如何利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)

1 引言：

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，家用轎車(chē)的數(shù)量急劇增加，而車(chē)量數(shù)總體上都遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的車(chē)位數(shù); 但另一方面，卻經(jīng)常出現(xiàn)市內(nèi)部分停車(chē)場(chǎng)晝夜車(chē)滿(mǎn)為患、處于相同區(qū)位的某些停車(chē)場(chǎng)卻長(zhǎng)期門(mén)前冷落的“奇怪”現(xiàn)象。究其原因，除了停車(chē)設(shè)施類(lèi)型、布局不足的客觀(guān)條件和駕車(chē)者自身選擇偏愛(ài)等主觀(guān)因素外，不可否認(rèn)一定程度上是相當(dāng)數(shù)量的停車(chē)設(shè)施缺乏明顯的誘導(dǎo)標(biāo)志.沒(méi)有可靠的信息渠道向駕車(chē)者提供停車(chē)資源狀況所造成的。為了合理引導(dǎo)優(yōu)化停車(chē)選擇行為，調(diào)節(jié)停車(chē)供需趨于平衡，本文設(shè)計(jì)了一種快捷，安全的停車(chē)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括停車(chē)場(chǎng)車(chē)位總數(shù)，空車(chē)位數(shù)量，目前最近車(chē)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(duì)停車(chē)場(chǎng)的管理也變的簡(jiǎn)單，通過(guò)軟件面板上的選擇按鈕，實(shí)現(xiàn)任意停車(chē)區(qū)的信息獲取，起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。

2. 停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)介紹

2. 1超聲波檢測(cè)車(chē)位狀態(tài)的原理

超聲波檢測(cè)車(chē)位狀態(tài)是基于超聲波測(cè)距原理實(shí)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(chē)位的正上方, 向下發(fā)射超聲波, 超聲波經(jīng)地面或車(chē)輛頂部反射又由傳感器接收, 可獲取超聲波傳輸?shù)臅r(shí)間, 從而計(jì)算出超聲波傳輸?shù)木嚯x。當(dāng)車(chē)位有車(chē)時(shí), 超聲波傳輸?shù)木嚯x與無(wú)車(chē)時(shí)是不同的, 由此可判斷泊位上有無(wú)車(chē)輛停放。為此, 采用超聲波傳感器進(jìn)行車(chē)位檢測(cè)器的研制。

如圖1所示，在超聲波檢測(cè)車(chē)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(shí)間間隔，v為在空氣中的傳播速度。

圖1 超聲波檢測(cè)車(chē)位狀態(tài)原理圖

2.2超聲波檢測(cè)車(chē)位狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，假設(shè)停車(chē)場(chǎng)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(rèn)為是不變的。在實(shí)際中，如果有車(chē)停入時(shí)，超聲波發(fā)出后遇到汽車(chē)頂部反射,超聲波接收到的時(shí)間就要比沒(méi)有車(chē)時(shí)的時(shí)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(shí)際測(cè)得距離小于2m，可以將2m作為比較距離, 把實(shí)測(cè)距離和2m做比較, 如果小于2m, 則表示車(chē)位有車(chē)停放,否則說(shuō)明車(chē)位未被占據(jù)。為了克服人在車(chē)位上走動(dòng)時(shí)的干擾, 當(dāng)檢測(cè)到有車(chē)剛停放時(shí), 需要隔幾秒鐘之后再進(jìn)行確認(rèn) 。

超聲波檢測(cè)車(chē)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(jī)電路。如圖2所示。

圖 2 超聲波檢測(cè)車(chē)位狀態(tài)電路圖

超聲波發(fā)射電路核心器件為T(mén)CT40-16(T)，由單片機(jī)的P1.0管腳產(chǎn)生頻率為40KHZ的方波信號(hào)。為了提高發(fā)射強(qiáng)度, 用推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端,。輸出端采用兩個(gè)反相器(集電極開(kāi)路輸出的門(mén)電路)并聯(lián), 用于提高驅(qū)動(dòng)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(xiàn)檢波接收的專(zhuān)用芯片, 常用于電視機(jī)紅外遙控接收器，在輸入信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí)防止前置放大器過(guò)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(shí)調(diào)節(jié)方便, 抗電磁干擾能力較強(qiáng)?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38K與測(cè)距的超聲波頻率40K較為接近,利用CX20106制作超聲波檢測(cè)接收電路。當(dāng)接收探頭接收到回波后，把超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)。再經(jīng)過(guò)CX20106的放大，濾波，會(huì)在INT0產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)，此信號(hào)作為單片機(jī)的中斷信號(hào)。單片機(jī)響應(yīng)中斷后，讀取單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)間，計(jì)算距離。通過(guò)距離判斷此車(chē)位有無(wú)停放車(chē)輛。如果有車(chē)，則把P1.1管腳置為高電平，如果沒(méi)有車(chē)，則P1.1為低電平。此電平信號(hào)作為車(chē)位狀態(tài)信息送給車(chē)位信息采集模塊。

3 停車(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

超聲波車(chē)位檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)的原理框圖如圖3. 車(chē)位檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)由車(chē)位檢測(cè)器，車(chē)位引導(dǎo)屏，方向指示燈等組成。在每個(gè)車(chē)位設(shè)置一個(gè)車(chē)位檢測(cè)器，通過(guò)總線(xiàn)并入管理軟件子系統(tǒng)后，車(chē)位引導(dǎo)屏將顯示沿方向指示燈的空余車(chē)位數(shù)給司機(jī)，引導(dǎo)司機(jī)停車(chē)，避免司機(jī)在車(chē)庫(kù)內(nèi)找車(chē)位的煩惱。若車(chē)庫(kù)內(nèi)己無(wú)車(chē)位使用，則入口車(chē)位顯示屏顯示“車(chē)庫(kù)滿(mǎn)位(0)”字樣，不再受理車(chē)輛進(jìn)庫(kù)。

車(chē)位檢測(cè)器由一對(duì)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(gè)超聲波探頭接收，把接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的內(nèi)部軟件進(jìn)行判斷，如有車(chē)進(jìn)入，則單片機(jī)控制第1組LED實(shí)現(xiàn)加1顯示，如有車(chē)離開(kāi)，則控制LED進(jìn)行減1顯示，同時(shí)單片機(jī)控制第二組LED進(jìn)行當(dāng)前剩余車(chē)位的顯示，控制第三組LED進(jìn)行最近車(chē)位的號(hào)碼顯示。

圖 3 停車(chē)場(chǎng)車(chē)位管理系統(tǒng)總體原理圖

為了試驗(yàn)簡(jiǎn)單，停車(chē)場(chǎng)車(chē)位以8個(gè)作為示意。這樣車(chē)位總數(shù)可以由一位數(shù)碼管顯示，當(dāng)前空車(chē)位數(shù)用一位數(shù)碼管顯示，最近車(chē)位號(hào)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(chē)位探測(cè)器的車(chē)位信息由P1口接收。例如，如果P1.1為高電平，說(shuō)明1號(hào)車(chē)位有車(chē)停放，反之，則說(shuō)明無(wú)車(chē)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(chē)場(chǎng)車(chē)位檢測(cè)引導(dǎo)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)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(cè)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(jì)算，車(chē)位情況的判斷以及車(chē)位信息的發(fā)送。另一部分是車(chē)位信息采集及顯示部分的程序，有車(chē)位信息采集，計(jì)算空車(chē)位數(shù)量，最近車(chē)位判斷，顯示內(nèi)容。

4.1超聲波探測(cè)器程序總體流程圖

超聲波探測(cè)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(chē)位信息采集及顯示部分程序

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

圖6 車(chē)位信息采集及顯示部分程序流程圖

4.3 車(chē)位監(jiān)測(cè)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(chē)庫(kù)智能管理系統(tǒng)的核心部分。雖然因停車(chē)庫(kù)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(jìn)的停車(chē)庫(kù)自動(dòng)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(hù)功能和一定的擴(kuò)展性，以適應(yīng)將來(lái)功能的需要。目前主要是空車(chē)位數(shù)、最近車(chē)位號(hào)等，入場(chǎng)引導(dǎo)方式主要是:停車(chē)場(chǎng)外入口車(chē)位顯示屏。如圖 7所示。

圖 7 車(chē)位檢測(cè)控制系統(tǒng)的管理軟件

圖 7中的設(shè)計(jì)采用了 VISA的串行通訊子 VI來(lái)開(kāi)發(fā)串行通信軟件。VISA庫(kù)駐留在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，完成計(jì)算機(jī)與儀器之間的連接，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程序控制。VISA本身不具有編程能力，它是一個(gè)高層次API。通過(guò)調(diào)用低層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lèi)型。VISA串口子 VI共有 5個(gè)串口通信節(jié)點(diǎn)，分別是實(shí)現(xiàn)尋找設(shè)備號(hào)、串口初始化、串口寫(xiě)、串口讀、檢測(cè)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(jì)如圖 5所示。

首先是對(duì)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(wú)校驗(yàn)位，串口號(hào)為1。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò) VISA Write向單片機(jī)發(fā)送“發(fā)送請(qǐng)求命令 1”，由于 Labview的串行通信子 VI只允許對(duì)字符串難道讀寫(xiě)，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)，必須進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。另外在接到計(jì)算機(jī)發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求信號(hào)后，單片機(jī)則回應(yīng)應(yīng)答信號(hào)3，計(jì)算機(jī)通過(guò) VISA Read.vi節(jié)點(diǎn)讀取單片機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，并且判斷是否收到3來(lái)控制順序結(jié)構(gòu)中的While循環(huán)，若計(jì)算機(jī)沒(méi)有收到單片機(jī)的應(yīng)答信號(hào)則重發(fā)“發(fā)送請(qǐng)求命令”，若收到應(yīng)答信號(hào)則順序執(zhí)行下面的程序，即通過(guò) VISA Read.vi節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)。最后對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示。

5、總結(jié)

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試,能夠?qū)崿F(xiàn)距離檢測(cè)準(zhǔn)確,車(chē)位信息判斷無(wú)誤, 從所采用的器件的價(jià)格來(lái)看,該系統(tǒng)成本較低, 在實(shí)際安裝時(shí)也較為方便。在測(cè)量范圍滿(mǎn)足實(shí)際室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)的要求后, 將車(chē)位檢測(cè)器一方面與單片機(jī)先連，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部處理、顯示;另一方面與停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的總線(xiàn)接口相連，通過(guò)總線(xiàn)傳輸給中央控制器,由虛擬儀器LABVIEW軟件進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車(chē)場(chǎng)的智能化管理。

本系統(tǒng)的測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾方面:

(1) 超聲波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響。

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

(3) 超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件。對(duì)于測(cè)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(méi)有溫度檢測(cè)功能, 不能進(jìn)行溫度補(bǔ)償。若采用溫度檢測(cè)和聲速預(yù)置的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正, 可以有效地消除溫度變化對(duì)測(cè)距精度的影響。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：采用超聲波探測(cè)車(chē)位狀態(tài)，利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，使系統(tǒng)具有成本低、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等特點(diǎn)。它不僅可用于汽車(chē)停車(chē)泊位, 還可以用于其它檢測(cè)系統(tǒng)中。