基于STM32 的车库智能排水系统设计

黄海俊，黎冬梅，许媛媛，潘佳豪，黄日荣

（玉林师范学院 物理与电信工程学院，广西玉林，537000）

0 引言

地下停车场作为城市交通配套设施中重要的一部分[1]，为驾驶员提供了方便的停车环境。然而，由于地下停车场位于地下水平面以下，面临着排水问题和阻水挑战。特别是在降雨天气或春季融雪时，地下停车场容易发生积水现象，给车辆和人员的安全带来潜在威胁[2]。因此，设计和实施有效的车库智能排水系统是解决地下停车场排水问题的关键。

目前，传统的车库排水方式主要依赖于地面排水系统，然而，由于地下停车场位置相对低洼且受到地下水位因素的影响，常常出现排水不畅、积水严重甚至水浸事故频发的情况[3]。为了有效解决这一问题，本研究提出了一种基于STM32 的车库智能排水系统设计。该系统旨在通过实时监测、智能调控和排水、阻水功能来全面解决排水和阻水问题。它能够快速调整排水阻水机构，以应对各种排水情况，显著改善地下停车场的排水效果，提升用户的停车体验和安全性。

1 系统方案概述

本文研究的车库智能排水系统主要包括以下3 个模块：控制模块、传感器模块、执行机构模块。控制模块以基于STM32 的单片机为核心，通过接口与其他模块进行数据交互和控制信号传输。传感器模块包括雨水传感器和人体红外感应传感器。用于监测车库内的降雨情况和车辆进出情况。执行机构模块包括百叶式排水机构、剪叉式阻水机构、活动井盖、抽水泵，根据传感器模块的信号和传感器设置的限度，通过控制执行机构模块实现自动排水、防倒灌和防止车库被降雨水淹的功能。系统的总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 机械结构设计

■2.1 剪叉式阻水升降机构的机械设计

如图2 所示，是剪叉式阻水机构的机械结构图。为了实现阻水板的升降功能，选用了适当规格和功率的电动推杆作为驱动装置。电动推杆通过固定连接于阻水板底部，并利用电源和控制器实现灵活控制。为了将电动推杆的线性运动转化为阻水板的垂直运动，采用了一种剪叉式机构设计[4]。该剪叉式机构由两个交叉的连杆组成，其中一个连杆固定在电动推杆上，另一个连杆固定在阻水板上。当电动推杆运动时，剪叉式机构能够将其线性运动转化为阻水板的垂直运动，从而实现阻水板的升降功能。这种机构设计可有效地将电动推杆的运动传递到阻水板，使其能够沿垂直方向升降。同时，通过合理选用电动推杆的规格和功率，以及优化连杆的长度和比例，可以实现所需的升降高度和速度。

图2 剪叉式阻水机构的机械结构图

■2.2 百叶式排水机构的机械设计

如图3 所示，展示了百叶式排水机构的机械结构。该机构采用了平行四杆机构设计，并选择舵机作为驱动装置来实现百叶的开闭运动。平行四杆机构由舵机的输出轴和两个连杆组成。其中一个连杆固定在舵机的输出轴上，而另一个连杆与百叶相连。通过合理设计连杆的长度和比例关系，舵机的旋转运动可以被转化为百叶的平行运动，从而实现百叶的同时开闭。通过控制舵机的旋转角度，可以实现百叶的灵活开启和关闭操作，以确保车库快速排水。这种简单而有效的平行四杆机构设计为百叶式排水装置提供了稳定可靠的动力传输方式。

图3 百叶式排水机构的机械结构图

3 系统硬件设计

■3.1 主控制器模块

车库智能排水系统采用STM32F103VET6 作为核心控制器，提供了多样化的外设接口[5]。这些接口包括电源接口、外部传感器接口、外部执行器接口、I2C 总线接口和控制引脚。通过外部传感器接口，系统可以实时获取车库环境的参数信息，比如水量和人员出现情况。外部执行器接口可用于控制排水系统的运行状态，可以驱动水泵或打开排水阀门。同时，使用I2C 总线接口可以与其他设备进行通信和数据传输。控制引脚则用于数据输入输出、定时任务和中断处理。利用软件编程，系统能够智能地控制排水系统的启停，根据传感器获取的数据进行自动调节。这样，车库智能排水系统得以稳定可靠地进行控制和监测，显著提升了系统的智能化水平。

■3.2 雨水传感器模块

车库智能排水系统采用雨水传感器模块，通过电阻性原理设计，能及时检测车库内的雨水积聚并实现智能排水。雨水传感器模块在系统中起到关键作用。当雨水落入车库时，雨滴与涂覆镍线电极接触，形成导电路径，使电路板与地连接，产生低电平信号[6]。该信号经过连接的LM393 电压比较器处理，比较AC 端口和IN 端口电平，输出相应的高或低电平。当检测到雨水存在时，输出高电平信号；若无雨水，则输出低电平信号。控制单元连接到雨水传感器模块的DO数字输出，可实时监测传感器模块状态，判断车库是否有雨水积聚。同时，通过连接到雨水传感器模块的AO 模拟输出，可获取雨水的量信息，以便更精准地控制排水程度和时机。使用雨水传感器模块，车库智能排水系统能自动检测雨水状态并进行智能排水，避免车库积水问题，提升安全性和舒适性。

■3.3 人体红外感应传感器模块

车库智能排水系统采用了人体红外感应传感器模块作为关键组件，位于入口底部的阻水挡板上。该模块通过双元探头设计和圆形透镜设计，能够精确感知人员和车辆的方向和距离，同时扩大感应角度范围[7]。通过延时关闭和感应封锁时间的设置，系统能够自动检测人员和车辆的进出，并在延时时间内阻止水流进入车库。通过此优化设计，人体红外感应模块实现了全自动感应和可重复触发的功能，提高了车库智能排水系统的效率、安全性和便利性，为用户提供更高水平的智能车库管理体验。

4 系统软件设计

车库智能排水系统的软件设计分为五个方面。系统启动时，进行MCU（单片机）的初始化设置，包括引脚配置和时钟设置。传感器模块和执行机构模块也需要初始化，并与它们建立通信连接，确保硬件正常工作和数据传输。在传感器数据采集阶段，通过读取雨水传感器和人体红外感应模块数据，获取车库内的降雨情况和车辆进出情况。传感器数据会经过ADC 转换为数字信号，并进行数据校验和格式转化。参数判断和控制逻辑阶段根据用户预设的阈值对传感器数据进行处理和判断。例如，当降雨超过阈值时触发排水机构启动，当检测到人员或车辆接近车库入口时触发阻水机构升起。设备动作控制阶段，通过GPIO 控制执行机构的动作，如百叶式排水机构和剪叉式阻水机构的开闭状态、活动井盖的升降、抽水泵的启停。用户界面和操作阶段，通过显示屏提供菜单和界面，并通过按钮进行参数设置和查询系统状态。

整体框架包括初始化子程序、数据采集子程序、决策控制子程序、用户界面子程序，可提供高效排水和用户友好操作。图4 为软件整体框图。

图4 软件整体框图

5 系统测试与分析

为验证测试车库智能排水系统的性能功能，模拟车库环境的搭建（如图5 所示），进行设备动作控制和传感器数据采集的测试与分析，测试结果如表1 所示。

表1 传感器数据采集和设备动作控制测试结果

图5 车库智能排水系统样机

通过对设备动作控制和传感器数据采集的测试与分析，证明了车库智能排水系统在设备动作控制和传感器数据采集方面表现良好，能够根据不同情境进行智能排水管理。然而，在实际应用中仍可能存在改进的空间，例如提升设备响应速度、增加传感器的准确性。未来可以进一步研究和改进系统的性能，以满足更多需求和场景。

6 结束语

本文介绍了一种基于STM32 的车库智能排水系统。该系统利用传感器和机构实现了自动化的阻水排水控制，解决了地下停车场排水问题。传感器和控制机构的协作保证了系统的高效稳定运行，降低了水浸事故的发生概率，增强了用户停车安全性。通过实时感知和准确判断降雨情况，系统能够智能引导雨水进入排水或阻水系统，有效预防积水和水浸事故的发生。实验结果证明，该系统在保证停车安全的同时，能够及时有效地排水，降低了水浸风险，提升排水效果，为用户提供更安全和便利的停车环境。未来，该系统有望在更广范围的停车场中应用，提高城市交通系统的智能化水平，为人们的出行提供更安全、便利的保障。