基于红外探测和无线传输的地下泊位显示装置*

袁若辰，王连震，艾雨豪，陈梓明，张同声，李沃阳

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引 言

近年来，停车难已经成为大城市面临的严峻问题。部分区域车位数量严重不足和现有车位没有得到有效利用，是造成停车难的两个主要因素。鉴于土地资源有限，车位数量短期不会大幅增加。为了缓解停车难问题，可以从泊位资源的有效利用考虑，提高现有泊位的利用率。

国外学者较早提出了泊车管理系统概念，并采用相关技术获取了车位状态信息。历史上第一套探测停车位信息的车位探测器的泊车诱导系统于2001年在华盛顿国际机场的停车场首次投入使用。随后，2003年德国慕尼黑机场的停车场首次使用基于传感器进行车位使用状况探测的泊车系统。

随着近年来“停车难”“难停车”问题凸显，中国各大高校对车辆停放进行研究，取得了重大成果。例如，中山大学研究了一种基于视频探测技术的停车场监控系统，北京工业大学研究了一种基于空间位置重构的自动泊车系统，北京交通大学研究了一种基于无模型自适应控制技术的自动泊车系统。这些研究均很好地促进了行业的发展。

本文设计了一种基于红外探测和无线传输的地下泊位显示装置，车主仅需通过手机终端便可知道地下停车场的车位使用情况，并选择就近停车，有效提高了地下停车场车位利用率，缓解了停车难问题。

目前常用的泊位状态探测技术主要有超声波探测、红外探测、环形线圈探测以及视频探测等[1]。综合考虑装置效率、操作难度、经济成本以及地下停车场环境等因素，红外探测器具有其他探测器无法比拟的优势，因此决定采用红外线探测器作为本文的泊位探测装置。

整个装置的工作流程包括三个步骤：

（1）感应传输阶段：红外线探测器检会实时探测泊位信息，并将具体信息传输给将对应的APP使用者。

（2）接收显示阶段：车主可通过APP终端获取泊位空缺变化等信息。

（3）使用阶段：车主通过提示信息准确找到相应车位，车位被使用的信息再次被探测器检测，从而传输给其他APP使用者，达到系统的动态工作过程循环。

1 感应传输阶段

感应传输阶段由红外探测器和无线传输装置 组成。

1.1 红外传感器工作原理

本文采用E18-D80NK-N型传感器。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，可有效避免可见光的干扰[2]。透镜的使用使得这款传感器最远检测距离为80 cm，具有探测距离远、受可见光干扰小、价格低、易于装配以及使用方便等特点。

该传感器内部结构如图1所示。

图1 传感器内部结构

该传感器为NPN型光电开关，输出状态是0和1，即数字电路中的低电平和高电平。检测到目标高电平输出，正常状态低电平输出。当检测到车位有车停入时为0输出，即低电平；正常状态为高电平输出。本系统需要可以测得距离是否有变化的传感器，而此种传感器的测量测距离可以调整，所以该传感器可以胜任。

发射器：当接入电源时，经过整流模块的整流稳压，驱动调制器，之后发射管接收到调制器所发出的电信号，通过光电二极管发出红外信号。

接收器：当接入电源时，经过整流模块的整流稳压，驱动调节器和放大器放大和同步选通整形，然后用积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。

光电开关一般都具有很好的回差性，即使被测物体在小范围内晃动也不会影响输出状态，从而可使其保持在稳定工作区[3]。当车辆驶入闲置泊位时，车辆遮挡一段时间的红外发射器信号，致使红外接收器无法收到信号，红外接收器整合占位信号并发送给信号传输模块，最终在显示装置上显示为被占[4]。

1.2 红外信号发射与接收的工作原理

图2是红外探测器信号发射接收的工作示意图。

图2 红外探测器信号发射接收

红外探测工作时分为信号发射与接收两个过程，发射端将对应的数字信号即遥控码加载在载波上。承载着信号的载波发送出去，红外接收头里面有一个红外光电二极管，此时通过放大等操作，最终把信号调制成电流信号，从而转成所需要的遥控码，输出相应功能[5]。

红外信号接收装置采用红外热稀电处理芯片，是一款高性能集成电路，能快速开启各种负载装置，适用于停车场、库房以及走廊等敏感装置[6]。运算放大器将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由耦合电容给运算放大器进行第二级放大，再经由两个电压比较器构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，然后输出信号经晶体管放大驱动继电器去接通负载。

2 信息传输系统

车位使用状态信息的传输系统包含由单片机控制的信息采集器，与每个车位安放的红外探测器连接进行信息采集，以收集相应车位信息[7]。随后相应信息将借助中继器传入网络，并最终被接收装置接收。

2.1 信息传输模块

信息传输系统的工作过程（采集-处理-传输-接收），如图3所示。

图3 信息传输系统的工作流程

（1）泊位信息采集：采用红外探测器。

（2）控制中心：将收集到的泊位使用信息加工处理后，向后台传输至后台处理器[8]。

（3）信息发布子系统：将泊位使用信息发布在地下车库外的显示屏和APP终端。

2.2 信息传输系统

2.2.1 地下停车场信号问题

地下停车场由于受所处环境限制，信号往往较弱，而本文装置需实时检测车位使用情况。调频无线发射与接收装置的无线信道在传播过程中，复杂且时变的环境会引起信号自由空间路径损耗、多径衰落以及阴影衰落等衰减损耗。为了解决此影响，提出在地下停车场中安装信号发射基站，用于信号接收和中转。需要说明的是，发射基站位置的选择取决于地下车库的具体位置信息。

2.2.2 车位信息的传输

本文使用红外线探测器、单片机以及与嵌入式无线数据收发芯片构成信息传输模块。利用车位使用信息的二值性，使车位使用状态为“0”与“1”的状态值。由于地下停车场通常光线较为昏暗,实地寻找车位比较困难，配套的指引装置能帮车主快速找到目标泊位。

装置如图4所示，其中1为泊位，2和3分别为通了工作电流的指示灯和红外探测器。红外探测器将获得的车位信息交由单片机编码，再由无线收发模块建立通信，后台接收数据后进行解码与识别处理，再将数据上传到应用终端端口。APP终端程序完成车位状态判断、相应停车时间以及车辆统计等信息显示。

图4 泊位模拟

2.3 信息传输模块工作过程

信息传输将由调频无线发射机和接收机完成。红外传感器发出的泊位信息将由调频无线发射接收机接收，然后发送至后台程序加以处理。

发射机采用变容二极管与压控振荡器直接调频方式，然后输出给高频功率放大器，将调频信号发射，原理如图5所示。

图5 发射机原理

接收机尽可能选择单功能模块进行设计，原理如图6所示。

图6 接收机原理

此外，前置低噪声放大器、混频器和鉴频器选用集成电路、中频放大器双调谐放大器实现相应功能。这一系列设计可使信号传输更有效，提升工作效率，且有效降低材料成本。

3 接收显示装置

接收显示和使用阶段主要由泊位显示系统完成，该系统是以电影院选座系统作为参照。车主登陆该系统后，可通过该界面选择特定的车位，每个车位都附有其具体位置的提示。界面中，每一个button代表一个车位，显示空白代表空闲车位，显示黑色代表以占用，在车主点击占用并跳转到锁定界面。

本文采用服务器数据直传到客户端的方式：在APP客户端显示车位选择主界面系统，车主点击红色空闲车位占用，跳转转到锁定界面。泊位信息由红色空闲变为蓝色占用；车主取车后，泊位信息将自动变化，APP的计时计费系统会提示车主支付停车费，并且其他车主将会看到本车位的实时信息，由此实现系统的动态工作过程循环。

4 结 语

本文通过红外线探测器和无线传输装置的结合使用，实现泊位信息的实时传输。具体地，红外探测具有探测稳定、抗干扰能力强以及灵敏度高等优点。调频无线发射接收装置功率、能耗较低，可以实现信号的实时传输。此外，通过开发客户端APP，用户可以直接通过手机进行选位、停车以及付费等一系列操作，由此大大提高了地下停车场的使用率。本文详细介绍了装置的具体原理和方案，装置以效率高、成本低以及操作方便等优点，为地下泊位管理系统提供了一种新选择。