網(wǎng)絡(luò)型停車場(chǎng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)型機(jī)動(dòng)車停車場(chǎng)控制管理系統(tǒng)是以單片機(jī)為執(zhí)行核心，以計(jì)算機(jī)軟件為管理核心，提出一種監(jiān)控自動(dòng)化、信息管理自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)解決方案。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RS 485工業(yè)總線的應(yīng)用，車場(chǎng)規(guī)模可以無限制擴(kuò)展。在門禁控制機(jī)中加入信息存儲(chǔ)電路，有效地避免了通信堵塞現(xiàn)象，同時(shí)信息存電路又可作為臨時(shí)的上位機(jī)熱備份機(jī)，即使上位機(jī)短時(shí)間失效停機(jī)，系統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)作依然正常。這樣的小冗余度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)互補(bǔ)、軟硬件互補(bǔ)的運(yùn)行，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定無差錯(cuò)運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；RS 485；備份機(jī)；數(shù)據(jù)采集

    網(wǎng)絡(luò)型機(jī)動(dòng)車停車場(chǎng)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(kuò)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(duì)底層設(shè)備進(jìn)行連接，具有可靠性高，開發(fā)成本低的特點(diǎn)。通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集，讓使用者從車輛進(jìn)入車場(chǎng)到停放車位都是在一個(gè)簡(jiǎn)單、安全、高效的環(huán)境下進(jìn)行的。使用者對(duì)于停車場(chǎng)完全是自助式使用，管理方對(duì)停車場(chǎng)的管理也是在計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行之中進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)、下位機(jī)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(jī)或者服務(wù)器主機(jī)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(jìn)行預(yù)定停車位和網(wǎng)絡(luò)付款。通過計(jì)算機(jī)管理可以建成大規(guī)模的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，適宜現(xiàn)代化大型物業(yè)公司對(duì)多個(gè)地域分布的停車場(chǎng)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理；RS 485串行通信總線用于加掛停車場(chǎng)的執(zhí)行單元，如監(jiān)控主機(jī)、門禁控制機(jī)、收費(fèi)機(jī)、身份識(shí)別設(shè)備等低速設(shè)備，并與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
    上位機(jī)模塊指各分布停車場(chǎng)的管理計(jì)算機(jī)或者擴(kuò)大規(guī)模后的服務(wù)器。通過管理軟件管理停車場(chǎng)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(hào)電平轉(zhuǎn)換為RS 485通信電平后與下位機(jī)進(jìn)行通信，控制停車場(chǎng)的各個(gè)執(zhí)行單元，上位機(jī)與閉路圖像監(jiān)視單元連接用于監(jiān)視停車場(chǎng)的實(shí)時(shí)安全動(dòng)態(tài)。
    下位機(jī)模塊車位監(jiān)控單元由兩片單片機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控主控制機(jī)和熱備份機(jī)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(duì)車位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；因采用總線技術(shù)，所以停車場(chǎng)車位的數(shù)量可以依據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，出入門禁控制單元包括由單片機(jī)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、LCD顯示器、鍵盤、控制輸出電路組成的控制機(jī)；既可作為門禁的開啟與關(guān)閉控制，又可作為上位機(jī)短時(shí)間故障的熱備份機(jī)運(yùn)作。出入庫身份識(shí)別單元包括無線射頻識(shí)別和紅外線條碼識(shí)別，用于識(shí)別用戶的身份信息。總線上連接著自動(dòng)收費(fèi)單元，與目前的自動(dòng)售貨機(jī)類似。

2 下位門禁控制機(jī)電路設(shè)計(jì)
    下位機(jī)門禁管理模塊是出入車場(chǎng)的最先和最末環(huán)節(jié)，只有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，使用人性化的系統(tǒng)才會(huì)受到歡迎。該模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，由電源電路、控制機(jī)主機(jī)、門禁時(shí)鐘電路、車位信息存儲(chǔ)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。

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2．1 門禁控制機(jī)主電路
    控制機(jī)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(jī)AT89S51，片內(nèi)含4 KB的指令系統(tǒng)，不僅應(yīng)用于許多高性價(jià)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(jī)主電路工作原理如圖3所示。

    控制主機(jī)的外部時(shí)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(gè)20～30 pF之間的微調(diào)電容，即構(gòu)成時(shí)鐘源。單片機(jī)有效復(fù)位電路采用的是單片機(jī)上電復(fù)位和單片機(jī)手動(dòng)電平復(fù)位兩種方法，通過查詢AT89S51資料得知，其復(fù)位時(shí)間為RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平而使單片機(jī)復(fù)位。選用11．059 2 MHz的晶振可以確定其機(jī)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(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)或報(bào)警信號(hào)驅(qū)動(dòng)端；P3口一部分用于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)部分連接有時(shí)鐘電路和信息儲(chǔ)存電路，因此該電路的另外一個(gè)重要用途就是用于作為上位機(jī)(PC機(jī))短時(shí)間故障恢復(fù)時(shí)提供臨時(shí)的應(yīng)急控制用的熱備份機(jī)(熱備機(jī))。
2．2 門禁控制機(jī)信息儲(chǔ)存電路
    如果設(shè)備運(yùn)行于停車高峰時(shí)間，可能使系統(tǒng)出現(xiàn)所有下位設(shè)備同時(shí)訪問上位機(jī)的情形，這樣會(huì)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(jī)中加入信息存儲(chǔ)電路，可以有效緩沖通信壓力，避免通信堵塞現(xiàn)象。同時(shí)信息存儲(chǔ)部分又可作為臨時(shí)的上位機(jī)和熱備份機(jī)，即使上位機(jī)短時(shí)間失效停機(jī)，系統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)作依然正常。這樣的小冗余度設(shè)計(jì)可使上下位機(jī)互補(bǔ)運(yùn)行，軟硬件互補(bǔ)運(yùn)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(jì)相同，但是用途和程序不同，系統(tǒng)存儲(chǔ)的信息也不同。前門禁主要是存儲(chǔ)車位信息和使用情況，后門禁存儲(chǔ)車位密碼、停車時(shí)間、金額等信息。綜合信息的存儲(chǔ)密度使用AT24C08A或者AT24C16A為存儲(chǔ)單元。設(shè)計(jì)中地址線可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，該設(shè)計(jì)是將地址線接地。寫允許接地有效。
2．3 門禁控制機(jī)信息顯示電路
    門禁控制機(jī)的信息輸出可以通過兩種途徑，控制機(jī)顯示輸出和上位機(jī)主屏幕輸出?？刂茩C(jī)輸出可作為上位機(jī)故障的備份顯示屏，供臨時(shí)使用，設(shè)計(jì)中使用LCD液晶顯示模塊進(jìn)行輸出。一般的液晶顯示模塊都有8個(gè)數(shù)據(jù)傳輸引腳和5～8個(gè)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(jìn)行連接就可以。該設(shè)計(jì)中采用RTl2032點(diǎn)陣液晶顯示。
2．4 門禁控制機(jī)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(shí)別系統(tǒng)，如無線射頻識(shí)別模塊、紅外線條碼識(shí)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(yàn)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(gè)按鍵作為輸入數(shù)字，確認(rèn)和重新輸入使用，4個(gè)按鍵與控制機(jī)中斷連接作功能鍵使用。譬如存車、取車、報(bào)警、故障等，并使用二極管隔離，以防止干擾。
2．5 門禁控制機(jī)通信接口電平轉(zhuǎn)換電路
    設(shè)計(jì)中涉及RS 485工業(yè)總線的單元都要進(jìn)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(gè)轉(zhuǎn)換部分。
    應(yīng)用MAX232設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，其電路如圖4所示。
    當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)流流入TXD端口，經(jīng)MAX 485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，通過J6輸出RS 485高或低的差分電平信號(hào)；當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，RS 485高或低的差分電平信號(hào)通過J6進(jìn)入MAX 485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，通過RXD端口流出TTL電平信號(hào)。只要程序能保證不同時(shí)進(jìn)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(jìn)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(jī)執(zhí)行電路設(shè)計(jì)
    用門禁控制機(jī)的I／O口控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平。門禁控制機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收門禁控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，控制門禁開啟與關(guān)閉和控制車輛進(jìn)出門禁。用MOSFET連接成H型橋路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)動(dòng)作，在MOSFET兩端并聯(lián)二極管作為序流二極管，以有效保護(hù)MOSFET，延長(zhǎng)器件壽命。

3 下位機(jī)車位監(jiān)控控制機(jī)電路設(shè)計(jì)
    下位機(jī)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(jì)好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，是停車場(chǎng)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(jì)，具體可以分為監(jiān)控電源電路、監(jiān)控控制機(jī)主電路、監(jiān)控耦合電路、車位監(jiān)控與顯示電路、控制機(jī)通信電路等結(jié)構(gòu)，其原理框圖如圖5所示。[!--empirenews.page--]

    監(jiān)控控制機(jī)通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與門禁控制機(jī)通信接口電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)相同。車位實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示電路的電源應(yīng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，避免遭受外界信號(hào)的干擾。
    車位監(jiān)控控制機(jī)電路同樣使用AT89S51單片機(jī)作為控制器，但是每64個(gè)車位使用兩片單片機(jī)構(gòu)成主機(jī)與熱備份機(jī)結(jié)構(gòu)。用單片機(jī)的P0，P2端口構(gòu)成8× 8矩陣掃描電路，監(jiān)控64個(gè)車位。P1端口作為停車場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控的輸入端口，單片機(jī)串口(P3．0，P3．1)與MAX 485連接，進(jìn)行TTL電平與RS 485電平的轉(zhuǎn)換。當(dāng)主機(jī)工作時(shí)，熱備份機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。監(jiān)控顯示電路的功能是車位號(hào)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(cè)傳感器，機(jī)械監(jiān)測(cè)方式具有工作穩(wěn)定壽命長(zhǎng)久，可以埋地，受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。將微動(dòng)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(jìn)行開關(guān)切換。監(jiān)控顯示電路與監(jiān)控控制機(jī)通過信號(hào)耦合電路連接，信號(hào)耦合電路使用光電耦合器(型號(hào)：PLP521)，能夠很好地隔離外界干擾，保證控制電路的車位信息識(shí)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(duì)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(jìn)行分開設(shè)計(jì)，以防止遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸時(shí)外界的干擾信號(hào)，這也是使用光耦合器件進(jìn)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(gè)車位的顯示亮度足夠。

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

5 結(jié) 語
    停車場(chǎng)車位管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)以單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)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?dòng)態(tài)、車場(chǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)控。使系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)差錯(cuò)率低，控制范圍廣，是一個(gè)采用模塊化設(shè)計(jì)、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(shí)系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)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(duì)接，實(shí)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(shí)段收費(fèi)，而且可以設(shè)置免費(fèi)停車時(shí)間等功能。