分是系統(tǒng)的關鍵。本設計主要是一種停車場車輛檢測系統(tǒng)，通過分布在進出口的車輛檢測器，實現對閘桿機的控制和車位提示等功能。 智能停車場管理系統(tǒng)是基于射頻識別系統(tǒng)以車輛圖像對比管理為核心的多媒體綜合車輛收費管理系統(tǒng)，用以對停車場車道入口及出口管理設備實行自動控制，對停車場中的車輛按預先設定的收費標準實行自動收費。該系統(tǒng)將先進的射頻識別技術和高速的視頻圖像存儲比較相結合，通過計算機的圖像處理和自動識別，對車輛進出停車場的收費、保安和管理進行全方位的控制、管理。 通過埋設于停車場入口道路地下的地感線圈感應到有車經過后，啟動射頻識別系統(tǒng)，辨別出是否是小區(qū)用戶，并分別采取不停車進場和啟動收費管理系統(tǒng)發(fā)放臨時IC卡兩種措施，進入停車場。位于停車場出口上方的攝像頭捕獲車輛信息，通過車牌識別系統(tǒng)采樣出車牌等信息，并將該信息保存入停車場臨時數據庫。 通過位于車庫上方的超聲波探頭，用超聲波測距的原理，得到車位信息，并將車位信息發(fā)送到主控計算機，經過處理后得到整個車庫的車位分布信息，并將該信息發(fā)送到停車場入口處，通過大屏幕顯示屏顯示出來。進入停車場的用戶通過瀏覽屏幕上的信息，就知道哪里有空車位，從而直接找到空車位停車，避免了普通停車場中找車的麻煩，從而大大的提高了停車效率。 車輛出場時，再次通過埋設于停車場內的地感線圈感應到車輛的到來，并啟動車輛識別系統(tǒng)，辨別出用戶類，小區(qū)用戶直接出場，非小區(qū)用戶歸還IC卡并繳費后離場。 在車輛出場時，感應到車輛過來，啟動射頻識別系統(tǒng)的同時，也啟動車牌識別系統(tǒng)，通過停車場出口處的攝像頭捕獲的車輛圖像，采樣出車牌信息，并同數據庫中信息進行對比，符合信息的車輛直接放行，對出現問題的車輛禁止出行，并啟動報警系統(tǒng)通知相關安全人員前來處理。 第1章 緒論 1.1 課題設計目的和發(fā)展趨勢 1.1.1 課題研究目的及實際意義 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國汽車擁有量急劇增加。停車場作為交通設施的組成部分，隨著交通運輸的繁忙和不斷發(fā)展，人們對其管理的要求也不斷提高，都希望管理能夠達到方便、快捷以及安全的效果。停車場的規(guī)模各不相同，對其進行管理的模式也有不同之處，管理者需要根據自身的條件，選擇應用經濟、穩(wěn)定的管理程序，以免選擇了高成本的管理系統(tǒng)。本設計旨在設計一個簡潔、穩(wěn)定、實用的停車場管理信息系統(tǒng)，希望在容錯性、實用性、易操作性等方面具有自己的特色，并且保持一定的可擴展性，以滿足不同停車場的信息管理需求。 1.1.2 智能停車場管理系統(tǒng)發(fā)展概況及趨勢 停車場管理系統(tǒng)是利用高度自動化的機電設備對停車場進行安全、有效的管理。由于盡量減少人工的參與，從而最大限度的減少人員費用和人為失誤造成的損失，大大提高整個停車場的安全性與使用效率。 中國的智能停車場管理系統(tǒng)市場興起在2001年，目前還處于初級發(fā)展階段，各種品牌不斷涌現，市場比較混亂，歸結起來其現狀主要表現為以下幾點： 市場發(fā)展空間很大。停車場管理由于前期中國車輛增長情況與停車場規(guī)劃間差距較大，全國車輛與停車位之比高達5:1，為解決停車問題，未來停車場智能管理系統(tǒng)市場發(fā)展空間很大；由于中國智能停車場管理系統(tǒng)市場還處于初級發(fā)展階段，市場上品牌繁雜，沒有形成主流品牌，這也是市場發(fā)展不成熟的表現；產品可靠性較低，技術含量不高；成套設備的系統(tǒng)多由集成商提供，能提供成套設備的生產廠家不多，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性不易控制；部分商家售后服務不到位；國內系統(tǒng)、組裝系統(tǒng)與國外系統(tǒng)的市場占有率之比約為2:1:1。由于價格因素影響，國內產品主要用于一般小區(qū)與中低檔寫字樓，國外產品則用于比較知名的高檔智能建筑；系統(tǒng)智能化程度較低，如車位引導系統(tǒng)應用不多；從趨勢上看，智能停車場管理系統(tǒng)應向更高程度的智能化、合理化、人性化方向發(fā)展。 我國智能停車場市場需求劇增，2011年1月27日，工業(yè)化和信息部黨組織成員、總工程師朱宏任提出，2010年全國共生產1826萬輛，銷售1806萬輛汽車。儼然我國已經成為一個汽車消費大國。但隨之而來的就是各大城市令人詬病的馬路擁堵，亂停亂放等問題。馬路擁堵，北京等一線城市已經出臺了相關的汽車限購政策和國家公務用車使用政策，但車輛亂停亂放除了國家完善相關法律之外，停車場的配套也必須一并跟上。由于土地容量有限，車位的數量也僧多粥少，停車所引發(fā)的社會問題日趨嚴重。停車所涉及的社會問題是多方面的，涉及城市規(guī)劃、汽車保有量的增長與停車資源配套的失衡、軌道交通停車配套等諸多問題。所有這些數據表明,智能化停車場的春天才剛開始[1]。 1.2 課題設計思想 隨著社會經濟的發(fā)展，人們生活水平的提高，汽車已越來越多的進入家庭，汽車消費時代已悄然來臨，停車場的建設也是方興未艾，停車場智能管理系統(tǒng)也已經在大部分停車場發(fā)揮著重要作用，在為人們停車帶來方便的同時也具有良好的社會效益和經濟效益。 為了滿足小區(qū)停車場智能化管理的要求，設計編寫了本方案，主要包括停車場出入口智能管理系統(tǒng)和停車場智能車位引導系統(tǒng)，側重點在于車位誘導和車輛檢測。 第2章 智能停車場管理系統(tǒng)概述 2.1 射頻技術（RFID）概述 RFID技術是從20世紀80年代起走向成熟的一項自動識別技術。它利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到識別目的。和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比，射頻卡最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此，RFID技術在應用中研究的特點和難點是讀寫沖突、RFID安全和隱私保護、天線和RFID定位等問題[5]。 該技術的原理為：車主將RFID卡安裝在車內，當車快行駛到停車場時，車速減慢，在有效的讀卡范圍內，卡/讀卡器自動發(fā)送信號，待讀卡器/卡接收到信息并作判別是否有效后，控制道閘升桿，從而實現不停車通行。 值得注意的是，安裝在車內的RFID卡還分為有源卡和無源卡。兩者最大的區(qū)別在于前者是內置電池的2.4GHz有源RFID卡，由卡主動發(fā)送信號，通過無線電波將卡片信息傳輸至讀卡器，現在大多應用的都是可讀卡距離5～10m左右的有源卡，此類卡穿透力極強，即使對于貼有車膜的玻璃或者水泥墻，都可以穿透發(fā)送信號給讀卡器；而后者是900MHz無電池RFID卡，該類卡工作用電依賴于讀卡器發(fā)送的電磁波使無源卡內線圈振蕩產生工作電壓、電流，之后RFID將本卡信息回發(fā)給讀卡器，由讀卡器對卡信息作出判斷以確定卡的合法性，無源卡的讀卡距離較短，一般1～2米。當然，距離的長短還往往取決于無源卡放置的位置是否有屏蔽物及讀卡器和卡的自身性能。相對有源卡來說，無源卡成本較低，但穿透力不夠。 RFID技術同其它技術比較而言，具有成本上的優(yōu)勢，而且RFID定位技術隊環(huán)境的要求和受到的環(huán)境影響都很少，定位精度較高，傳輸范圍大；RFID技術在定位物體的同時還從定位目標中讀取有關該對象的大量信息。針對這種情況，本系統(tǒng)設計基于射頻識別技術，采用計算機管理系統(tǒng)獲得停車場?？寇囕v的個體信息，包括空余停車位的數量與分布情況，方便車主順利地找到停車位置；在停車場的入口處可以通過終端查詢系統(tǒng)很方便地查詢到自己的車輛在停車場的具體位置；在出口處，根據車載卡報告時記錄的起始?？繒r間，可以很方便地得出車輛?？繒r間及應付費用。本系統(tǒng)的特點是電子系統(tǒng)復雜性低，容易實現且成本；定位精度高，抗干擾能力強[2]。 2.1.1 射頻識別系統(tǒng)的構成 RFID的基本組成部分： 1. 標簽（Tag）：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象 2. 閱讀器（Reader）：讀?。ㄓ袝r還可以寫入）標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式； 3. 天線（Antenna）：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。 如圖2-1. 電源 射頻模塊 存 儲 器 控制 模塊 能量 天 線 天線 射頻模塊 能量，時鐘，數據 數據 時鐘 數據 讀 寫 模 塊 數據輸入入 數據據 電池池 計算機通信網 圖2-1 射頻識別系統(tǒng)結構框圖 2.1.2 射頻系統(tǒng)基本工作流程圖 射頻識別系統(tǒng)的基本工作流程如下： 1. 讀寫器將無線電載波信號經過發(fā)射天線向外發(fā)射； 2. 當電子標簽進入發(fā)射天線的工作區(qū)時，電子標簽被激活，將自身信息的代碼經天線發(fā)射出去； 3. 系統(tǒng)的接收天線接收電子標簽發(fā)出的載波信號，經天線的調節(jié)器傳輸給讀寫器。讀寫器對接收到的信號進行解調解碼，送往后臺的電腦控制器； 4. 電腦控制器根據邏輯運算判斷標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構的動作； 5. 執(zhí)行機構按照電腦的指令動作； 6. 通過計算機通信網絡將各個監(jiān)控點連接起來，構成總控信息平臺，可以根據不同的軟件來完成要實現的功能[3]。 其射頻識別模型如圖2-2所示： 閱讀器 天 線 天 線 電子標簽 時序 計算機 數據 圖2-2 射頻識別模型 2.2 車牌識別技術 車牌識別技術（License Plate Recognition, LPR）以計算機技術、圖像處理技術、模糊識別為基礎，建立車輛的特征模型，識別車輛特征，如號牌、車型、顏色等。它是一個以特定目標為對象的專用計算機視覺系統(tǒng)，能從一幅圖像中自動提取車牌圖像，自動分割字符，進而對字符進行識別，它運用先進的圖像處理、模式識別和人工智能技術，對采集到的圖像信息進行處理，能夠實時準確地自動識別出車牌的數字、字母及漢字字符，并直接給出識別結果，使得車輛的電腦化監(jiān)控和管理成為現實。 該技術的原理為：車進車出停車場時各拍攝一幅車輛圖片，值班人員對其進行人工車輛比對，以確定是否為車人同一或套牌車，誠然這種耗費人力的方法有相當得效果，但仍不能杜絕同類車型的套牌現象。 車牌識別技術是指能夠檢測到受監(jiān)控路面的車輛并自動提取車輛牌照信息（含漢字字符、英文字母、阿拉伯數字及號牌顏色）進行處理的技術。它以數字圖像處理、模式識別、計算機視覺等技術為基礎，對攝像機所拍攝的車輛圖像或者視頻序列進行分析，得到每一輛汽車唯一的車牌號碼，從而完成識別過程。通過一些后續(xù)處理手段可以實現停車場收費管理，交通流量控制指標測量，車輛定位，汽車防盜，高速公路超速自動化監(jiān)管、闖紅燈電子警察、公路收費站等等功能。對于維護交通安全和城市治安，防止交通堵塞，實現交通自動化管理有著現實的意義[4]。 2.2.1 車牌自動識別系統(tǒng)原理 牌照自動識別是一項利用車輛的動態(tài)視頻或靜態(tài)圖像進行牌照號碼、牌照顏色自動識別的模式識別技術。其硬件基礎一般包括觸發(fā)設備（監(jiān)測車輛是否進入視野）、攝像設備、照明設備、圖像采集設備、識別車牌號碼的處理機（如單片機）等，其軟件核心包括車牌定位算法、車牌字符分割算法和光學字符識別算法等。某些車牌識別系統(tǒng)還具有通過視頻圖像判斷是否有車的功能稱之為視頻車輛檢測。一個完整的車牌識別系統(tǒng)應包括車輛檢測、圖像采集、車牌識別等幾部分。當車輛檢測部分檢測到車輛到達時觸發(fā)圖像采集單元，采集當前的視頻圖像。車牌識別單元對圖像進行處理，定位出牌照位置，再將牌照中的字符分割出來進行識別，然后組成牌照號碼輸出。其流程圖如圖2-3： 圖像采集 視頻車輛檢測 視頻信號 數字圖像流 車牌定位 字符分割 字符識別 圖片壓縮信息包 結果輸出 圖2-3 車牌識別流程示意圖 2.2.2 牌照號碼、顏色識別 1. 牌照定位 自然環(huán)境下，汽車圖像背景復雜、光照不均勻，如何在自然背景中準確地確定牌照區(qū)域是整個識別過程的關鍵。首先對采集到的視頻圖像進行大范圍相關搜索，找到符合汽車牌照特征的若干區(qū)域作為候選區(qū)，然后對這些侯選區(qū)域做進一步分析、評判，最后選定一個最佳的區(qū)域作為牌照區(qū)域，并將其從圖象中分離出來。 2. 牌照字符分割 完成牌照區(qū)域的定位后，再將牌照區(qū)域分割成單個字符，然后進行識別。字符分割一般采用垂直投影法。由于字符在垂直方向上的投影必然在字符間或字符內的間隙處取得局部最小值的附近，并且這個位置應滿足牌照的字符書寫格式、字符、尺寸限制和一些其他條件。利用垂直投影法對復雜環(huán)境下的汽車圖像中的字符分割有較好的效果。 3. 牌照字符識別 字符識別方法目前主要有基于模板匹配算法和基于人工神經網絡算法?；谀０迤ヅ渌惴ㄊ紫葘⒎指詈蟮淖址祷⑵涑叽绱笮】s放為字符數據庫中模板的大小，然后與所有的模板進行匹配，選擇最佳匹配作為結果?；谌斯ど窠浘W絡的算法有兩種：一種是先對字符進行特征提取，然后用所獲得特征來訓練神經網絡分配器；另一種方法是直接把圖像輸入網絡，由網絡自動實現特征提取直至識別出結果。 實際應用中，車牌識別系統(tǒng)的識別率還與牌照質量和拍攝質量密切相關。牌照質量會受到各種因素的影響，如生銹、污損、油漆剝落、字體褪色、牌照被遮擋、牌照傾斜、高亮反光、多牌照、假牌照等等；實際拍攝過程也會受到環(huán)境亮度、拍攝方式、車輛速度等等因素的影響。這些影響因素不同程度上降低了車牌識別的識別率，也正是車牌識別系統(tǒng)的困難和挑戰(zhàn)所在。為了提高識別率，除了不斷地完善識別算法還應該想辦法克服各種光照條件，使采集到的圖像最利于識別[5]。 2.3 車位誘導和車輛檢測系統(tǒng)概述 該系統(tǒng)采用多媒體技術， 通過聯網的超聲波感應器監(jiān)控到停車位的使用狀況，通過智能顯示器顯示方向和空位的數量及其他信息，以便駕駛者通過最短路徑找到空車位。 車輛及車位信息采集、顯示此環(huán)節(jié)采用動態(tài)模擬技術， 由車位超聲波探測器、供電器、控制器、智能方向指示器、金屬模擬圖板等組成。探測器安裝在車位上方，金屬模擬圖板安裝在地下各層的停車入口處，圖板上的LED用紅綠二色表示由探測器傳來的有車車位、空車車位的動態(tài)實時信息。探測器通過信號線、電源線聯結至控制器。超聲波傳感器是停車引導系統(tǒng)的一個關鍵部件， 它通過總線實現供電及聯網。其檢測距離一般為0.6m～4.0m， 可根據實際需求進行單個或調整。傳感器之間的超聲波同步脈沖需避免相互干擾?，F場總線系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)可以為125個傳感器提供電源，可以配置多個方向指示器。智能方向指示器通過總線實現聯網及供電，根據用戶需要自行配置用以監(jiān)控一定范圍的傳感器地址，通過連接隸屬的顯示器顯示某車道、區(qū)域空閑車位方向及數量， 也可通過上層的安裝總線連接主顯示器來統(tǒng)計和顯示空位總數。LED顯示屏安裝在地下各層的停車人口處金屬模擬圖板的上方， 語音提示和中文滾動顯示時間、停車方式及注意事項。每個燈光引導指示牌由兩組燈光組成，一組顯示“有車位”，一組顯示“請直行”。它受車位超聲波探測器控制， 當一組車位停滿時，它接收到控制器發(fā)出的信號，便熄滅“有車位” 指示燈。司機就可以根據燈光導引，沿著車位顯示指示器“有車位”指示燈尋找車位[6]。 超聲波傳感器車輛檢測，在一定的時間間隔內， 傳感器發(fā)射超聲波脈沖并測量脈沖返回的時間。在測量過程中， 如果脈沖返回時間短于作為校準基礎的地面返回時間， 傳感器將判定車輛在場。多個傳感器可以通過網絡發(fā)出的校準命令同步進行校準。傳感器可通過內置LED來顯示停車位占用、空閑狀態(tài)。在多數情況下， 通過停車場車道安置的附屬的LED指示燈能夠方便地看到現場狀態(tài)。 停車場管理系統(tǒng)運行過程是以顧客停車取車的過程為基礎的,停車場的工作流程也始終以用戶車輛進出停車場的流程為中心。停車場用戶一般分為臨時用戶和固定（小區(qū)內）用戶兩大類。當車輛駛入/ 出停車場天線通信區(qū)時,天線以微波通訊的方式與車載射頻卡進行雙向數據交換, 從射頻卡上讀取車輛的相關信息, 自動識別射頻卡并判斷車卡是否有效和合法性,車道控制電腦顯示與該射頻卡一一對應的車牌號碼及駕駛員等資料信息;車道控制電腦自動將通過時間、車輛和駕駛員的有關信息存入數據庫中,車道控制電腦根據獨到的數據進行判斷來做出放行或禁止的決策[7]。 2.3.1 車位誘導和車位顯示 現在的汽車大多數都裝載了GPS導航，這為誘導系統(tǒng)提供了一個提示方法。誘導系統(tǒng)通過車輛自帶的GPS導航提示駕駛路線，到達申請的車位。 誘導系統(tǒng)可以分為車內誘導系統(tǒng)和車外誘導系統(tǒng)。 在車內誘導系統(tǒng)中，實時交通信息在車輛和信息中心之間傳輸。這種誘導系統(tǒng)誘導對象是單個車輛，也稱車輛個體誘導系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的誘導機理比較明確，容易達到誘導的目的。目前發(fā)達國家采用的是這種系統(tǒng)，但是這種系統(tǒng)對車內設施和信息傳輸技術要求比較高，造價相對昂貴。 在車外誘導系統(tǒng)中，車位誘導信息在停車場內LED顯示屏上顯示，誘導對象是所有用戶。這種系統(tǒng)價格相對比較便宜。 本設計基于單個車輛的誘導系統(tǒng)，誘導車輛到達指定的車位。但車外誘導系統(tǒng)可以有效地輔助單個車輛。 誘導系統(tǒng)主要由顯示驅動、數據接收和數據處理。工作原理：通過安裝在每個車位上方的超聲波車位探測器，實時采集停車場的各個車位的車輛信息。連接探測器的節(jié)點控制器會按照輪詢的方式，對所連接的各個探測器信息進行收集，并按照一定規(guī)則將數據壓縮編碼后反饋給中央控制器，由中央控制器完成數據處理，并將處理后的車位數據發(fā)送到停車場各個LED指示屏進行空車位信息的顯示，從而實現引導車輛進入空余車位的功能。系統(tǒng)同時將數據傳送給計算機，由計算機將數據存放到數據庫服務器，用戶可通過計算機終端查詢停車場的實時車位信息及車場的年、月、日統(tǒng)計數據。本文采用的是車內誘導系統(tǒng)為主，車外誘導系統(tǒng)為輔的綜合誘導系統(tǒng)，終端顯示驅動有數據反饋機制，駕駛者可以取消車位申請，重新選擇停車位，查看個人信息和更新當前車庫停車狀況。有效地停車用戶停車時的效率[8]，如圖2-4所示： 圖2-4 智能停車場誘導方案圖 2.3.2 超聲波測距原理 超聲波技術是一門以物理、電子、機械、機械、以及材料科學為基礎的、各行各業(yè)都可使用的通用技術之一。超聲波是通過超聲波的產生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波在介質中可以產生三種形式的振蕩波：橫波，質點震動方向垂直于傳播方向的波；縱波，質點振動方向與傳播方向一致的波；表面波，質點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。 超聲波的物理性質：超聲波的反射和折射，當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質的平面分界面上時，一部分超聲波被反射，另一部分透射過界面，在相鄰介質內部繼續(xù)傳播，這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射；超聲波的衰減，超聲波在一種介質中傳播，其聲壓和聲強按指數函數規(guī)律衰減；超聲波的干涉，如果在一種介質中傳播幾個聲波，于是產生波的干涉現象，由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。 超聲波測距方法主要有三種：相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都容易實現，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經氣體介質傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離l。設l為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。綜合以上分析，本設計將采用渡越時間法[9]。 2.3.3 車輛檢測 本系統(tǒng)可以與停車場出入口管理系統(tǒng)配合使用，當停車場內沒有停車位時，即可與出入口管理系統(tǒng)聯動，使停車場入口票箱控制器停止發(fā)放臨時停車卡，避免車輛過多進入停車場而引起的場內交通擁擠或堵塞。 對于普通平面車位，使用超聲波探頭是成熟可靠的技術。而對于升降橫移立體車位來說，普通的超聲波探頭沒有安裝位置，又不便拖一根隨動電纜，所以我們采用了我公司的最新產品，無線超聲波車位探測器，安裝于載車板上。 而地上的平面車位，露天環(huán)境由于風雨影響不能用超聲波探頭，所以要用我們的最新產品地磁車位探測器，它埋在車位下，檢測大地磁場變化，通過比較來判斷車位上的有車無車狀況。 對于1＃和2＃自動倉儲式車庫，要通過計算機接口和數據庫接口，把自動庫的空車位數據實時的傳送到引導系統(tǒng)。 車位探測系統(tǒng)實時探測車位上是否有車輛停放，通過數據采集器和節(jié)點控制器將數據實時發(fā)送到主控器和管理電腦，由主控器及時更新各個交叉路口引導屏的空車位數，指引客戶停車。同時根據車位使用情況控制車位指示燈亮不同的顏色，紅色為占用，綠色為空位，客戶在50米外即可看到，根據車位指示燈的顏色客戶可很快找到車位。本系統(tǒng)由車位探測器、車位指示燈、數據采集器等組成，利用超聲波反射回波檢測反射物距檢測器的距離，從而判斷車位上是否有車輛停放，本系統(tǒng)具有車位探測、車位指示、車位預置等功能[10]。本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： 1. 超聲波車位探測系統(tǒng) 2. 無線超聲波車位探測系統(tǒng) 3. 地磁車位探測系統(tǒng)（可選） 4. 自動倉儲式車庫數據集成 5. 信息顯示系統(tǒng) 6. 控制系統(tǒng) 7. 引導系統(tǒng)管理軟件 2.4 小區(qū)停車計費系統(tǒng)概述 2.4.1 計費系統(tǒng)概述 該系統(tǒng)基于小區(qū)停車計費系統(tǒng)中的數據信息，能夠實現無人自動計費，只需要駕駛者在小區(qū)進出口停車計費系統(tǒng)中擁有一定量的資金，在駕駛者使用服務后，根據駕駛者的使用時間長短和使用的地點來計算。可以達到規(guī)范小區(qū)停車狀況，改善小區(qū)安全交通。系統(tǒng)目的：提升用戶現代化管理水平和服務質量；創(chuàng)造安全、可靠、高效、便捷、管理環(huán)境；最大限度降低中間流動管理運營成本；適應市場經濟需求，提高工作效率，推廣電子化進程。 2.4.2 計費系統(tǒng)的工作原理及特點 計費系統(tǒng)是小區(qū)停車計費系統(tǒng)一個重要的環(huán)節(jié)，沒有車輛在停車位上，計費系統(tǒng)處于待機狀況。一旦檢測到有車輛占用該車位，計費系統(tǒng)立刻檢測出車輛信息，發(fā)送給小區(qū)停車計費系統(tǒng)，小區(qū)停車計費系統(tǒng)確認車輛信息后，回傳一個信息。所停的車輛是申請該車位的車輛，則計費開始。所停的車不是申請的車輛，則計費系統(tǒng)的檢測結構開始發(fā)出報警提示，提示駕駛者違規(guī)停車。如果該車位未被申請，檢測結構提示駕駛者是否申請該車位，駕駛者申請了該車位則開始計費，駕駛者沒有申請該車位，則視違規(guī)停車。 計費系統(tǒng)中包括制定不同的計費策略，計費策略制定的幾個因素：時間長短、車位位置、停車時間點和不同駕駛者優(yōu)惠政策。計費策略是計費系統(tǒng)中心部件，沒有計費策略就無法有效地計算出停車消費的費用。計費車輛主要根據停車時間段來制定的，停車位、停車時間點和駕駛者的優(yōu)惠政策綜合制定出計費策略[11]。 計費系統(tǒng) 車輛信息 檢測結構 時間長短 車輛位置 到底是否 計費策略 圖2-5 計費策略 如圖2-5 所示，檢測結構包含了自動記錄時間功能，在車輛離開車位后，自動的把起始時間和離開時間發(fā)給計費系統(tǒng)。 計費系統(tǒng)根據某車位使用時間的長短來計費，并自動從駕駛者在城市路邊停車計費系統(tǒng)的賬戶里扣除。無需任何人、也無需駕駛者的任何工具全自動的計費系統(tǒng)。車位的使用與未使用是根據現場車位傳感器的測量，傳送給小區(qū)停車計費系統(tǒng)，并更新城市車位信息庫。 車輛占用車位 檢測結構 計費系統(tǒng) 否 小區(qū)停車計費系統(tǒng) 車輛信息核對 是 計費開始 否 檢測離開 是 計費結束 時間 圖2-6 計費流程 計費系統(tǒng)能夠提供有效地信息給小區(qū)停車計費系統(tǒng)，更新車位數據庫。計費系統(tǒng)根據某車位使用時間的長短來計費，并自動從駕駛者在小區(qū)停車計費系統(tǒng)的賬戶里扣除。無需任何人、也無需駕駛者的任何工具全自動的計費系統(tǒng)。車位的使用與未使用是根據現場車位傳感器的測量，傳送給小區(qū)停車計費系統(tǒng)，并更新小區(qū)車位信息庫。 2.5 進出口識別系統(tǒng)概述 入出口 固定用戶 車輛檢測到有車來 允許讀卡 讀卡機讀卡 自動 取卡 數據庫備份 是否合法 控制器記錄信息 卡操作、授權登記 防砸檢測 車輛通過， 關道閘 開啟道閘 車輛進場 圖2-7 車輛入場流程圖 停車場管理系統(tǒng)運行過程是以顧客停車取車的過程為基礎的,停車場的工作流程也始終以用戶車輛進出停車場的流程為中心。停車場用戶一般分為臨時用戶和固定（小區(qū)內）用戶兩大類。當車輛駛入/ 出停車場天線通信區(qū)時,天線以微波通訊的方式與車載射頻卡進行雙向數據交換, 從射頻卡上讀取車輛的相關信息, 自動識別射頻卡并判斷車卡是否有效和合法性,車道控制電腦顯示與該射頻卡一一對應的車牌號碼及駕駛員等資料信息;車道控制電腦自動將通過時間、車輛和駕駛員的有關信息存入數據庫中,車道控制電腦根據獨到的數據進行判斷來做出放行或禁止的決策[12]。 第3章 車位誘導車輛檢測系統(tǒng)硬件設計 3.1 停車場系統(tǒng) 整個停車管理系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示，信息顯示牌為LED顯示屏，顯示當前時間及車位信息。當有車進入時，司機進行刷卡，刷卡信號由控制器讀入，控制閘桿機抬起，語音提示“歡迎光臨 ”，當地感線圈檢測到車輛進入時，更新車位信息，抓拍車輛圖片，閘桿機下落；同樣，當車輛駛出，司機刷卡，控制閘桿機抬起，語音提示“謝謝光臨 ，當地感線圈檢測到車輛離開，抓拍車輛信息，閘桿機下落并更新車位信息。而車輛的圖像信息、IC卡數據信息的處理都將由值班室的上位機完成。 停車場數據中心 入口控制 出口控制 車牌識別 計費管理 安全系統(tǒng) 停車誘導 計 時 收 費 收 卡 收 費 系 統(tǒng) 車 輛 檢 測 系 統(tǒng) 出 口 控 制 信 息 提 示 車 牌 檢 測 識 別 數 據 存 儲 報警系 統(tǒng) 監(jiān)控系 統(tǒng) 入 口 控 制 發(fā) 卡 讀 卡 系統(tǒng) 車輛 檢測 系 統(tǒng) L E D 顯 示 超 聲 波 車 位 檢測 圖3-1 智能停車場整體框圖 智能停車場管理系統(tǒng)是現代化停車場車輛收費及設備自動化管理的統(tǒng)稱。本系統(tǒng)是集射頻識別、車輛檢測、超聲波車位檢測、顯示技術、智能計時收費管理技術以及車牌識別技術等現代智能化管理技術的統(tǒng)一綜合。通過這些技術數據處理，從而實現停車場收費、管理等目的。根據設計原理智能停車場管理系統(tǒng)可分為三大部分，信息的采集與傳輸、信息的處理與人機交互、信息的存儲與查詢。 控制器設計框圖如圖3-1-2所示，系統(tǒng)選用SPCE061A型單片機作為主控芯片，單片機通過讀卡信號和鎖相環(huán)電路的電平變化檢測車輛的到來。DS1302時鐘電路為系統(tǒng)提供精確的時間信息，通過驅動LED顯示牌實時顯示車位及時間信息，系統(tǒng)具備與上位機的串行通信通信接口[13]。 3.2 系統(tǒng)總體原理 3.2.1 車輛檢測 通過各種方案比較，本設計的車輛檢測器采用地感線圈檢測方案。地感線圈車輛檢測器是一種基于電磁感應原理的車輛檢測器。地感線圈Ll埋在路面下，通有一定工作電流的環(huán)形線圈，由多匝導線繞制而成，埋設在道路中。地感線圈構成的耦合電路如圖3-2-1所示T為隔離變壓器，匝數比為1:1，三極管Ul和U2組成共射極振蕩器，電阻R3是兩只三極管的公共射極電阻，并構成正反饋。地感線圈作為檢測器諧振電路中的一個電感元件，與車輛檢測器的振蕩回路一起形成LC諧振。當有車輛通過時，將會使線圈中單位電流產生的磁通量增加，從而導致線圈電感值發(fā)生微小變化，進而改變LC諧振的頻率，這個頻率的變化就作為有汽車經過地感線圈的輸入信號。為了檢測這個變化，常用的辦法是通過單片機計算單位時間內的振蕩脈沖個數來確定車是否到來。在本設計中，需要檢測兩個地感線圈的頻率變化，如果利用單片機同時對兩路信號頻率的變化量進行測量，則系統(tǒng)相對較大，程序比較復雜，使得單片機負擔較重。這里介紹一種新的檢測方法：利用鎖相環(huán)音頻譯碼器LM567檢測頻率的變化。 LM567的第5和6腳外接的電阻、電容決定了IC內部壓控振蕩器的中心頻率，fo=1/1.1RC。第1和2腳通常是分別對地接電容，形成輸出濾波網絡和環(huán)路低通濾波網絡[14]。 音頻譯碼器LM567工作時，若輸入的信號頻率落在給定的通頻帶時，鎖相環(huán)即將這個信號鎖定，同時LM567的內部晶體管受控導通，8腳輸出低電平，否則輸出高電平。當輸入信號頻率處于通頻帶內，LM567鎖定，輸出低電平。通常在無車情況下，耦合電路的振蕩頻率會在一定的范圍內保持不變，當車經過地感線圈時，使得耦合電路震蕩頻率發(fā)生變化，并且，隨著車型的不同以及車本身的鐵質不均勻，使這個頻率的變化也在一定的范圍內浮動。因此，通過實驗，選擇合適的LM567捕獲帶寬值，使得當無車時，輸入信號頻率雖有微小變化，但使這個浮動的頻率都處于通頻帶內，LM567鎖定，8腳輸出低電平；有車到來時，頻率發(fā)生劇烈的變化已不在通頻帶內，8腳就會輸出高電平。這時，對車輛是否到來的檢測轉化為對電平高低的檢測，通過觸發(fā)單片機的外部中斷即可感知車輛的到來，而無需通過復雜的程序來區(qū)分此時的頻率變化是否由車輛的到來所引起，大大降低了編程的難度。 3.2.2 車位誘導和車位顯示 超聲波傳感器車輛檢測，在一定的時間間隔內， 傳感器發(fā)射超聲波脈沖并測量脈沖返回的時間。在測量過程中， 如果脈沖返回時間短于作為校準基礎的地面返回時間， 傳感器將判定車輛在場。多個傳感器可以通過網絡發(fā)出的校準命令同步進行校準。傳感器可通過內置LED 來顯示停車位占用、空閑狀態(tài)。在多數情況下， 通過停車場車道安置的附屬的LED 指示燈能夠方便地看到現場狀態(tài)[15]。 3.2.3 其他控制部分 控制閘桿機的起落即是控制閘桿機的直流電機的正反轉，通過單片機控制口輸出高低電平配合繼電器工作，直流電機電機兩端加正反電壓可以實現正反轉。對于時間的記錄，這里選用DS1302日歷芯片，DS1302可以對年、月、日、周、時、分、秒進行記錄．可接入后備電源，在主電源關閉的情況下也能始終保持連續(xù)工作，單片機SPCE061A可以隨時讀取當前的時間。與上位機的通信利用SPCE061A的通用異步串行通信模塊(UART)，它提供了一個全雙工標準接口，借助于IOB口的特殊功能和UARTIRQ中斷實現與上位機配置的RS-232串行通信接口COM鏈接，實現了數據的及時傳輸。另外，語音提示部分利用SPCE061A的語音處理優(yōu)勢。利用SPCE061A的語音壓縮算法庫和內置的DAC等，即可實現清晰的語音播報功能，無需外加語音芯片。 3.3 車輛檢測系統(tǒng)硬件設計 在本系統(tǒng)結構中，選用Atmel的8位單片機AT89C51作為環(huán)形線圈檢測器的硬件控制核心，其片含有2K字節(jié)的Flaash程序存儲器，128字節(jié)的片內RAM，2路定時器/計數器。豐富的片內結構，可以同時滿足車輛檢測和數據傳輸的需要，保證了系統(tǒng)的可靠性，其總體結構圖如圖3-2所示[16]： 單片機AT89C51 計數電路 復位電路 信號整形電路 晶振電路 耦合振蕩電路 地感線圈 輸出顯示器 圖3-2 車輛檢測系統(tǒng)硬件結構圖 3.3.1 鎖相環(huán)路工作原理 鎖相環(huán)主要由相位比較器、壓控振蕩器、低通濾波器3部分組成，它的基本構成如下圖3-3所示： 壓控振蕩器 相位比較器 低通濾波器 輸入信號Ui 誤差電壓Uo 控制電壓Ud 輸出信號Uo f1 f3 比較信號 f2 圖3-3 鎖相環(huán)原理圖 當輸入信號與壓控振蕩器的輸入信號頻率不同時，相位比較器比較著兩個信號的振蕩相位，輸出它們的相位差，經低通濾波器加到壓控振蕩器上，使壓控振蕩器的頻率跟著變化，其輸入信號的頻率接近，最后等于輸入信號的頻標值，當兩者的輸出便不再變化。 壓控振蕩器的輸出Uo接至相位比較器的期中一個輸入端，施加于相位比較器靈一個輸入端的外部輸入信號Ui與來自壓控器的輸出信號Uo相比較，比較結果產生的誤差輸出電壓Ud正比于Uo兩個信號的相位差，經過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均電壓Ud。這個平均值電壓Ud朝著減少VC0輸出頻率和輸入頻率之差的方向變化，直至VC0輸出平和輸入信號頻率獲得一致。這時兩個信號的頻率相同，兩相位差保持恒定稱作相位鎖定[17]。 3.3.2 信號輸入電路的設計 本系統(tǒng)的信號輸入電流時產生正弦波的振蕩器電流，容三式振蕩器是因為電容的三個端子和器件的三個電極相連接而得名。 R1 R4 VT1 C4 C2 C1 R3 R2 C3 C4 圖3-4 振蕩電路圖模塊 3.3.3 復位電路的設計 AT89C51 Vcc R1 C R2 REST Vcc 圖3-5 復位電路圖模塊 復位電路圖如圖3-5所示:雙線圈的檢測系統(tǒng)所才用的結束檢測的方式給予相同，即在啟動時，并確認車輛到達之后，通過判斷線圈頻率與基頻的差值是否小于一定閾值來判斷車輛是否離開線圈。 第4章 系統(tǒng)軟件設計 4.1 程序流程圖 初始化 蕩脈沖電路單片機產生激起震 檢測中心頻率 是否修正f 是 調用檢測程序 否 判斷是否有車 F偏移量是否大于閾值 是 否 修正f 延時處理 否 是 有車 調用通訊程序 返回 圖4-1 程序流程圖 4.2 設計要點 1. 振蕩電路是由電感和電容組成的，在每次檢測完畢后，由于振蕩頻率的變化，在電容上可能有多余的電荷存在，經過若干次檢測后，積累的電荷將擊穿電容，使設備不能正常工作。所以在設計電路時應該考慮振蕩電路的保護電路。 2. 上述設計思想只是就一個檢測器連接一個地感線的情形。而在實際應用中，一般檢測要連接2~4個地感線圈，可以同時檢測多個車道。這些線圈分別埋在相鄰車道下。因此，振蕩電路起振后，線圈之間可能會引入干擾，另外，電感或電容元件老化也會引起工作誤差。 3. 根據試驗結果，各種干擾和有車通過時都會引起中心頻率的偏移。為了保證系統(tǒng)不會因為干擾而發(fā)生誤操作，據干擾和鎖引起中心頻率偏移的程度不同，預先設定一個閾值，作為判斷有車無車的界限，當中心頻率f偏移大于該閾值時，為有車通過，反之認為無車通過[18]。 4.3 編制軟件程序 車位誘導程序： 系統(tǒng)初始化： 一般情況，直接調用此函數將單片機系統(tǒng)時鐘設置在72MHz SystemInit(); 程序中經常要用到延時函數，在這里為了提高CPU工作效率，不再使用死等待的演示方式，而是采用定時器作延時。 void Delay_Configuration(u8 SYSCLK) { RCC_APB1PeriphClockCmd(Delay_RCC_APB1Periph_TIMx, ENABLE); TIM_PrescalerConfig(Delay_TIMx, SYSCLK, TIM_PSCReloadMode_Update); } 超聲波檢測模塊初始化 //超聲波軟件系統(tǒng)初始化 void Sonic_Init(void) { Sonic_RCC_Configuration(); Sonic_GPIO_Configuration(); Sonic_NVIC_Configuration(); Sonic_TIM_Configuration(); }： //打開超聲波需要使用的系統(tǒng)資源的時鐘 void Sonic_RCC_Configuration(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(SONIC_RCC_APB2Periph_GPIOx_OUT|SONIC_RCC_APB2Periph_GPIOx_IN,ENABLE);//打開時鐘 RCC_APB1PeriphClockCmd(SONIC_RCC_APB1Periph_TIMx,ENABLE); } //這里設置超聲波檢測所需要的引腳的相應功能 void Sonic_GPIO_Configuration(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*波形輸出 驅動超聲波*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=SONIC_GPIO_Pinx_OUT; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//!!!!!!!!!! GPIO_Init(SONIC_GPIOx_OUT,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SONIC_GPIO_Pinx_IN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(SONIC_GPIOx_IN, &GPIO_InitStructure); } //打開中斷，設置中斷優(yōu)先級 void Sonic_NVIC_Configuration(void) { NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0); //設置優(yōu)先級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=SONIC_TIMx_IRQn;//使能外部中斷線1(IRQ通道) NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0; //先占優(yōu)先級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0; //從優(yōu)先級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); } //定時器的初始化配置 void Sonic_TIM_Configuration(void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; /*通用定時器配置*/ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =65535; //TIMx->ARR 設置自動裝載值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =72; //TIMx->PSC 設置預分頻器值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =TIM_CKD_DIV1;//設置時鐘頻率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; /選擇計數器模式 TIM_TimeBaseInit(SONIC_TIMx, & TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure); //默認參數 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1;//模式1設置輸出比較3模式 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //設置為輸出 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse =21; //設置捕獲比較寄存器4值即占空長度 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;//設置輸出極性-高電平 TIM_OC4Init(SONIC_TIMx, &TIM_OCInitStructure); //初始化TIMx通道4. TIM_OC4PreloadConfig(SONIC_TIMx, TIM_OCPreload_Enable); //TIMx->CCMR2 OC4PE 輸出比較4的預加載使能位 TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0; TIM_PWMIConfig(SONIC_TIMx, &TIM_ICInitStructure); /* Select the TIM3 Input Trigger: TI2FP2 */ TIM_SelectInputTrigger(SONIC_TIMx, TIM_TS_TI2FP2); /* Select the slave Mode: Reset Mode */ TIM_SelectSlaveMode(SONIC_TIMx, TIM_SlaveMode_Reset); /* Enable the Master/Slave Mode */ TIM_SelectMasterSlaveMode(SONIC_TIMx, TIM_MasterSlaveMode_Enable); /* TIM enable counter */ TIM_Cmd(SONIC