薛裕峰,牛 丹*,黃雪穎,李 濤,李 凡

(1.東南大學自動化學院,南京 210096;2.教育部“復(fù)雜工程系統(tǒng)測量與控制”重點實驗室,南京 210096;3.江蘇聚力智能機械股份有限公司,江蘇 蘇州 215212)

近年來,隨著人們消費能力水平的不斷提升,私家車數(shù)量逐年增加,如何利用有限的城市空間滿足日益增長的停車需求已成為當前亟待解決的城市問題[1]．立體車庫的單位面積車容量大、建設(shè)成本低,并且有不同規(guī)模的工程設(shè)計,能夠適應(yīng)不同容量的用戶需求[2]．因此深入研究立體車庫控制系統(tǒng),建造安全、可靠、穩(wěn)定、智能的立體車庫對日常生活具有重要意義．

智能立體車庫一般由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓輔助系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)組成,融合了機械、數(shù)控、計算機、自動化、傳感器、人工智能等技術(shù),是一種智能化、立體化的物流儲運系統(tǒng)[3]．自1920年美國建成第一座機械式升降立體車庫以來,其相關(guān)技術(shù)不斷向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的大趨勢發(fā)展[4]．如何利用計算機、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和嵌入式技術(shù)實現(xiàn)自動存取、自主收費、網(wǎng)上預(yù)約、遠程管理、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、故障診斷與預(yù)警,成為當下立體車庫研究的主要方向[5]．由于可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)安全穩(wěn)定、板載資源豐富,目前國內(nèi)外的立體車庫設(shè)計多利用PLC控制車位擋板移動,車主停取車時可通過觸摸屏或識別集成電路卡啟動控制[6]．目前主流的基于PLC的立體車庫控制系統(tǒng)可以管理單個立體車庫,但還無法實現(xiàn)對多個無人立體車庫的聯(lián)網(wǎng)管理、車位信息發(fā)布、遠程監(jiān)控等功能,無法滿足市場對智能立體車庫的需求．

本文設(shè)計的可聯(lián)網(wǎng)立體車庫智能控制系統(tǒng)采用進階精簡指令集機器(advanced RISC machines,ARM)作為核心控制器[7],采用PLC控制機械結(jié)構(gòu),并設(shè)計了立體車庫環(huán)境的車牌識別系統(tǒng)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng),實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)和相關(guān)控制指令的網(wǎng)絡(luò)傳輸．實地測試結(jié)果表明,本設(shè)計實現(xiàn)了無人立體車庫聯(lián)網(wǎng)管理、車位預(yù)約、在線付費、云端可視化監(jiān)控、故障診斷和預(yù)警等功能．

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本文設(shè)計的立體車庫智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括三部分: 車位預(yù)訂和車庫管理云平臺、嵌入式控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)．其中,嵌入式控制系統(tǒng)包括基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)和基于數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP)的嵌入式車牌識別系統(tǒng)．

圖1 立體車庫智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of stereo garage intelligent control system

圖2 車位預(yù)訂和車庫管理云平臺控制軟件流程圖Fig.2 Software flow chart of parking space reservation and garage management cloud platform

車位預(yù)訂和車庫管理云平臺的功能有: ① 接收車庫智能控制器上傳的車庫相關(guān)數(shù)據(jù),并分別存入車位分配數(shù)據(jù)庫和車庫運行數(shù)據(jù)庫中;② 接收車庫智能控制器上傳的待存車輛車牌信息,并存入計費服務(wù)數(shù)據(jù)庫中;③ 接收云門戶(網(wǎng)站或APP)發(fā)來的車位預(yù)訂信息,并與ARM控制器傳來的車牌信息對比,得出相應(yīng)存取命令發(fā)送給ARM控制器;④ 接收車庫運營方的故障指令;⑤ 管理用戶、管理員信息;⑥ 計算停車費用并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到車庫智能控制器和云門戶端;⑦ 通過歷史和實時數(shù)據(jù)預(yù)測、診斷車庫運行故障,并通過網(wǎng)絡(luò)推送到云門戶端．PLC系統(tǒng)控制電機升降橫移實現(xiàn)車輛出入,并通過光電開關(guān)檢測車位狀態(tài)、車庫運行狀況以及限位開關(guān)狀態(tài),然后通過RS-485、RS-232等有線通信方式傳輸給ARM控制器．基于DSP的識別系統(tǒng)檢測車牌信息,并傳送至ARM控制器[9]．ARM控制器再通過以太網(wǎng)口、WiFi和GPRS等網(wǎng)絡(luò)通信方式將接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囄活A(yù)訂和車庫管理云平臺．

2 云平臺

車位預(yù)訂和車庫管理云平臺硬件設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)通信方式選擇、元器件選擇和通信電路設(shè)計．為滿足不同車庫環(huán)境的需要,云平臺和控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信擬采用以太網(wǎng)口、WiFi和GPRS方式,其對應(yīng)的元器件選擇和通信模塊設(shè)計如表1所示．云平臺控制軟件設(shè)計流程如圖2所示．

3 嵌入式控制系統(tǒng)

3.1 基于ARM的控制系統(tǒng)

基于ARM的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)立體車庫與云平臺交互的信息中轉(zhuǎn)站,本文選擇STM32F429-IGT6作為其主控芯片,并設(shè)計相應(yīng)電源模塊(包括分壓電路、穩(wěn)壓電路、過載保護電路)、最小系統(tǒng)(包括時鐘電路、下載電路、復(fù)位電路等)、通信模塊(包括RS-485、RS-232通信電路等)、接口電路(包括DB9、RJ45接口電路)和保護電路(包括BAV99、TVS保護電路)．通過RS-485、RS-232等串口通信方式接收PLC控制系統(tǒng)的電機運行數(shù)據(jù)、車位狀態(tài)、故障情況和車牌識別系統(tǒng)識別的車牌信息,并將這些信息通過以太網(wǎng)口、WiFi和GPRS等方式發(fā)送給云平臺,同時接收云平臺發(fā)來的車庫控制命令,再用串口通信的方式發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)．RS-485、RS-232等串口通信方式須設(shè)置相應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和校驗方式．基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)之間采用HOST-LINK通信協(xié)議,與車牌識別系統(tǒng)之間采用自行設(shè)計的通信協(xié)議,與云平臺之間采用HTTP協(xié)議、POST方式和CJSON數(shù)據(jù)格式進行通信．基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖3所示．

表1 不同通信方式的元器件選擇和通信電路設(shè)計Tab.1 Component selection and communication circuit design for different communication methods

圖3 基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Software flow chart of ARM-based embedded control system

3.2 基于DSP的車牌識別系統(tǒng)

車牌識別系統(tǒng)要處理視頻流和圖片、進行高速浮點運算,須選擇高速DSP芯片作為其核心部件．本文在基于海思Hi3519芯片的嵌入式開發(fā)平臺上移植Linux系統(tǒng),采用交叉編譯方式運行車牌識別算法．本系統(tǒng)的主機和單板通過串口連接傳輸命令行以及回顯嵌入式輸出,同時使用以太網(wǎng)口或JTAG連接進行文件傳輸．交叉編譯過程主要包括制作交叉編譯工具、創(chuàng)建Linux環(huán)境、U-Boot移植、Linux內(nèi)核編譯、燒寫鏡像文件到SPI Flash等．

圖4為基于DSP的嵌入式車牌識別系統(tǒng)軟件設(shè)計流程．車牌識別(plate recognize)算法主要包括車牌檢測(plate detect)和字符識別(chars recognize),前者負責定位源圖像中的車牌信息并截取作為后者的輸入．車牌檢測包括車牌定位(plate locate)和車牌判斷(plate judge)[8-10],進行車牌檢測可以有效減少計算量,避免在視頻流的無車幀中浪費計算時間．字符識別包括字符分割(chars segment)和字符判斷(chars identify),字符分割將截取到的車牌圖片切分為若干個僅包含單個字符的圖片,并將其歸一化處理為同樣尺寸的待識別樣本．目前字符識別技術(shù)已相當成熟,識別率較高,因此車牌識別算法的關(guān)鍵在于車牌定位的效果[11]．

圖4 基于DSP的嵌入式車牌識別系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of the embedded license plate recognition system

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)主要控制電機模塊(控制車位板移動)、光電開關(guān)(檢測空余車位)、限位開關(guān)(檢測車位板位置)和安全裝置,接收相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù),針對ARM處理器發(fā)來的命令進行響應(yīng)．根據(jù)PLC控制系統(tǒng)控制的節(jié)點數(shù)量和系統(tǒng)性能指標要求,本文選用歐姆龍CP1E-N60型號的PLC控制系統(tǒng),其特點是運行穩(wěn)定、功能強大、界面友好、易于編程,能使用HOST-LINK通信協(xié)議通過RS-485和RS-232與上位機進行通信．圖5是PLC控制系統(tǒng)的內(nèi)部接線情況．

圖6是PLC控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程．PLC控制系統(tǒng)和用戶直接交互,因此軟件設(shè)計中確保安全性比算法效率更重要,一旦發(fā)生故障系統(tǒng)將直接暫停．另外,PLC控制系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的車位移動算法時,應(yīng)盡量使車位擋板的升降耗能最?。?/p>

5 安裝與測試

該系統(tǒng)在位于江蘇省蘇州市的某包含地上6層和地下2層的3列升降橫移式立體車庫進行系統(tǒng)實用化測試．在立體車庫現(xiàn)場安裝基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)控制箱、基于DSP的車牌識別攝像機、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備．系統(tǒng)的現(xiàn)場測試主要包括: ① PLC控制系統(tǒng)移動車位板、采集傳感器數(shù)據(jù)、接收ARM控制系統(tǒng)命令的功能;② ARM控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)、云平臺的通信;③ 云平臺分配車位、響應(yīng)用戶需求、診斷故障的功能．

圖5 PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部接線圖Fig.5 Internal wiring of PLC control system

圖6 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig.6 Software flow chart of PLC control system

測試過程中發(fā)現(xiàn)立體車庫電機啟動時回路電流較大,對整個系統(tǒng)產(chǎn)生較大干擾．因此根據(jù)現(xiàn)場實際情況,設(shè)計了抗電磁干擾的軟硬件解決方案并取得預(yù)期效果．測試過程中,用戶可以在云門戶的用戶界面查詢到附近立體車庫的車位情況,根據(jù)需要輸入車牌號和手機號預(yù)訂車位．然后用戶可以借助云門戶的導(dǎo)航服務(wù)到達預(yù)訂車庫,識別車牌后,智能控制器通過PLC系統(tǒng)把載車板移動到停車處,駕駛員將車輛停到指定車板,系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭確定駕駛員安全離開后,控制PLC將車輛移動到分配的車位．取車時云平臺根據(jù)停車時間計算費用,用戶付款后智能控制器控制PLC取車．測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)基本達到相應(yīng)的技術(shù)指標要求．

該系統(tǒng)對于提升立體車庫的智能化水平具有一定意義,通過簡單改裝就可以使現(xiàn)有的傳統(tǒng)停車場完成智能化升級．后續(xù)研究將加大系統(tǒng)實用化測試力度,進一步提升系統(tǒng)的可靠性．