基于单片机的车位检测实验系统设计

高宏岩, 马 骏, 朱林海

(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛 266590)

基于单片机的车位检测实验系统设计

高宏岩, 马 骏, 朱林海

(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛 266590)

给出了自动化专业创新实验案例——基于单片机的车位检测实验系统设计。对实验系统的地磁检测部分、基站部分、网络服务器、用户客户端等进行了硬件和软件设计。实验结果表明，该实验系统能够实现车位状态的检测、车位状态信息的无线传输和网络服务器对停车场的实时监控。通过该实验系统设计，不仅使学生掌握电子、单片机、通信等技术，也使学生的实践能力和创新能力得到提升。

车位检测； 创新实验； 单片机； 无线传输

创新实验是山东科技大学自动化专业的必修实践环节,旨在培养学生的实践能力和创新意识[1]。创新实验只给定实验任务,不对学生的实验方法和手段进行严格约束,鼓励学生探索多元化的实验方法完成实验任务,学生可以更加自由地发挥创造力。本文给出自动化专业创新实验案例——基于单片机的车位检测实验系统设计,实验任务要求实现车位状态的检测、车位状态信息的无线传输和网络服务器对停车场的实时监控。

1 实验系统硬件设计

1.1 系统结构和工作原理

系统结构由地磁检测部分、无线收发部分、基站部分、Internet无线网络接入端、PC端软件和用户手机客户端组成[2],如图1所示。

图1 系统结构组成

本实验系统的硬件主要包括STC89C52单片机、地磁传感器、无线传输模块[3]和基站模块。其工作原理:地磁传感器检测车位的信息并使用无线传输模块将信号传送至基站模块[4],基站模块接收到信号后,通过Internet无线网络接入端使用TCP/IP协议把信号传送至PC端[5],PC端相应的软件可以实现与用户客户端双向通信,达到检测和传输车位信息的目的。

1.2 地磁检测部分硬件设计

地磁检测部分的控制芯片采用STC89C52单片机,检测元件采用HMC5883地磁传感器。HMC5883地磁传感器具有检测磁场变化的能力,当大型的金属物体置于其正上方时,就会改变其原有的地磁方向,因而该芯片检测出的数值就会发生变化,从而获得车位状态检测信号[6]。HMC5883的接口电路设计如图2所示,其中P1.6和P1.7为STC89C52单片机的I/O口。

图2 HMC5883接口电路设计

1.3 无线传输部分硬件设计

无线传输部分的控制芯片也采用STC89C52单片机,无线传输模块采用NORDIC公司生产的无线通信芯片nRF24L01,其通信距离可达100 m左右,在工程上需要为单片机系统预留5个GPIO和1个中断输入引脚,可以实现停车场车位检测信息的无线通信[7]。nRF24L01的接口电路设计如图3所示,其中P1.0—P1.5为STC89C52单片机的I/O口。

图3 nRF24L01接口电路设计

1.4 基站部分硬件设计

基站部分由单片机控制GSM/GPRS模块实现Internet无线网络接入和接收地磁传感器发送的信息。GSM/GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM900A模块,该模块具有低功耗语音、短信和基于GPRS的网络数据传输功能,其接口电路设计如图4所示[8],其中P3.0和P3.1为STC89C52单片机的I/O口。

图4 SIM900A的接口电路设计

1.5 系统电源部分设计

本系统供电电源为5 V直流电源,可直接给单片机供电,但部分芯片工作电压为3.3 V,因此需要进行5 V—3.3 V电源转换。采用AMS1117-3.3芯片进行电源转换[9],其电路设计如图5所示。由于SIM900A使用的12 V电源由电源适配器提供,所以不涉及12 V电源的转换问题。

图5 电源转换电路设计

本文设计的车位检测系统硬件部分实物图如图6所示,左侧为基站部分,右侧为地磁检测部分。

2 系统软件设计

2.1 地磁检测部分软件设计

地磁传感器由单片机控制地磁芯片测量磁场的大小,其采样周期为1 s,即每隔1 s将对传感器所在的磁场进行测量,将所得结果进行分析判断,最后将所得数据通过nRF24L01发出。地磁传感器所发送信息采用4个字节的帧,见图7，每个字节由2位16进制数字构成,一个数据帧包括帧头7FH,车位编号X1X2、X3X4,车位状态Y1Y2。通常情况下Y1设置为0,Y2表示车位状态,0表示“无车”、1表示“有车”,其余状态可用于以后扩展。如果车位编号位或车位状态位使用完后,Y1可根据需要进行相应扩展。

图7 地磁部分帧结构

地磁传感器的车位检测功能主要是通过检测地磁的变化实现的,但由于地磁芯片受到周围环境的干扰所读取的数据是在一个范围内不断变化的。因此设计检测程序时给定一个阈值,当获得的数值大于阈值时判断为有车,反之无车

[10]

。部分检测程序设计如下:

#define res200 unsigned int check () {unsigned int ReceiveData,Data1,Data2; Data1 = res + 15; Data2 = res - 15; ReceiveData = GetData(); if(ReceiveData >= Data1 || Data2 >= ReceiveData) return 1; else return 0;}

程序每隔1 s会检测一次车位状态,当检测到车位状态改变时即启动无线传输模块,将数据发出,完成数据发送后停止发送并进入待机模式。部分发送程序设计如下:

unsigned int Full[3]={0x7F,0x00,0x21,0x01}; unsigned int None[3]={0x7F,0x00,0x21,0x00}; void mian(void) {unsigned int Flag,Buff; Buff = check(); while(1){Flag = check(); if(Flag != Buff) {if(Flag == 1)nRFSend(Full[3]); if(Flag == 0)nRFSend(None[3]); nRFWait(); Buff = Flag;} Delay_ms(1000);}}

2.2 基站部分软件设计

基站部分使用无线传输模块实时接收地磁部分发送的数据,接收到数据后立即将数据通过SIM900A的GPRS功能建立TCP/IP通信,把数据上传至网络,PC端即可接收到数据信息。基站模块的帧结构包括帧头7FH,车位编号X1X2、X3X4,车位状态Y1Y2,以及后面重复排列的数据,本系统应用的帧长为7个字节,根据系统需要还可进行扩展[11]。基站部分帧结构设计见图8。

图8 基站部分帧结构设计

基站部分通过不断检测是否有数据接收,如果接收到数据标志位Flag会置1,启动SIM900A通过网络发送数据。部分发送程序如下:

unsigned int Data[6]; unsigned int Flag; void main( ) {if(Flag==1){ GPRS_Open(); GPRS_Send(Data[6]); GPRS_Close();}}

3 实验结果

通过对车位检测实验系统进行多次测试,表明可以实现车位状态检测，以及车位状态信息的无线传输和网络服务器对停车场的实时监控。从车位状态检测到用户手机界面查询时间大约为20 s,符合实际应用需求。

(1) PC端网络映射实验。以本机IP地址192.168.1.122作为内网主机,映射外网8088端口,映射完成后当外网访问时本机作为服务器的IP地址为103.44.145.245:34527,端口配置如图9所示。

图9 端口配置

(2) 主机连通性实验。通过ping测试主机映射的域名qaz-qaz-qaz.imwork.net可得到服务器的IP地址为103.44.145.245,同时验证了主机的连通性,测试结果见图10。

图10 主机连通性测试实验结果

(3) PC端TCP/IP通信实验。分别使用手机应用程序和基站与PC端软件进行TCP/IP通信，并由基站向PC端发送数据信息,测试表明服务器可以接收来自不同IP地址的数据,由于端口映射缘故,此处根据不同端口号来判断发送者的IP地址是否一致[12]。

PC端主机收到来自IP端口号为5962的基站发送的数据,其中“7FH 00H 21H 01H”、“7FH 01H 01H 01H”数据的含义是0021车位“有车”状态,0101车位“有车”状态,大约2 min后PC端再次收到数据“7FH 00H 01H 00H”,其含义是0001车位“无车”,测试结果见图11。

图11 PC端TCP/IP通信实验测试结果

(4) 用户客户端TCP/IP通信实验。测试表明，用户客户端手机APP可以成功地向PC端发送数据,并成功地接收到PC端发给APP的数据,内容与基站发送给PC端的内容一致,测试结果见图12。

图12 客户端TCP/IP通信实验测试结果

4 结语

以车位检测实验系统设计为例,阐述了该系统的硬件设计、软件设计、通信设计和实验测试过程。该实验设计作为创新实验案例,已在山东科技大学自动化专业得以实施,取得了良好的教学效果,既锻炼了学生的实践能力,也培养了学生的创新意识。

References)

[1] 高宏岩, 张开如. 自动控制原理模块化实验教学模式研究[J]. 实验科学与技术, 2014,12(6):62-65.

[2] 何斌, 蒋铃鸽. 一种基于传感网技术的智能停车场车位检测器方案设计与实现[J]. 科学技术与工程, 2013,13(23):6774-6780.

[3] 陈国林, 佘洪波, 董金荣,等. 一种基于无线传感网的车位检测系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2015(8):49-52.

[4] 张永宏, 曹健, 王丽华. 基于51单片机与nRF24L01无线门禁控制系统设计[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版),2013,27(1):64-69.

[5] 高原, 文瑞松, 王土央. 无线传感器网络环境监测采集节点的设计[J]. 实验技术与管理, 2012,29(4):127-131.

[6] 周鹏, 魏英华, 覃光勇,等. 基于HMC5883L的停车位ZigBee数据采集系统[J]. 电子设计工程, 2015,23(20):9-13.

[7] 唐中一, 王明胜, 舒领. 基于NRF24L01远程数据采集系统的设计[J]. 自动化与仪器仪表, 2011(4):44-45.

[8] 梁海峰. 基于SIM900A无线LED公告栏控制系统设计[J]. 轻工科技, 2013(3):63-64.

[9] 郑晓庆, 杨日杰, 杨立永,等. 多路输出DC-DC电路设计[J]. 国外电子测量技术, 2012,31(9):31-33.

[10] 张燕, 陈华. HMC5883L电子罗盘的误差补偿系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2015(5):39-42.

[11] 朱晨曦, 陈伟鹏, 乔纳森·阿格雷. 节点之间的无线数据帧结构：中国,CN 101507144 B[P].2009-08-12.

[12] Comer D E. Internetworking with TCP/IP [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.

Design of experimental system for parking space detection based on single-chip computer

Gao Hongyan, Ma Jun, Zhu Linhai

(College ofElectrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

An innovative experimental case for Automation specialty, i.e., the design of the experimental system for parking space detection based on the single-chip computer, is presented. The design is carried out on the hardware and software of the geomagnetic detection section, the base station, the network server and the users’ client. The experimental results show that the system can realize the detection of parking status, the wireless transmission of parking status information and the real-time monitoring and control of the parking lot. Through the design of the experimental system, the students not only master the electronic technology and technology of single-chip computer, communication, etc., but also improve their practical ability and innovative ability.

parking space detection; innovative experiment; single-chip computer; wireless transmission

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.021

2016-07-23 修改日期：2016-09-04

山东省高等学校自动控制原理精品课程项目(2011BK025)；山东科技大学电气与自动化工程学院优秀教学团队建设计划项目(skzdhjxtd152)；山东科技大学研究生科技创新项目(YC150350)

高宏岩(1971—)，女(满族)，吉林敦化，博士，副教授，研究方向为控制理论与控制工程.

E-mail：gaohongyan0107@163.com

TP273;G642.0

A

1002-4956(2017)1-0090-04