基于CAN總線的大型停車場智能引導系統設計

（東莞理工學院城市學院，廣東 東莞 523419）

近年來，人們經濟水平的提高和汽車行業的迅速發展，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設施的增長速度。以北京為例，2009年城市汽車保有量為480.9萬輛，經營性停車場5 194個，經營性停車位總數達125萬個。截至2014年底，全國機動車保有量達2.64億輛，機動車駕駛人突破3億。其中汽車駕駛人超過2.46億，駕齡不滿1年的駕駛人2 967萬，占總數的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。根據政府部門和城市交通管理部門的統計，停車場的數量以及停車位的數量都很有限，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]，經濟發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，更帶來環境污染和噪聲污染。因此，采用先進的計算機技術、網絡技術、物聯網技術等使城市停車管理及引導系統能夠實現精確、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新和突破是非常必要的，具有十分重要的現實意義。

一、整體方案設計

基于CAN總線的大型停車場智能引導系統按功能可分為四層：感知層、網絡層、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；網絡層通過協議轉換將信息上傳至后臺管理計算機及數據庫；信息層對數據庫數據信息通過云計算、數據分析管理、流量監控、數據存儲等，實現如WEB百度地圖、搜索引擎、信息安全等各種公共服務平臺對數據的訪問及應用；通過信息層的平臺開放接口，政府部門、交通局、旅游區、車輛輔助控制、手機客戶端等做出對應決策行為[2-4]。

該智能引導系統主要由車位探測器、控制器、LED顯示屏、行車指示燈、計算機管理系統等組成，系統的結構拓撲圖如圖1所示。實現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量和各區剩余車位數量；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現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、可靠的分析數據，提高停車場管理水平；5.集中管理，將數據匯總，并進行數據挖掘和分析，為政府相關部門運營決策提供支持；6.通過道路車流數據分析，對停車位規劃和管理手段的實施效果進行量化評估；7.對路內、路外停車場的停車數據進行統計和分析，為城市停車位的規劃布局提供決策依據；8.開放數據接口，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拓撲圖

二、硬件設計

根據總體結構設計，本系統硬件設計主要由主控芯片模塊、電源模塊、車位檢測器、行車指示燈、通訊設計、控制器及LED屏顯等部分組成，系統硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖

（一）主控芯片設計

本系統采用以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內部有8K字節片內Flash程序存儲器，擦出次數10萬次以上，有片內EEPROM功能。

（二）電源設計

性能穩定的電源是系統穩定工作的前提?？紤]到系統因多節點和遠距離供電下的電壓衰減現象而導致的設備供電不穩定，系統選用LM2576-5.0電源芯片為各模塊供電。該電源芯片是3A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，它內含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩壓器（1.23V），并具有限流及熱關斷電路等完善的保護電路，只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，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，系統便可發出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Echo管腳輸出高電平的持續時間可以計算距離值。超聲波的速度與溫度有關，但在精度要求不嚴格的場合可以忽略溫度所帶來的影響，否則就應通過溫度補償的方法加以矯正。

（四）行車指示燈設計

行車指示燈的作用在于指示某一區域總體的停車情況，如果該區域車位已滿，行車指示燈就在這區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境污染問題。該行車指示燈的安轉位置如圖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區域的車位情況，最下面區域的車位已經停滿，所以在入口處左拐的行車指示燈顯示紅色，提前告知司機此區域已經停滿了，沒有車位了。中間區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域，方便快速找到車位。

圖4 行車指示燈使用位置

（五）通訊設計

本系統采用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絡協議控制器，完全支持CANV2.0B技術規范，能發送和接收標準和擴展數據幀以及遠程幀。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的連接是通過業界標準串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）來實現的。

CAN接收器采用TJA1050，可以為總線提供不同的發送性能，為CAN控制器提供不同的接受性能。其在原有產品上做了改進之后，使得CANH和CANL理想配合，將電磁輻射減到更低，同時在有不上電節點時，性能有所改進。其自身所附帶的限流電路，保護發送器的輸出級，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CAN模塊集成微處理器、CAN-bus控制器、CAN-bus收發器、DC-DC轉換、高速光電隔離于一體。該產品可以很方便地嵌入到具有 UART接口的設備中，在不需改變原有硬件結構的前提下使設備獲得CAN-bus通訊接口，實現UART設備和CAN-bus網絡之間的數據通訊。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?，將數據通過RS232傳輸發送到LED控制板上，從而實現空車位數量的實時顯示。

三、后臺軟件設計

后臺監控系統是用Visual C++基于Windows平臺設計的用戶程序。其思路是車位探測器對不同ID的車位進行探測。為了保證數據足夠準確，每一個探測器需要統計規定時間內的所檢測得到最多信號，并以這個信號為準，把對應車位的ID和車位信息拼接成一種符合CAN數據幀的格式上傳到CAN總線，然后經過CAN轉TCP/IP模塊，上傳至后臺監控軟件，同時將數據存儲進數據庫，管理員就可以通過后臺監控軟件時刻查詢了解停車場的實時情況。結合后臺軟件的監控、日程安排、告警、事件管理和群組管理等功能，實現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分車輛停泊時間，從而實現車牌識別、計費、發票打印、歷史數據查詢和統計、報表生成等功能[10-15]，功能結構如圖6所示，軟件流程圖如圖7所示。

圖6 功能結構圖

圖7 軟件流程圖

后臺監控軟件設計的核心是數據采集系統設計。數據采集系統主要把CAN轉TCP/IP轉換器上傳的數據進行逐一的采集分析并保存至數據庫。數據采集流程如下圖8所示。

圖8 數據采集流程圖

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

四、小結

針對停車場和停車位的分布性特點，設計了基于CAN總線的大型停車場智能引導系統，利用超聲波測距原理能夠準確地檢測出車位使用狀態信息，采用4級拓撲結構，將停車場誘導、控制、管理集成一體，遵循TCP/IP協議，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。電源的直流傳輸和LED光源的使用，使整系統安全、節能；同時系統安裝簡單、方便維護。該智能引導系統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、節能減排、改善城市道路交通環境等問題提供便利，非常適用于各種大中型停車場和旅游區、火車站和購物中心等公共停車場。

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