智能立体停车系统的设计
发布时间：2020-07-20
摘 要：本文设计一种存车位固定, 车辆取放系统可移动的多层立体停车系统。整个立体停车库系统包括存车模块及车辆取放模块, 车辆取放模组由输送滑轨、升降模块及取放平台组成。车辆的存取只需移动车辆取放系统即可, 存取车辆方便。同时, 整个停车系统采用太阳能作为其动力源, 降低了停车库的运行成本。
关键词：停车难; 立体停车系统; 存车模块; 车辆取放模块;
伴随汽车制造工业水平的提升以及国民生活水平的提高，我国私家车的保有量呈逐年上升的发展趋势。公安部交通管理局和公安部网站相继发布统计数据，2018年全国新注册登记机动车3172万辆，机动车保有量已达3.27亿辆，其中汽车2.4亿辆，小型载客汽车首次突破2亿辆;机动车驾驶人达4.09亿人，其中汽车驾驶人3.69亿人。私家车保有量持续上升带来的是公共停车设施建设问题以及城市交通管理问题，在城市化建设不断推进的大背景下，虽然各地也相继投入大量的人力财力物力来兴建基础设施，但是仍旧无法跟上私家车保有量持续上涨的发展脚步，现如今停车设施建设和汽车增长已经成为了许多城市面对的首要问题。相较于传统的停车设施，立体车库充分利用垂直空间，能够实现土地空间资源利用最大化，有效解决“停车难”“管车难”等现实问题，同时伴随着控制技术以及智能技术的不断发展，立体化车库近年来也相继实现了智能化控制及自动化控制。
1 智能立体停车库控制系统的设计
1.1 硬件设计
1.1.1 上位机控制系统硬件电路
上位机控制系统硬件电路可大致分为两个部分，其中一部分为ARM控制器以及外部通信模块，上位机控制系统硬件电路的核心部分为ARM控制部分，ARM可采用核心加底板的设计模式，其中采用SAMSUNG S3C6410主处理器，FET6410A核心板采用板对板连接器底板为典型的功能拓展电路，FET6410A核心板通过引出的脚线实现和底板的相互连接，实现对所有控制相关硬件的协同管理，底板提供通信接口连接通信模块，实现对信息的收发处理。通信模块选用内核为Cortex-M3的STM32F103C8T6，该开发板支持JTAG/SWD接口调试下载，支持IAP，涵盖RFID支持模块以及GPRS无线通信模块，能够实现对IC卡号的智能化读取，同时发送各种立体车库告警信息。主要控制模块和通信模块独立设计，系统稳定性较高，且软件也可分离设计，开发难度相对较低[1,2]。
1.1.2 ARM车库控制器电路设计
ARM车库控制器电路核心板和上位机控制系统硬件电路核心板相同。底板电路的电源模块直接决定了控制器体系的稳定性、可靠性，在系统中各个模块所需要的供电电压主要表现为3.3V、5V，主要供电模块为LCD接口、核心板。车库智能控制的外接元器件数量相对较少，所以电源模块设计可考虑采用简化的电源模块方案，如LM2596系列稳压器，在一定的输出负载条件下以及一定的输入负载条件下，能够合理的控制输出电压误差以及振荡频率误差，电源系统供电表现出较高的稳定性[3]。
与智能立体停车系统的设计相关期刊推荐：《电子世界》杂志于1979年创刊，半月刊，主要读者对象不仅包括各电子领域专家学者、各大专院校师生、研究机构资深人士，还有政府、行业主管部门领导及电子行业的企业家，因其学术性、权威性、系统性、前瞻性而广受业界人士关注。
本文提出的ARM车库控制系统采用串行通信方式，该通信方式是嵌入式系统开发、应用常见的通信模式之一，除了常规通信功能外，该通信方式还可提供程序下载等功能，具体表现为RS485、RS232[4]。RS485通信模块为RSM3485CHT,RSM3485CHT元器件集成了电气隔离等保护功能，且元器件体积较小，在嵌入式控制系统中应用可发挥良好的应用效果;RS232模块选用的芯片为MAX3232,MAX3232芯片的主要作用是实现TTL信号、电平信号转化，MAX3232本身需要0.1uF×4小尺寸电容，利用小尺寸电容所特有的低压实现器输出级发送[5]。
1.1.3 外部通信电路设计
通信硬件主要实现GSM网络信息收发以及IC卡识别，要求具备突出的可靠性。同时，考虑到车库控制系统需要在一个干扰较为复杂的环境中运作，所以需要选择性能较为突出的控制芯片，因此考虑采用STM32F103主控芯片，该芯片基于ARMv7体系架构，功耗低、成本低，芯片的内核为Cortex-M3，最大工作频率为72MHz，芯片带有SRAM储存器，功能丰富，片内外设丰富。STM32F103主控芯片具有良好的工作性能、较高的稳定性，可根据控制需求实现有效拓展。
本文所提出的控制系统通过RFID技术感应，为实现对不同车辆卡号信息的快速读取，RFID技术需表现出较高的稳定性，且通信距离、效率、功耗均需符合要求，综合考虑，选用EM4095芯片作为RFID技术通信收发芯片，RFID技术可实现和天线的直接连接，可获得和天线相对应的频率，且内部应用高效、灵活。RFID技术的通信功能实现依托“线圈天线”，在设计过程中综合考虑到信号需求来确定天线的电阻、匝数、电感、频率[6,7]。
选择SIM900A作为无线通信模块核心，SIM900A支持DCS1800MHz、EGSM900MHz两个工作频段，同时支持四种不同的编码格式，模块的设计相对比较紧凑，且体积较小，能够满足立体车库智能控制的空间尺寸需求。SIM900A运作基于TCP/IP协议，可通过AT指令来保证数据传输的稳定性。
1.2 软件设计
立体车库控制系统软件最主要的控制功能为读取用户信息、车库设备信息，同时提供人机交互界面，用户能够通过触摸屏来实现智能控制，PLC为底层设备控制器，上位机的控制指令驱动PLC来实现立体车库的自动化控制。
软件基于“Linux”系统，主要是将系统中的内核嵌入到硬件平台中，提供Linux的基本功能以及内容，考虑到硬件性能的限制以及硬件平台储存空间的限制，所以需要剪切部分Linux的功能，系统的剪切以及软件的编译均在PC端实现，具体操作步骤：构建软件编译环境→将系统不需要的功能进行剪切→经过编译后的程序、系统内核功能等整合至硬件平台。
2 智能立体停车库控制系统实现策略
2.1 车库存取策略
立体车库能够使用高性能电机或者改善机械结构来调整车库载车盘的移动情况，减少载车盘在移动过程中消耗的时间，达到提高车辆存取效果的目的。建议采取交叉存取策略，主要是针对立体车库可能存在同时多台车需要存取的情况，且用户的存取行为不一致，可依托于FCFS规则来判断存取的优先级，顺应车流变化来合理调整车辆的存取。既往研究证明，车库存取利用FCFS规则能够提高20%的存取效率，但是FCFS规则的使用存在一定的限制。比如，车辆的存入位置若是为并行状态，受制于立体车库的空间，就会出现FCFS规则无法执行的情况。
2.2 优化存取规则
人们存取车辆的频率是有规律可循的，立体车库在不同的使用场景下，车辆的存取存在一定的差异。以一般的居民小区为例，取车的高峰时间段为AM7:00-AM8:00(周一到周五)，存车的高峰时间段为PM6:00-PM8:00(周一到周五);以一般的商业大厦为例，在相同的时间段，车辆的存入、取出往往是相反的。因此，在不同的场景条件下，人们的取车需求、存车需求存在一定的差异，所以在逻辑算法方面就可采用差异化的算法，以提高在不同时间段的车辆存取效率，真正实现智能化控制。
3 总结
本设计提供一种新型的立体车库, 采用固定的立体存车库和能够水平移动、垂直升降的车辆取放系统, 解决了传统的机械式立体车库存在的设备能量消耗大, 检修维护困难, 成本较高, 及停车困难、效率低的技术缺陷。——论文作者：左鹏博
