如何利用虛擬儀器實現(xiàn)停車場車位檢測引導(dǎo)系統(tǒng)

1 引言：

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，家用轎車的數(shù)量急劇增加，而車量數(shù)總體上都遠超出現(xiàn)有的車位數(shù); 但另一方面，卻經(jīng)常出現(xiàn)市內(nèi)部分停車場晝夜車滿為患、處于相同區(qū)位的某些停車場卻長期門前冷落的“奇怪”現(xiàn)象。究其原因，除了停車設(shè)施類型、布局不足的客觀條件和駕車者自身選擇偏愛等主觀因素外，不可否認一定程度上是相當(dāng)數(shù)量的停車設(shè)施缺乏明顯的誘導(dǎo)標(biāo)志.沒有可靠的信息渠道向駕車者提供停車資源狀況所造成的。為了合理引導(dǎo)優(yōu)化停車選擇行為，調(diào)節(jié)停車供需趨于平衡，本文設(shè)計了一種快捷，安全的停車系統(tǒng)。系統(tǒng)包括停車場車位總數(shù)，空車位數(shù)量，目前最近車位等信息。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器的出現(xiàn)使得對停車場的管理也變的簡單，通過軟件面板上的選擇按鈕，實現(xiàn)任意停車區(qū)的信息獲取，起到了實時監(jiān)控的作用。

2. 停車場車位檢測引導(dǎo)系統(tǒng)介紹

2. 1超聲波檢測車位狀態(tài)的原理

超聲波檢測車位狀態(tài)是基于超聲波測距原理實現(xiàn)的，超聲波探頭不易受干擾, 安裝方便, 將超聲波傳感器安裝在車位的正上方, 向下發(fā)射超聲波, 超聲波經(jīng)地面或車輛頂部反射又由傳感器接收, 可獲取超聲波傳輸?shù)臅r間, 從而計算出超聲波傳輸?shù)木嚯x。當(dāng)車位有車時, 超聲波傳輸?shù)木嚯x與無車時是不同的, 由此可判斷泊位上有無車輛停放。為此, 采用超聲波傳感器進行車位檢測器的研制。

如圖1所示，在超聲波檢測車位狀態(tài)的原理圖中，L為超聲波探頭到反射面的距離， L=Vt/2其中：t為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔，v為在空氣中的傳播速度。

圖1 超聲波檢測車位狀態(tài)原理圖

2.2超聲波檢測車位狀態(tài)的實現(xiàn)

根據(jù)超聲波測距的原理，假設(shè)停車場的頂部(探頭所在位置)與地面的高度為2米，空氣的傳播速度認為是不變的。在實際中，如果有車停入時，超聲波發(fā)出后遇到汽車頂部反射,超聲波接收到的時間就要比沒有車時的時間短，可以根據(jù)公式L=Vt/2推出，這樣得到的距離L也就小，實際測得距離小于2m，可以將2m作為比較距離, 把實測距離和2m做比較, 如果小于2m, 則表示車位有車停放,否則說明車位未被占據(jù)。為了克服人在車位上走動時的干擾, 當(dāng)檢測到有車剛停放時, 需要隔幾秒鐘之后再進行確認 。

超聲波檢測車位狀態(tài)的電路包括：超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和單片機電路。如圖2所示。

圖 2 超聲波檢測車位狀態(tài)電路圖

超聲波發(fā)射電路核心器件為TCT40-16(T)，由單片機的P1.0管腳產(chǎn)生頻率為40KHZ的方波信號。為了提高發(fā)射強度, 用推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端,。輸出端采用兩個反相器(集電極開路輸出的門電路)并聯(lián), 用于提高驅(qū)動能力。超聲波接收電路核心器件為CX20106，CX20106是日本索尼公司一款紅外線檢波接收的專用芯片, 常用于電視機紅外遙控接收器，在輸入信號過強時防止前置放大器過載, 設(shè)有帶通濾波器, 頻率f0可由5腳的外接電阻或電位器調(diào)節(jié)。使用時調(diào)節(jié)方便, 抗電磁干擾能力較強?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38K與測距的超聲波頻率40K較為接近,利用CX20106制作超聲波檢測接收電路。當(dāng)接收探頭接收到回波后，把超聲波信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?。再?jīng)過CX20106的放大，濾波，會在INT0產(chǎn)生一個下降沿信號，此信號作為單片機的中斷信號。單片機響應(yīng)中斷后，讀取單片機內(nèi)部定時器的時間，計算距離。通過距離判斷此車位有無停放車輛。如果有車，則把P1.1管腳置為高電平，如果沒有車，則P1.1為低電平。此電平信號作為車位狀態(tài)信息送給車位信息采集模塊。

3 停車場車位檢測引導(dǎo)系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

超聲波車位檢測引導(dǎo)系統(tǒng)的原理框圖如圖3. 車位檢測引導(dǎo)系統(tǒng)由車位檢測器，車位引導(dǎo)屏，方向指示燈等組成。在每個車位設(shè)置一個車位檢測器，通過總線并入管理軟件子系統(tǒng)后，車位引導(dǎo)屏將顯示沿方向指示燈的空余車位數(shù)給司機，引導(dǎo)司機停車，避免司機在車庫內(nèi)找車位的煩惱。若車庫內(nèi)己無車位使用，則入口車位顯示屏顯示“車庫滿位(0)”字樣，不再受理車輛進庫。

車位檢測器由一對超聲波探頭組成，首先由一只超聲波探頭發(fā)出超聲波，再由另一個超聲波探頭接收，把接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號送到單片機，通過單片機的內(nèi)部軟件進行判斷，如有車進入，則單片機控制第1組LED實現(xiàn)加1顯示，如有車離開，則控制LED進行減1顯示，同時單片機控制第二組LED進行當(dāng)前剩余車位的顯示，控制第三組LED進行最近車位的號碼顯示。

圖 3 停車場車位管理系統(tǒng)總體原理圖

為了試驗簡單，停車場車位以8個作為示意。這樣車位總數(shù)可以由一位數(shù)碼管顯示，當(dāng)前空車位數(shù)用一位數(shù)碼管顯示，最近車位號用一位數(shù)碼管顯示。顯示電路由74LS573鎖存器以及共陰極數(shù)碼管組成。

超聲波車位探測器的車位信息由P1口接收。例如，如果P1.1為高電平，說明1號車位有車停放，反之，則說明無車停放。P1口為數(shù)碼管的位選端，高電平有效。P3口的0，1，2管腳為鎖存器的片選端。

4 停車場車位檢測引導(dǎo)系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

采用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序分別編程。本系統(tǒng)軟件主要分為兩大部分，一部分是超聲波探測器部分的程序，主要有40KHZ方波產(chǎn)生，超聲波的發(fā)射控制，距離的計算，車位情況的判斷以及車位信息的發(fā)送。另一部分是車位信息采集及顯示部分的程序，有車位信息采集，計算空車位數(shù)量，最近車位判斷，顯示內(nèi)容。

4.1超聲波探測器程序總體流程圖

超聲波探測器部分的程序主要由超聲波發(fā)射程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。分別如圖4、5所示。

圖4 超聲波發(fā)射程序 圖5 中斷程序

4.2 車位信息采集及顯示部分程序

最近車位判斷原理：把車位由近及遠按順序排隊，即1號車位最近，8號車位最遠。1號車位超聲波探測器的信息輸出端即P1.1接車位信息采集及顯示模塊的P1.1,依次接線。車位信息采集及顯示模塊掃描P1口，第一個低電位的車位即為最近車位。本模型只接了8個車位示意，在實際應(yīng)用中可通過多路數(shù)據(jù)選擇器等器件方便的擴展。流程圖如下圖6。

圖6 車位信息采集及顯示部分程序流程圖

4.3 車位監(jiān)測控制系統(tǒng)的軟件管理系統(tǒng)

管理軟件系統(tǒng)是整套停車庫智能管理系統(tǒng)的核心部分。雖然因停車庫功能的不同需求其軟件的組成有所不同，但它應(yīng)該是一套先進的停車庫自動化管理程序。它不僅要為建設(shè)單位提供一種靈活，有效的管理模式，而且要具備自維護功能和一定的擴展性，以適應(yīng)將來功能的需要。目前主要是空車位數(shù)、最近車位號等，入場引導(dǎo)方式主要是:停車場外入口車位顯示屏。如圖 7所示。

圖 7 車位檢測控制系統(tǒng)的管理軟件

圖 7中的設(shè)計采用了 VISA的串行通訊子 VI來開發(fā)串行通信軟件。VISA庫駐留在計算機系統(tǒng)中，完成計算機與儀器之間的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制。VISA本身不具有編程能力，它是一個高層次API。通過調(diào)用低層驅(qū)動程序來實現(xiàn)對儀器的編程。VISA的 I/O控制適用于 VXI儀器、GPIB儀器、RS-232串行儀器等類型。VISA串口子 VI共有 5個串口通信節(jié)點，分別是實現(xiàn)尋找設(shè)備號、串口初始化、串口寫、串口讀、檢測串口緩存、關(guān)閉串行設(shè)備的任務(wù)或事件功能。程序設(shè)計如圖 5所示。

首先是對串口的初始化設(shè)置：波特率9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，串口號為1。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，通過 VISA Write向單片機發(fā)送“發(fā)送請求命令 1”，由于 Labview的串行通信子 VI只允許對字符串難道讀寫，因此在數(shù)據(jù)處理時，必須進行字符串與數(shù)字的轉(zhuǎn)換，我們采用字符串到數(shù)字的轉(zhuǎn)換函數(shù)來實現(xiàn)。另外在接到計算機發(fā)送來的請求信號后，單片機則回應(yīng)應(yīng)答信號3，計算機通過 VISA Read.vi節(jié)點讀取單片機的應(yīng)答信號，并且判斷是否收到3來控制順序結(jié)構(gòu)中的While循環(huán)，若計算機沒有收到單片機的應(yīng)答信號則重發(fā)“發(fā)送請求命令”，若收到應(yīng)答信號則順序執(zhí)行下面的程序，即通過 VISA Read.vi節(jié)點讀取數(shù)據(jù)。最后對取得的數(shù)據(jù)進行處理、顯示。

5、總結(jié)

該系統(tǒng)經(jīng)過多次實驗測試,能夠?qū)崿F(xiàn)距離檢測準(zhǔn)確,車位信息判斷無誤, 從所采用的器件的價格來看,該系統(tǒng)成本較低, 在實際安裝時也較為方便。在測量范圍滿足實際室內(nèi)停車場的要求后, 將車位檢測器一方面與單片機先連，通過單片機內(nèi)部處理、顯示;另一方面與停車場內(nèi)的總線接口相連，通過總線傳輸給中央控制器,由虛擬儀器LABVIEW軟件進行處理，實現(xiàn)對停車場的智能化管理。

本系統(tǒng)的測距誤差主要來源于以下幾方面:

(1) 超聲波束對探測目標(biāo)的入射角的影響。

(2) 超聲波回波的聲強與待測距離的遠近有直接關(guān)系, 因此,測距誤差也與待測距離有關(guān)。

(3) 超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件。對于測距而言, 引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化。本系統(tǒng)硬件上沒有溫度檢測功能, 不能進行溫度補償。若采用溫度檢測和聲速預(yù)置的方法對聲速進行修正, 可以有效地消除溫度變化對測距精度的影響。

本文作者創(chuàng)新點是：采用超聲波探測車位狀態(tài)，利用虛擬儀器實現(xiàn)監(jiān)控，使系統(tǒng)具有成本低、硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等特點。它不僅可用于汽車停車泊位, 還可以用于其它檢測系統(tǒng)中。