基于虚拟仪器的停车场车位检测引导系统

1 引言：

随着经济的发展，家用轿车的数量急剧增加，而车量数总体上都远超出现有的车位数; 但另一方面，却经常出现市内部分停车场昼夜车满为患、处于相同区位的某些停车场却长期门前冷落的“奇怪”现象。究其原因，除了停车设施类型、布局不足的客观条件和驾车者自身选择偏爱等主观因素外，不可否认一定程度上是相当数量的停车设施缺乏明显的诱导标志.没有可靠的信息渠道向驾车者提供停车资源状况所造成的。为了合理引导优化停车选择行为，调节停车供需趋于平衡，本文设计了一种快捷，安全的停车系统。系统包括停车场车位总数，空车位数量，目前最近车位等信息。随着科学技术的发展，虚拟仪器的出现使得对停车场的管理也变的简单，通过软件面板上的选择按钮，实现任意停车区的信息获取，起到了实时监控的作用。

2. 停车场车位检测引导系统介绍

2. 1超声波检测车位状态的原理

超声波检测车位状态是基于超声波测距原理实现的，超声波探头不易受干扰, 安装方便, 将超声波传感器安装在车位的正上方, 向下发射超声波, 超声波经地面或车辆顶部反射又由传感器接收, 可获取超声波传输的时间, 从而计算出超声波传输的距离。当车位有车时, 超声波传输的距离与无车时是不同的, 由此可判断泊位上有无车辆停放。为此, 采用超声波传感器进行车位检测器的研制。

如图1所示，在超声波检测车位状态的原理图中，L为超声波探头到反射面的距离， L=Vt/2其中：t为发射超声波与接收超声波的时间间隔，v为在空气中的传播速度。

图1 超声波检测车位状态原理图

2.2超声波检测车位状态的实现

根据超声波测距的原理，假设停车场的顶部(探头所在位置)与地面的高度为2米，空气的传播速度认为是不变的。在实际中，如果有车停入时，超声波发出后遇到汽车顶部反射,超声波接收到的时间就要比没有车时的时间短，可以根据公式L=Vt/2推出，这样得到的距离L也就小，实际测得距离小于2m，可以将2m作为比较距离, 把实测距离和2m做比较, 如果小于2m, 则表示车位有车停放,否则说明车位未被占据。为了克服人在车位上走动时的干扰, 当检测到有车刚停放时, 需要隔几秒钟之后再进行确认 。

超声波检测车位状态的电路包括：超声波发射电路、超声波接收电路和单片机电路。如图2所示。

图 2 超声波检测车位状态电路图

超声波发射电路核心器件为TCT40-16(T)，由单片机的P1.0管脚产生频率为40KHZ的方波信号。为了提高发射强度, 用推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端,。输出端采用两个反相器(集电极开路输出的门电路)并联, 用于提高驱动能力。超声波接收电路核心器件为CX20106，CX20106是日本索尼公司一款红外线检波接收的专用芯片, 常用于电视机红外遥控接收器，在输入信号过强时防止前置放大器过载, 设有带通滤波器, 频率f0可由5脚的外接电阻或电位器调节。使用时调节方便, 抗电磁干扰能力较强。考虑到红外遥控常用的载波频率38K与测距的超声波频率40K较为接近,利用CX20106制作超声波检测接收电路。当接收探头接收到回波后，把超声波信号转变为微弱的电信号。再经过CX20106的放大，滤波，会在INT0产生一个下降沿信号，此信号作为单片机的中断信号。单片机响应中断后，读取单片机内部定时器的时间，计算距离。通过距离判断此车位有无停放车辆。如果有车，则把P1.1管脚置为高电平，如果没有车，则P1.1为低电平。此电平信号作为车位状态信息送给车位信息采集模块。

3 停车场车位检测引导系统的硬件实现

超声波车位检测引导系统的原理框图如图3. 车位检测引导系统由车位检测器，车位引导屏，方向指示灯等组成。在每个车位设置一个车位检测器，通过总线并入管理软件子系统后，车位引导屏将显示沿方向指示灯的空余车位数给司机，引导司机停车，避免司机在车库内找车位的烦恼。若车库内己无车位使用，则入口车位显示屏显示“车库满位(0)”字样，不再受理车辆进库。

车位检测器由一对超声波探头组成，首先由一只超声波探头发出超声波，再由另一个超声波探头接收，把接收到的超声波转化为电信号送到单片机，通过单片机的内部软件进行判断，如有车进入，则单片机控制第1组LED实现加1显示，如有车离开，则控制LED进行减1显示，同时单片机控制第二组LED进行当前剩余车位的显示，控制第三组LED进行最近车位的号码显示。

图 3 停车场车位管理系统总体原理图

为了试验简单，停车场车位以8个作为示意。这样车位总数可以由一位数码管显示，当前空车位数用一位数码管显示，最近车位号用一位数码管显示。显示电路由74LS573锁存器以及共阴极数码管组成。

超声波车位探测器的车位信息由P1口接收。例如，如果P1.1为高电平，说明1号车位有车停放，反之，则说明无车停放。P1口为数码管的位选端，高电平有效。P3口的0，1，2管脚为锁存器的片选端。

4 停车场车位检测引导系统的软件实现

采用模块化程序设计思想，对不同功能的程序分别编程。本系统软件主要分为两大部分，一部分是超声波探测器部分的程序，主要有40KHZ方波产生，超声波的发射控制，距离的计算，车位情况的判断以及车位信息的发送。另一部分是车位信息采集及显示部分的程序，有车位信息采集，计算空车位数量，最近车位判断，显示内容。

4.1超声波探测器程序总体流程图

超声波探测器部分的程序主要由超声波发射程序和中断服务程序两部分组成。分别如图4、5所示。

图4 超声波发射程序 图5 中断程序

4.2 车位信息采集及显示部分程序

最近车位判断原理：把车位由近及远按顺序排队，即1号车位最近，8号车位最远。1号车位超声波探测器的信息输出端即P1.1接车位信息采集及显示模块的P1.1,依次接线。车位信息采集及显示模块扫描P1口，第一个低电位的车位即为最近车位。本模型只接了8个车位示意，在实际应用中可通过多路数据选择器等器件方便的扩展。流程图如下图6。

图6 车位信息采集及显示部分程序流程图

4.3 车位监测控制系统的软件管理系统

管理软件系统是整套停车库智能管理系统的核心部分。虽然因停车库功能的不同需求其软件的组成有所不同，但它应该是一套先进的停车库自动化管理程序。它不仅要为建设单位提供一种灵活，有效的管理模式，而且要具备自维护功能和一定的扩展性，以适应将来功能的需要。目前主要是空车位数、最近车位号等，入场引导方式主要是:停车场外入口车位显示屏。如图 7所示。

图 7 车位检测控制系统的管理软件

图 7中的设计采用了 VISA的串行通讯子 VI来开发串行通信软件。VISA库驻留在计算机系统中，完成计算机与仪器之间的连接，用以实现对仪器的程序控制。VISA本身不具有编程能力，它是一个高层次API。通过调用低层驱动程序来实现对仪器的编程。VISA的 I/O控制适用于 VXI仪器、GPIB仪器、RS-232串行仪器等类型。VISA串口子 VI共有 5个串口通信节点，分别是实现寻找设备号、串口初始化、串口写、串口读、检测串口缓存、关闭串行设备的任务或事件功能。程序设计如图 5所示。

首先是对串口的初始化设置：波特率9600，8位数据位，1位停止位，无校验位，串口号为1。当系统启动时，通过 VISA Write向单片机发送“发送请求命令 1”，由于 Labview的串行通信子 VI只允许对字符串难道读写，因此在数据处理时，必须进行字符串与数字的转换，我们采用字符串到数字的转换函数来实现。另外在接到计算机发送来的请求信号后，单片机则回应应答信号3，计算机通过 VISA Read.vi节点读取单片机的应答信号，并且判断是否收到3来控制顺序结构中的While循环，若计算机没有收到单片机的应答信号则重发“发送请求命令”，若收到应答信号则顺序执行下面的程序，即通过 VISA Read.vi节点读取数据。最后对取得的数据进行处理、显示。

5、总结

该系统经过多次实验测试,能够实现距离检测准确,车位信息判断无误, 从所采用的器件的价格来看,该系统成本较低, 在实际安装时也较为方便。在测量范围满足实际室内停车场的要求后, 将车位检测器一方面与单片机先连，通过单片机内部处理、显示;另一方面与停车场内的总线接口相连，通过总线传输给中央控制器,由虚拟仪器LABVIEW软件进行处理，实现对停车场的智能化管理。

本系统的测距误差主要来源于以下几方面:

(1) 超声波束对探测目标的入射角的影响。

(2) 超声波回波的声强与待测距离的远近有直接关系, 因此,测距误差也与待测距离有关。

(3) 超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。对于测距而言, 引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化。本系统硬件上没有温度检测功能, 不能进行温度补偿。若采用温度检测和声速预置的方法对声速进行修正, 可以有效地消除温度变化对测距精度的影响。

本文作者创新点是：采用超声波探测车位状态，利用虚拟仪器实现监控，使系统具有成本低、硬件结构简单、工作可靠等特点。它不仅可用于汽车停车泊位, 还可以用于其它检测系统中。