網(wǎng)絡(luò)型停車場控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)型機動車停車場控制管理系統(tǒng)是以單片機為執(zhí)行核心，以計算機軟件為管理核心，提出一種監(jiān)控自動化、信息管理自動化網(wǎng)絡(luò)解決方案。通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RS 485工業(yè)總線的應(yīng)用，車場規(guī)?？梢詿o限制擴展。在門禁控制機中加入信息存儲電路，有效地避免了通信堵塞現(xiàn)象，同時信息存電路又可作為臨時的上位機熱備份機，即使上位機短時間失效停機，系統(tǒng)的監(jiān)控運作依然正常。這樣的小冗余度設(shè)計實現(xiàn)了上下位機互補、軟硬件互補的運行，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定無差錯運行。
關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò)；RS 485；備份機；數(shù)據(jù)采集

    網(wǎng)絡(luò)型機動車停車場控制管理系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的高度分散性，無論是擴充系統(tǒng)的規(guī)模。還是使用者使用的便利性都得到了最大的發(fā)揮。通過已經(jīng)相當(dāng)成熟的RS 485工業(yè)總線對底層設(shè)備進行連接，具有可靠性高，開發(fā)成本低的特點。通過對傳感器數(shù)據(jù)采集，讓使用者從車輛進入車場到停放車位都是在一個簡單、安全、高效的環(huán)境下進行的。使用者對于停車場完全是自助式使用，管理方對停車場的管理也是在計算機自動執(zhí)行之中進行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)、上位機、下位機三大模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    網(wǎng)絡(luò)模塊網(wǎng)絡(luò)模塊指的是各管理機或者服務(wù)器主機通過網(wǎng)絡(luò)適配器，網(wǎng)絡(luò)連線組網(wǎng)，用戶通過網(wǎng)頁進行預(yù)定停車位和網(wǎng)絡(luò)付款。通過計算機管理可以建成大規(guī)模的停車場管理系統(tǒng)，適宜現(xiàn)代化大型物業(yè)公司對多個地域分布的停車場進行集中統(tǒng)一管理；RS 485串行通信總線用于加掛停車場的執(zhí)行單元，如監(jiān)控主機、門禁控制機、收費機、身份識別設(shè)備等低速設(shè)備，并與上位計算機進行通信。
    上位機模塊指各分布停車場的管理計算機或者擴大規(guī)模后的服務(wù)器。通過管理軟件管理停車場車位數(shù)據(jù)庫，接收用戶的網(wǎng)絡(luò)預(yù)訂和管理員的管理，通過RS 232通信接口經(jīng)信號電平轉(zhuǎn)換為RS 485通信電平后與下位機進行通信，控制停車場的各個執(zhí)行單元，上位機與閉路圖像監(jiān)視單元連接用于監(jiān)視停車場的實時安全動態(tài)。
    下位機模塊車位監(jiān)控單元由兩片單片機構(gòu)成的監(jiān)控主控制機和熱備份機組成；通過光電耦合模塊控制由光電傳感器構(gòu)成的車位監(jiān)控電路對車位進行實時監(jiān)控；因采用總線技術(shù)，所以停車場車位的數(shù)量可以依據(jù)需要進行擴展，出入門禁控制單元包括由單片機、實時時鐘、存儲器、LCD顯示器、鍵盤、控制輸出電路組成的控制機；既可作為門禁的開啟與關(guān)閉控制，又可作為上位機短時間故障的熱備份機運作。出入庫身份識別單元包括無線射頻識別和紅外線條碼識別，用于識別用戶的身份信息?？偩€上連接著自動收費單元，與目前的自動售貨機類似。

2 下位門禁控制機電路設(shè)計
    下位機門禁管理模塊是出入車場的最先和最末環(huán)節(jié)，只有設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，使用人性化的系統(tǒng)才會受到歡迎。該模塊采用模塊化設(shè)計，由電源電路、控制機主機、門禁時鐘電路、車位信息存儲電路、門禁通信電路、門禁執(zhí)行控制電路、門禁信息輸入電路、門禁信息輸出電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2．1 門禁控制機主電路
    控制機控制芯片采用美國Atmel公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位單片機AT89S51，片內(nèi)含4 KB的指令系統(tǒng)，不僅應(yīng)用于許多高性價比的電路中，也可靈活用于各種控制領(lǐng)域，所以其控制核心選用AT89S51芯片?？刂茩C主電路工作原理如圖3所示。

    控制主機的外部時鐘，系統(tǒng)使用串口通信，將通信的波特率定為9 600 b／s，選用11．059 2 MHz的石英晶振，再連接兩個20～30 pF之間的微調(diào)電容，即構(gòu)成時鐘源。單片機有效復(fù)位電路采用的是單片機上電復(fù)位和單片機手動電平復(fù)位兩種方法，通過查詢AT89S51資料得知，其復(fù)位時間為RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平而使單片機復(fù)位。選用11．059 2 MHz的晶振可以確定其機器周期小于1μs，因此選用電容容量為22μF，電阻為1 kΩ的上電復(fù)位電路，使用手動電平復(fù)位選用200 Ω的電阻。在P0口使用阻值為10 kΩ的排阻作上拉電阻。液晶LCD顯示器用P0口；輸入鍵盤使用P1口；P2口一部分給液晶顯示器輸出的控制腳使用，剩余的用作連接門禁控制電動機驅(qū)動信號或報警信號驅(qū)動端；P3口一部分用于時鐘和數(shù)據(jù)存儲芯片的I2C引腳通過電阻上拉，一部分連接TTL－RS 485電路用于通信，一部分用于中斷，多余的用于輸出控制使用。

    由于門禁控制機部分連接有時鐘電路和信息儲存電路，因此該電路的另外一個重要用途就是用于作為上位機(PC機)短時間故障恢復(fù)時提供臨時的應(yīng)急控制用的熱備份機(熱備機)。
2．2 門禁控制機信息儲存電路
    如果設(shè)備運行于停車高峰時間，可能使系統(tǒng)出現(xiàn)所有下位設(shè)備同時訪問上位機的情形，這樣會造成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信堵塞而引起系統(tǒng)監(jiān)控失靈等現(xiàn)象。因此門禁控制機中加入信息存儲電路，可以有效緩沖通信壓力，避免通信堵塞現(xiàn)象。同時信息存儲部分又可作為臨時的上位機和熱備份機，即使上位機短時間失效停機，系統(tǒng)的監(jiān)控運作依然正常。這樣的小冗余度設(shè)計可使上下位機互補運行，軟硬件互補運行。
    門禁系統(tǒng)分為前／后門禁模塊。前／后門禁模塊電路的設(shè)計相同，但是用途和程序不同，系統(tǒng)存儲的信息也不同。前門禁主要是存儲車位信息和使用情況，后門禁存儲車位密碼、停車時間、金額等信息。綜合信息的存儲密度使用AT24C08A或者AT24C16A為存儲單元。設(shè)計中地址線可以根據(jù)需要進行調(diào)整，該設(shè)計是將地址線接地。寫允許接地有效。
2．3 門禁控制機信息顯示電路
    門禁控制機的信息輸出可以通過兩種途徑，控制機顯示輸出和上位機主屏幕輸出?？刂茩C輸出可作為上位機故障的備份顯示屏，供臨時使用，設(shè)計中使用LCD液晶顯示模塊進行輸出。一般的液晶顯示模塊都有8個數(shù)據(jù)傳輸引腳和5～8個控制引腳，剩余的就是液晶背景電源和顯示屏亮度調(diào)節(jié)引腳，只需要進行連接就可以。該設(shè)計中采用RTl2032點陣液晶顯示。
2．4 門禁控制機信息輸入設(shè)備電路
    出入門禁信息的輸入使用的是門禁識別系統(tǒng)，如無線射頻識別模塊、紅外線條碼識別模塊。但是，也可以輸入密碼形式，這樣既可以提供多于一套的驗證系統(tǒng)，又可以靈活使用。信息輸入設(shè)備使用4×4矩陣掃描型鍵盤，12個按鍵作為輸入數(shù)字，確認(rèn)和重新輸入使用，4個按鍵與控制機中斷連接作功能鍵使用。譬如存車、取車、報警、故障等，并使用二極管隔離，以防止干擾。
2．5 門禁控制機通信接口電平轉(zhuǎn)換電路
    設(shè)計中涉及RS 485工業(yè)總線的單元都要進行電平轉(zhuǎn)換，主要指TTL—RS 485電平轉(zhuǎn)換和RS 232一RS 485電平轉(zhuǎn)換。其中，RS 232一RS 485電平轉(zhuǎn)換分成RS 232一TTL，TTL—RS 485兩個轉(zhuǎn)換部分。
    應(yīng)用MAX232設(shè)計RS 232一TTL電平的轉(zhuǎn)換電路，電路中的電源使用了串口取電技術(shù)，電路中用發(fā)光二極管作為電源和通信指示燈。
    TTL一RS 485電平轉(zhuǎn)換電路采用具有符合RS 485通信電平標(biāo)準(zhǔn)的MAX 485系列集成電路進行設(shè)計，其電路如圖4所示。
    當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)流流入TXD端口，經(jīng)MAX 485進行電平轉(zhuǎn)換后，通過J6輸出RS 485高或低的差分電平信號；當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，RS 485高或低的差分電平信號通過J6進入MAX 485進行電平轉(zhuǎn)換后，通過RXD端口流出TTL電平信號。只要程序能保證不同時進行接收和發(fā)送的操作，即保證是半雙工傳送數(shù)據(jù)，程序不必用指令控制 DE／RE進行接收和發(fā)送的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換由硬件電路本身完成。
2．6 門禁控制機執(zhí)行電路設(shè)計
    用門禁控制機的I／O口控制驅(qū)動信號電平。門禁控制機執(zhí)行機構(gòu)接收門禁控制信號，驅(qū)動電機動作，控制門禁開啟與關(guān)閉和控制車輛進出門禁。用MOSFET連接成H型橋路驅(qū)動直流電機動作，在MOSFET兩端并聯(lián)二極管作為序流二極管，以有效保護MOSFET，延長器件壽命。

3 下位機車位監(jiān)控控制機電路設(shè)計
    下位機車位監(jiān)控模塊是構(gòu)成閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，它的設(shè)計好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，是停車場管理系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該部分也采用了模塊化設(shè)計，具體可以分為監(jiān)控電源電路、監(jiān)控控制機主電路、監(jiān)控耦合電路、車位監(jiān)控與顯示電路、控制機通信電路等結(jié)構(gòu)，其原理框圖如圖5所示。

    監(jiān)控控制機通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與門禁控制機通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計相同。車位實時監(jiān)控與顯示電路的電源應(yīng)獨立設(shè)計，避免遭受外界信號的干擾。
    車位監(jiān)控控制機電路同樣使用AT89S51單片機作為控制器，但是每64個車位使用兩片單片機構(gòu)成主機與熱備份機結(jié)構(gòu)。用單片機的P0，P2端口構(gòu)成8× 8矩陣掃描電路，監(jiān)控64個車位。P1端口作為停車場狀態(tài)監(jiān)控的輸入端口，單片機串口(P3．0，P3．1)與MAX 485連接，進行TTL電平與RS 485電平的轉(zhuǎn)換。當(dāng)主機工作時，熱備份機進入休眠狀態(tài)。監(jiān)控顯示電路的功能是車位號顯示和反饋車位信息，由傳感器、七段數(shù)碼管等元件構(gòu)成。
    由于光電傳感器受到灰塵、安裝環(huán)境的影響，而且考慮大批量制造成本高等問題。所以在系統(tǒng)中選用了單刀雙擲開關(guān)作為檢測傳感器，機械監(jiān)測方式具有工作穩(wěn)定壽命長久，可以埋地，受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點。將微動開關(guān)放于圓筒內(nèi)，發(fā)光二極管放于方槽內(nèi)上面用玻璃遮蓋，用于指示停車狀況，將單刀雙擲開關(guān)鋪設(shè)于汽車前輪胎的位置，通過車輛的重力進行開關(guān)切換。監(jiān)控顯示電路與監(jiān)控控制機通過信號耦合電路連接，信號耦合電路使用光電耦合器(型號：PLP521)，能夠很好地隔離外界干擾，保證控制電路的車位信息識別準(zhǔn)確、穩(wěn)定工作。車位監(jiān)控電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

    圖6中對車位監(jiān)控模塊的控制電路電源與監(jiān)控顯示電路電源進行分開設(shè)計，以防止遠(yuǎn)距離信號傳輸時外界的干擾信號，這也是使用光耦合器件進行電路隔離的目的。監(jiān)控顯示電路應(yīng)使用具有大電流輸出能力的5 V電源，以保證每個車位的顯示亮度足夠。

4 系統(tǒng)測試
    車輛出／入門禁存放過程計算機虛擬演示如圖7所示。車輛進入門禁后通過入口門禁身份校驗，包括紅外條碼掃描、無線射頻卡識別、觸摸屏軟鍵盤或者單片機硬鍵盤進行身份識別后進入車位，車輛到位后監(jiān)控顯示電路動作，并切換信號。車輛出庫時停車位指示電路再次動作，再出門禁控制機將通過與入口門禁相同的方式進行身份識別后繳費放行車輛，整個工作過程的每步動作將在系統(tǒng)全程監(jiān)控下進行，數(shù)據(jù)庫停車場事件表格實時記錄數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語
    停車場車位管理系統(tǒng)的設(shè)計是一個以單片機技術(shù)、計算機軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的閉環(huán)型管理控制系統(tǒng)，能夠?qū)囄粍討B(tài)、車場運行情況進行全面監(jiān)控。使系統(tǒng)控制簡單，工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)差錯率低，控制范圍廣，是一個采用模塊化設(shè)計、有自檢自恢復(fù)能力、有多種信息輸入類型、多種顯示輸出類型的系統(tǒng)。同時系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計，易于擴展規(guī)模，系統(tǒng)預(yù)留了充足的接口空間，可與現(xiàn)在公安部門安全系統(tǒng)對接，實現(xiàn)公共安全資源的充分利用。用戶可以隨到隨停，可以網(wǎng)絡(luò)預(yù)定，結(jié)算方式多樣，系統(tǒng)的人性化程度高，不僅能夠分時段收費，而且可以設(shè)置免費停車時間等功能。