基于就近原则的智能停车场的设计

任务书一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）工作基础：了解C语言的基本概念和语法，熟练使用KEIL软件；研究条件：51单片机开发板以及51单片机实验系统；应用环境：基于51单片机的RFID射频识别；工作目的：熟练掌握KEIL应用程序的开发；了解RFID射频识别的基本原理；熟练掌握51单片机的C语言编程；熟练使用Proteus/Protel作为电路设计、仿真的辅助工具；二、参考文献1唐辉.基于RFID的智能停车场管理系统关键技术研究D.武汉理工大学2008.2李建林.基于RFID的危险品管理系统设计D.西华大学.2011.3丁俊东.基于ZigBee技术的不停车收费车载设备的设计D.南京理工大学,2009.4孙小凌.可分区供电电源负载识别与系统建模仿真D.重庆大学,2009.5Yasuosakura,MasuoKashiwadani.EffectsofParkingAvailabilityInformationonSystemperformance.Vehiclevigation&InformationSystemsConferenceProceedings,ProceedingsoftheIEEE.1994三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）1、掌握51单片机C编程；2、掌握RFID射频识别的基本原理，并进行电路的设计和仿真；3、完成相关的外围输入输出接口的设计，如点亮LED、液晶屏显示；4、实现对车位的就近分配算法；指导教师（签字）年月日审题小组组长（签字）年月日摘要随着交通事业的蓬勃发展，以及大厦和小区等智能建筑的发展，传统人工管理的停车场已经不能满足广大使用者和管理者对停车场的安全、效率、性能以及管理上的需要，停车难的问题在现代城市中已经引发社会各界的热烈关注，因此智能停车场系统应运而生。本设计描述了以AT89C52单片机作为控制器，以射频技术为核心，基于RC522射频识别模块设计的非接触式IC卡读写器，阐述了该系统的组成、作原理以及相应的软硬件设计，提出了基于就近原则的停车场智能管理系统的框架并分析系统功能、整体方案，通过应用物联网技术、红外传感器、摄像感应、RFID射频识别、太阳能供电等技术，第一时间感应到车辆停入，然后立即反馈到公共停车智能管理平台，显示当前的停车位数量，同时将周边地段的停车位信息整合在一起，作为车主的停车向导，大大缩短找车位的时间，实现停车场的智能化和信息化管理。关键词：智能化停车；非接触式IC卡读写器；红外传感器；RFID射频识别ABSTRACTWiththevigorousdevelopmentofthetransportationenterprise,aswellasthedevelopmentofintelligentbuildings,suchasbuildingandcommunity,thetraditionalmanualmanagementoftheparkinglothasalreadycantsatisfythemajorityofusersandadministratorsoftheparkinglotonthesafety,efficiency,performanceandmanagementneeds,parkingdifficultprobleminthemoderncityhassparkedenthusiasticattentionfromallsectorsofsociety,sotheintelligentparkinglotsystemarisesatthehistoricmoment.ThisdesigndescribedbyAT89C52singlechipmicrocomputerascontroller,RFIDtechnologyasthecore,basedonRC522RFIDmoduledesignofcontactlessICcardreadandwrite,thispaperexpoundsthecomposition,asaprincipleofthissystem,andthecorrespondinghardwareandsoftwaredesign,putsforwardtheintelligentparkingmanagementsystembasedonnearbyprincipleandtheframeworkofanalysisofsystemfunctionandtheoverallplan,throughtheapplicationofInternetofthingstechnology,infraredsensor,camerasensor,RFIDradiofrequencyidentification,suchassolarpowertechnology,thefirstinductiontothevehicle,thenimmediatelyfeedbacktothepublicparkingintelligentmanagementplatform,displaythecurrentnumberofparkingspace,atthesametimewillbearoundlotsofparkinginformationintegrationintogether,astheowneroftheparkingguide,shortenthetimeoflookingforaparkingspot,toimplementtheintelligentoftheparkinglotandinformationmanagement.Keywords:IntelligentParking;ContactlessICcardread-writedevice;Infraredsensors;RFIDradiofrequencyidentification0目录第一章绪论.11.1智能停车场的简介.11.2研究现状.11.3课题研究内容.11.4本文主要工作.2第二章智能化停车系统的基本结构.32.1系统原理及实现功能.32.2系统组成.3第三章智能停车场的硬件电路设计.53.1系统主要硬件及功能.53.2功能特点.7第四章智能停车场的软件系统设计.94.1就近原则分配停车位.94.2智能泊车系统程序流程图.9第五章智能停车系统的实现.115.1智能停车系统的主要任务.115.2车辆入场管理流程.125.3车辆出场管理流程.12第六章总结与展望.146.1总结.146.2展望.14参考文献.15外文资料中文译文致谢0第一章绪论1.1智能停车场的简介物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。基于RFID技术的智能停车场管理系统是目前世界上最先进的停车场自动化管理方式之一，是停车场管理方式发展的趋势，它的安全、稳定、自动化程度是人工管理无法达到的。基于物联网的智能停车场的解决方案可以有效地控制外来车辆的进入权限，有效地掌握车辆动态，减少由车辆引起的安全隐患，优化车辆秩序，提高停车场的管理水平。基于就近原则的智能化管理是利用高度自动化的机电设备和计算机网络及通讯技术对停车场进行安全、高效的管理。由于减少人工的参与，从而最大限度地减少人员费用和认为失误造成的损失，大大提高整个停车场的安全性与使用效率。1.2研究现状随着我国城市建设速度的加快、社会经济的持续发展和产业调整，大批人口将向城市转移，城市人口将不断增加，城市交通需求量也日益增大,车辆停放设施的落后确实是长期困绕市民日常生活的一个老大难问题。同时，经济活动日趋频繁，商业活动将更加活跃，机动车的数量和使用频率也将大大增加，对中心城市的交通带来沉重的压力；交通“停车难”日益成为制约我国大中城市经济发展的“瓶颈”。同时，传统停车场管理效率和安全性大大滞后于社会的需要，给人们的生活带来了极大的不便。尤其，随着智能大厦和智能小区等智能建筑的不断发展，传统人工管理的停车场已经不能满足广大使用者和管理者对停车场的安全、效率、性能以及管理上的需要，因此与之配套的停车场管理系统应运而生。1.3课题研究内容射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术，常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。RFID是构成物联网的关键技术之一。一套完整RFID系统由Reader与Transponder两部分组成。其工作原理为：Reader发射一特定频率之无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部之IDCode送出，此时Reader便接收此1IDCode。Transponder的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡，故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一，无法复制，安全性高，寿命长。RFID的应用非常的广泛，目前典型的应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车管制、生产线自动化、物料管理等。RFID技术是利用射频通信实现的非接触式自动识别技术,利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条码或磁条识别技术相比,射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、适于恶劣坏境、信息的收集和处理快捷灵活及较好的应用环境适应性、可识别运动目标等一系列的优点,在工业自动化、商品控制、交通运输控制管理等众多领域得到广泛的发展。同时RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点,可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。1.4本文主要工作本设计完成的主要内容如下：1.通过对射频掌握RFID模块工作原理、性能特点以及使用方法的学习，掌握基于51单片机的射频卡读写系统的实际应用；2.对刷卡所接收到的射频信号进行一系列反馈与处理，主要包括LED灯点亮、液晶屏显示指定车位与收费信息、红外感应模块检测是否停车入位等；3.在分配车位子程序中加入就近原则算法；4.通过检测红外感应模块的输出电平高低来判断该车位是否有车，并将状态信息反馈给MCU；2第二章智能化停车系统的基本结构2.1系统原理及实现功能智能停车场管理系统（IntelligentParkingManagementSystem简称IPMS），作为智能交通系统的重要组成部分，是ITS在停车领域的应用。以准确、实时的车位检测为基础，以可变、多级信息发布屏为载体，向出行者提供停车场（库）的具体位置、当前车位实时数据等信息，指引驾驶员合理停车，同时通过动态信息标志把停车场车位和容量的分散信息聚合而成的实时信息数据进行分析，辅助管理部门进行管理决策。通过采集停车场、路面临时停车位的车位信息，实时更新，并依靠自组网络将更新数据发送至信息处理中心，信息处理端对收集到的停车信息进行处理、统计、分析等，并在城市级停车场系统中引进GIS技术，通过电子地图实街道、停车场以及其他地理信息的数据编辑和查询，实现图形化的交通数据的分层管理。准确车位检测、实时车位状态更新、停车场空余车位实时发布、停车入位引导、停车信息发布、停车计费管理、城际停车场联网管理、设备故障、告警管理。2.2系统组成检测子系统前端检测子系统包括车位检测节点，车辆检测节点。车位检测节点埋设在车位地面正中，完成对是否有车在该车位上停放的判断，当判断出无车辆停放时，检测节点通过无线的方式向中心发送车位空闲信息，当判断出有车辆停放时则发送车位占用信息；车辆检测节点布设于停车场出入口处，用于感知车辆通过信息，并通知网关系统自动控制闸机的开启与闭合，同时具备流量统计功能，用于对进出停车场的车辆数进行统计与周期性上报。传输子系统传输子系统由路由节点和中继节点组成。路由节点按设计需求布设，采用MESH结构完成对于前端检测节点发送的无线检测信号的接收和与网关节点之间的通信，将检测到的车位信息发送至网关节点进行处理，路由节点之间的通信以及路由节点与网关节点之间的通信采用无线或有线的方式进行。中继节点完成对无线无缝覆盖的补充，针对某些楼面车位的独立位置，需要中继节点完成前端检测节点无线信号的接收功能，然后将信号送路由节点进行传输。控制子系统控制子系统由网关节点组成。网关节点完成与传输节点、管理平台的连接3功能，用于传输节点的数据汇集，网关节点同步控制出入口闸机、二维码读头、车辆检测器等，完成车辆进出停车场的识别与现场设备的控制，同时完成LED引导屏的信息发布功能。提供USB、网口、串口等常用设备接口，支持与其它系统，如车位预订系统、停车场管理系统等的集成。信息发布子系统信息发布子系统由多级可变诱导屏、区域停车入位引导屏、触摸式查询终端和公共发布网站组成。完成对区域内车位状态信息的实时更新发布、区域显示停车入位信息、车位预定查询及反向寻车等功能。信息服务平台系统通过对前端所有采集到的基础数据信息进行融合汇总后，根据不同发布的需要进行数据显示分发。多级可变诱导屏布设于进入区域的主干道路上，实时更新显示区域内剩余车位数量，供驾驶员进行停车选择；区域停车入位引导屏布设于停车场内进入固定分区的道路上，为驾驶员进行区域停车入位进行指引。管理子系统管理子系统由服务器、现场后台管理软件、停车信息服务平台软件组成。现场后台管理系统软件采用C/S架构，完成对停车场车位的管理功能，包括楼面空余车位显示（二维平面图）、空余车位统计、车位占用统计、空位车位信息发布、周期时间车位使用状况统计等功能，实时告知现场物业管理人员，现阶段停车场内的车位使用、预定、剩余情况停车信息服务平台软件采用B/S架构，完成与多个停车场现场后台管理软件实现同步管理，同时通过M2M平台，完成对多停车场现场设备的状态监管。信息服务平台软件连接二维码平台、手机短信支付平台，完成车位预定时终端用户的身份确认、停车使用周期完成的计费管理等功能。根据分布式智能停车场系统分散控制和集中管理的需要，引入Ethernet局域网进行数据信息的共享和监督管理，把系统分为管理中心站、过程管理站和现场控制级、充分发挥分布式系统的优势。4第三章智能停车场的硬件电路设计3.1系统主要硬件及功能MCU：AT89C52AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89S52单片机在电子行业中有着广泛的应用。图3-1AT89S52最小系统原理图射频识别模块：RC522RC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是NXP公司推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。5图3-2RC522射频识别内部电路图3-3RC522射频识别接受发射部分电路红外感应模块图3-4红外感应模块原理图612864液晶显示屏液晶显示(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。图3-512864液晶显示屏外接电路3.2功能特点一卡一车、逻辑互锁：可设置车辆不重复读卡功能，当车辆读卡后，不能再次重复读卡，必须在该车辆离开道闸并关闭通道时，后续车辆才能读卡，有效避免了固定车主重复读卡及取走临时卡的现象；车辆必须先有入场操作才能完成出场操作，一张卡不能多车进场，也不能多车出场，遵循一车一卡的逻辑互锁；临时发卡、一车一卡、取卡开闸：入口读卡机内安装自动出卡机，供临时车辆取卡停车（出卡即读），如果出卡后20秒钟内卡未被取走，出卡机会自动将卡收回出卡机内；同一临时车辆进场取卡，不论其按多少次“取卡”按钮都只出一张卡，并且必须司机将卡拿至手中后，道闸才会开启，避免了司机入场不取卡而出场无卡的麻烦；自动计费、收费：根据入场时间与出场时间自动计算停车时间，根据停车时间与收费标准自动计算应收费用；收费标准可以根据需要由停车场管理软件非常方便地定义并下传到控制机中，收费时间可以精确到秒，收费金额最小到“角”；除临时车辆要人工以现金形式收取停车费用外，其他车辆可以在发卡或读卡时自动收取/扣除停车费用；信息显示：高亮度LED显示屏，即使在户外阳光下，显示的信息依然清晰可见；信息内容简明扼要，即可以给车主明确的提示，又不耽误车辆入场的时7间读卡快速、信息记录：读卡响应速度快，读卡时间0.1秒，读卡时自动记录卡类、卡号、入场时间(IC卡系统还会将进出场时间、车牌号等写入卡内)、车牌号、车主身份、车辆款式、道闸位置、车辆位置等信息，并在电脑显示屏显示相关信息；满位提示及满位不读卡：停车场内车位已经停满时，通过LED显示屏提示前来的车辆，同时禁止按钮出卡，但依然保留电脑出卡功能以满足一些特殊车辆的入场要求；8第四章智能停车场的软件系统设计4.1就近原则分配停车位本课题首先设计了一种基于RFID的智能停车场管理系统,该方案集远距离感应式射频技术、自动控制技术和车辆检测技术于一体,应用于停车场收费管理、车辆控制与人员管理,有效的解决了车主的难题;同时该系统还可方便的配合其他系统如门禁、消费等,从而实现不停车管理。然后根据射频识别系统碰撞产生的原因,研究分析了二进制搜索算法、动态二进制搜索算法的工作原理和过程。通过比较两种算法的优缺点,提出了一种返回式动态二进制搜索算法,既可以减少数据传输量,也能很好的利用阅读器已经识别出的前缀及碰撞信息和冲突位。返回式二进制搜索算法可以缩小标签搜索范围,从而大大减少阅读器与标签之间的通信时间和传输的数据量。最后通过仿真程序,实现动态二进制搜索算法和返回式动态二进制搜索算法,程序结果输出随机生成的标签ID、正确识别的标签ID、模拟阅读器和标签之间的通信次数和通信总数据量。对比分析两种算法的通信次数和通信总数据量,通过统计的结果和图形比较,返回式动态二进制搜索算法大大降低了系统的通信次数和通信数据量,提高了系统识别效率。4.2智能泊车系统程序流程图1.主程序流程图9图4-1主程序流程图主程序流程图如图4-1所示。该程序的功能主要包括：MCU初始化功能、读卡器芯片RC522初始化功能、读卡器寻卡功能、读卡器读/写卡功能、防冲突功能、调用红外模块进行状态反馈等6个重要功能。此主程序能够实现本智能停车系统的大部分功能。2.寻卡等待、读卡中断入口校验请求、防冲突、卡选中、认证读取卡ID号查询卡ID号新卡中断返回任意一个NYY记录卡ID号和当前时间读取卡ID号和之前记录的时间计算费用N图4-2寻卡等待、读卡程序流程图读卡子函数流程图如图4-2所示。寻卡等待时首先需要对校验请求、防冲突、卡选中以及卡认证进行判断，全部为真才能进入读卡环节。在读卡环节中会先对磁卡进行判断，若是新卡则记录卡ID号以及当前时间，方便计费；若不是新卡则对卡内信息进行读取并计算费用。10第五章智能停车系统的实现5.1智能停车系统的主要任务本停车系统由红外感应模块、RC522射频识别卡、12864液晶显示屏、LED指示灯等部分组成。相较于传统停车场，本泊车系统拥有更加人性化的设计。车主进入停车场后只需停车取卡，系统就会自动分配出离车主距离最近的车位，同时在显示屏上显示车位信息，并且会有LED指示灯将车主指引进入指定车位。如果有的车主没有在指定位置停车，红外感应系统会检测到错误的车位状态变化，泊车系统会在下一位车主停车刷卡时自动将最近的空车位分配出去，并将上一位车主的停车信息存储到与其对应的车位中，从而保证整个泊车系统的正常稳定运行。车主离开停车场时只需再刷一下卡即可在液晶屏幕上看到停车费用，使得收费环节更加透明化。本智能泊车系统省去了车主进入停车场后盲目寻找车位的麻烦，使得整个停车过程变得简单方便，也使收费变得更加透明。11图5-1停车场模型整体俯视图图5-2寻卡等待时液晶屏显示5.2车辆入场管理流程司机将车驶至读卡机前，值班人员通过键盘输入车牌号，进行车牌预置（也可不预置车牌）；司机按动位于读卡机盘面的出卡按钮取卡（也可操作员手工发卡或电脑出卡）；卡片出卡即读或在读卡机感应区读卡，感应过程完毕，读卡机发出“嘀”的一声，同时中文显示屏显示礼貌语言，并同步发出语音；司机将卡取至手中后，道闸自动开启，司机开车入场，进场后道闸自动关闭。说明：如停车场内车辆已满，LED显示屏会提示“车位已满”，司机不能自动取卡且不能读卡，但可通过操作员根据具体情况，进行人工读卡进场。图5-3刷卡停车时液晶屏显示5.3车辆出场管理流程12司机将车驶至车场出场读卡机旁,将卡在读卡机感应区域一晃，读卡机立即可感应到卡片并发出“嘀”的一声；如读卡有效，电脑自动记录、扣费，并在显示屏显示车牌，供值班人员与实车牌对照，以确保“一卡一车”制及车辆安全,同时读卡机上设的滚动式LED中文显示屏显示此次收费金额及卡上剩余金额，并进行语音提示；如读卡无效，读卡机会显示原因，并进行语音提示；司机付款，值班人员确认无误后，按电脑确认键，电脑自动记录收款金额；道闸开启，车辆出场，出场后道闸自动关闭。图5-4取车时液晶屏显示13第六章总结与展望6.1总结基于就近原则的智能停车系统能够通过红外模块实时感应车位变化，并将最新的车位信息反馈给MCU。在车主进入停车场时，领取的RFID射频卡会记录车主进入的时间，并在车主驶离停车场时再次刷卡显示停车时长并自动扣费，同时会将金额显示在液晶屏上，使收费更加透明化。主要完成的内容包括：1、查阅大量资料，了解了RFID模块工作原理、性能特点以及使用方法，综合分析了智能停车系统在国内外的研究现状。2、利用C语言编写了系统的程序，实现了RFID射频卡识别、ID卡信息存储与调用、红外模块实时感应车位信息、液晶屏显示等功能。3、通过测试表明，本课题能实现快速将车主指引进入最近车位，可以提供智能化的泊车系统，节省大量的人力物力，操作简单、显示直观。6.2展望与国外智能化停车场系统日新月异的使用情形相比，国内对于智能化停车场的使用、特别是对基于先进的无线传感网技术的智能化停车场系统的使用，还处于一片空白。一般的停车场管理存在以下问题：停车场内车辆管理不完善，未经授权的车辆擅自进入停车场；无法避免人情收费漏洞，停车场管理成本过高等。此外，每天上下班时间段车流量大，停车效率低，给车主带来了不便，也降低了停车场的使用效率。而基于物联网的智能化停车场系统，可利用传感器节点的感知能力来监控和管理每个停车位，提供特殊的引导服务，实现停车场的车位管理和车位发布等功能，彻底改变智能化停车场的发展方向，填补了基于物联网技术的智能化停车场这一领域的空白，必将引领一场停车场智能化的新革命。14参考文献1杨清娜,李宥谋,葛茂.智能停车场管理系统的设计与实现J.物联网技术.2011(01).2苏新红,张海燕.智能停车场控制系统设计J.内江科技.2010(04).3熊俊,陈临强.基于多摄像头协同模式的智能停车场管理系统J.机电工程.2010(04).4唐燕妮,戴卫军.大型停车场智能管理系统的研究与开发J.工业控制计算机.2010(06).5金鑫.智能停车场管理系统的探讨J.电脑编程技巧与维护.2010(18).6郭稳涛,何怡刚.RFID平台实现停车场智能管理的研究J.自动化仪表.2010(11).7冯立兴.智能停车场管理系统的设计与实现J.电脑知识与技术.2010(30).8陈榕.停车场管理系统的设计与实现J.科技创新导报.2009(23).9代鑫,朱兆优.停车场智能管理系统设计J.电子元器件应用.2009(11).10刘姣.智能停车场管理系统的研究D.湖南大学2011.11宓霖.基于ZigBee技术的无线数据收发器MAC层协议研究与硬件设计D.东南大学2005.12M.Y.I.Idris