室内停车场智能引导管理系统

2014“赛佰特杯”第四届全国大学生物联网创新设计应用大赛

作品设计报告

室内停车场智能引导管理系统

Indoor parking area intelligent guide system

设

计

报

告

队伍编号：

参赛学校：

作者：

指导教师：

组别：√本科组□高职组

目录

第一章绪论 (22)

1.1 现代化停车场 (22)

1.2 智能交通系统ITS价格昂贵 (33)

1.3 智能化新意 (33)

第二章系统方案 (33)

2.1系统结构 (44)

2.1.1硬件结构 (44)

2.1.2软件结构 (55)

2.2网络拓扑结构 (77)

第三章功能与指标 (88)

3.1 功能 (88)

3.1.1RFID功能 (88)

3.2指标 (88)

第四章实施原理及过程 (88)

4.1 实施原理 (88)

4.1.1网络原理 (99)

4.1.2 RFID原理： (1414)

第五章硬件框图 (1616)

5.1 NRF24L01无线传感器网络硬件框图 (1616)

5.2 RFID硬件框图 (1717)

第六章软件流程 (1919)

第七章特色与创新点 (1919)

7.1 特色点 (1919)

7.2创新点 (2020)

结论 (2020)

附录A ： (2020)

参考文献 (2121)

2014“赛佰特杯”第四届全国大学生物联网创新设计应用大赛 (2121)

参赛声明 (2121)

课题摘要：

针对室内停车场设计的智能化的引导管理系统，无线通信网络使用的是NRF24L01模块，成本低，低功耗，高精度的设计思路，通过系统控制建立自动收费系统。使用LED灯将要停车的车辆用最优路径指引到停车的位置上。车辆在开进停车场时，自动更新出现阶段停车场内的停车状况，在停车场入口处，系统会为车主智能自动分配最优车位，即离入口最近的车位。当多辆车连续进入时，系统会为所有车辆按顺序提供最优预定车位。通过红外感应将已停有车辆的位置上的灯点亮，使司机能够在通过路口时就能发现这个区域有无空车位，并且触发入口处停车场现状的显示屏的更新。使司机能够更方便，更快捷地将车停在最方便进出的位置上。

第一章绪论

1.1 现代化停车场

随着现代化科技的发展，大规模停车场的不断兴建，停车场需要管理的车辆越来越多，管理难度也愈发困难，怎样才能将车辆停在最优位置并且能够方便司机寻找最优位置是现在所面临的一个重大考验。另一方面，室内停车场内部对停车用户的停车引导极为重要，用户在有着千万个停车位的停车场中，如果没有一个智能化的引导系统，不能将用户引导到适合停车的位置上，那么停车场将会非常混乱，从而降低停车场的停车效率。而我们所设计的智能化引导系统能够通过LED灯指引最优路径，将车辆指引到最优停车位，还能够

通过红外感应出车位上有无车辆，将灯点亮并触发入口处显示屏更新停车场现状，使路过路口的用户能够清晰地看出什么位置上有车辆停车。

1.2 智能交通系统ITS价格昂贵

智能交通系统ITS是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系。然而智能交通系统的成本价格太高，不能广泛地适用于各个地方。对于一个城市来说，经济实用的室内停车场智能引导管理系统才能更加适用。我们所设计的室内停车场智能引导管理系统采用的是NRF24L01，我们的设计在一定程度上降低了成本，从而更加实用。

1.3 智能化新意

在室内停车场停车时，往往不知道哪里才是最优路径，最优车位从而导致停车场内的交通产生拥堵；当车辆行驶到路口时无法判断本停车道是否已有车辆停车，从而产生不必要的麻烦。针对这些问题，我们所设计的系统是当车辆驶入停车场入口处，用户会发现路面上LED灯会亮起，有一条最优路径指向用户将要停车的最优位置。使用红外感应，得到停车位是否有车辆停放导致灯的亮灭，触发停车场入口处停车场现状的显示屏更新。使得用户在经过路口时，能够清楚地看到哪个车位上有车辆停放，方便了用户停放车辆。

第二章系统方案

本着方便，快捷智能的将车停到最优的位置上，降低成本，使用户能够在停车的时候更加省心，更加快捷的目的，特设计如下方案:

1.最优路径引导：停车采用的是智能控制引导模式，不再使用传统的模式。这样，既节省资源，又节约成本，减少不必要的浪费，利用保护环境。采用NRF24L01无线传感网络，其特点是，低成本，低功耗。可以建立多条网络通道。符合本系统要求，所以本设计采用此无线传感网络来实现无线引导功能。

2. 智能化：用户在停车时往往会出现这样的问题，用户往往不知道哪里才是最优路径，最优车位从而导致停车场内的交通产生拥堵；当车辆行驶到路口时无法判断本停车道是否已有车辆停车，从而产生不必要的麻烦。为此，得出一个方案，通过控制系统在停车场入口处为用户分配一个最优车位，控制系统智能控制LED灯来引导用户到最优车位。是当车辆驶入停车场入口处，用户会发现路面上LED灯会亮起，有一条最优路径指向用户将要停车的最优位置。使用红外感应，得到停车位是否有车辆停放导致灯的亮灭，触发停车场入口处停车场现状的显示屏更新。使得用户在经过路口时，能够清楚地看到哪个车位上有车辆停放，方便了用户停放车辆。

2.1系统结构

2.1.1硬件结构

（一）NRF24L01硬件结构

1.主控电路：系统主控电路是由芯片、晶振电路和射频电路组成。芯片共有40个引脚，其中有21个可编程I/O口引脚，P0、P1端口是完全8位端口，P2端口只有5个可用的位。全部21个I/O引脚都具有响应外部的中断能力，中断可以用来唤醒休眠。

2.屏幕显示电路：本设计所用的12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器、列驱动器及128*64全点阵液晶显示器组成。此种型号的液晶显示屏以中间间隔平均划分为左屏和右屏分别显示，均为64*64点阵，而且各自都有独立的片选信号控制选择。先显示左屏，左屏全部显示完后才能显示右屏。

3.RS-232串口电路，RS-232接口是一种用于和PC机通信的接口，接口上带有MAX3232CES电平转换，可直接与PC连接。由于电脑串口RS-232电平是-10V——10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL 电平0——5V，MAX3232CSE就是利用双电荷泵在3.0V——5.5V电源电压下实现电平转换的。该器件包含两个驱动、两个接收器。

（二）RFID硬件结构

1.主控结构：主控结构是基于STC11F32XE芯片结构，增强型8051内核，速度比普通8051快8-12倍。STC11F32XE加密性强，无法解密，采用宏晶最新第六代加密技术，超强抗干扰，超强抗静电。输入电压5.5-4.1V，支持掉电唤醒外部中断，具有掉电唤醒专门定时器。

2.RC522硬件电路：MFRC522是高度集成的非接触式读写卡芯片。具有集成的模拟电路，解调和译码相应，缓冲的输出驱动器与天线的连接使用最少的外部元件，支持主机接口，具有64字节的发送和接收FIFO 缓冲区，灵活的终端模式低功耗的硬复位功能。

（三）四路循迹传感器模块

此模块是为智能小车、机器人等自动化机械装置提供一种多用途的红外线探测系统的解决方案。

该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红

外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处

理之后，同时信号输出接

口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围 2 ～ 6 0cm ，工

作电压为 3.3V-5V 。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

2.1.2软件结构

（一）上位机软件结构：上位机软件由2大部分构成，下位机数据采集，图形界面的操作。

（1）下位机数据采集：在下位机中，每一辆车的信息是先由电脑的终端节点采集，并通过NRF24L01网络传给一个协调器，协调器收到每个节点发来的信息后，将其封装成一数据帧，并通过串口线传输给电脑。

（2）图形界面的操作和统计：软件的运行图（1）所示停车场未进入车时的状态

（1）

图（2）所示：当车辆进入停车场时，停车场的路径引导

（2）

图（3）所示：预定车辆后下一辆车再入场导引系统会分配下一个车位

（二）RFID-reader程序结构：RFID程序是在keil软件下载用C语言做的一个工程，包括主函数，按键函数，RC522下的程序等都是集中在一个单片机芯片上。程序流程是先定义数据变量，声明函数，调用函数定义，初始化每个模块，主函数，每一个模块。

2.2网络拓扑结构

图为网络拓扑结构图，网络拓扑结构分星状网络拓扑和树状网络拓扑。该设计使用的是星状拓扑结构

和树状网络拓扑，主控端作为协调器，手持端作为终端设备，多个终端设备发送数据，由协调器接收数据，并显示在电脑上。

第三章功能与指标

3.1 功能

3.1.1RFID功能

（1）ID卡注册：ID卡注册可通过前台服务端办理注册信息，也进行充值，密码验证设置。

（2）ID卡使用：当持有标签的用户进入停车场时，可直接刷卡进入停车场。

3.1.2智能引导功能

（1）引导最优路径：引导最优路径功能是通过系统控制LED灯，将车辆按照LED灯所指引的路径到达最优车位。车辆进入停车场时，系统自动分配最优路径给用户，点亮LED灯，引导车辆到达最优车位，使用户方便、快捷的寻找到最优车位。

（2）红外感应车位上是否有车辆停放：通过红外感应，将感应出该车位上是否有车辆停放，若有车辆停放，则所设置的灯自动点亮；若没有车停放，则所设置的灯不亮。当用户行驶到路口时，只需查看个车位上的灯是否亮起便可判断次车位上是否有车停放，从而用户可以清楚地看到停车情况，选择更为合适的位置停放车辆。

（3）显示屏显示停车场现状：停车场入口处有显示屏，显示各个时间段停车场内部的停车情况，当车位上有车辆停放时，所设置的灯点亮，并且触发电脑将系统更新，使用户能够立即了解停车场停车现状，从而方便用户选择停车位。

3.2指标

模块参数说明

1．当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上红色指示灯点亮，同时OUT端口持续输出低电平信号 , 该模块检测距离 2～60cm，检测角度35 °，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。

2．传感器属于红外线反射探测 , 因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距

离最小 , 白色最大 ; 小面积物体距离小 , 大面积距离大。

3.传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可，也可以直接驱动一个 5V 继电器模块或者蜂鸣器模块；连接方式：

VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO4 、比较器采用LM3 39 ，工作稳定；

4．可采用 3 .3V -5V 直流电源对模块进行供电。当电源接通时，绿色电源指示灯点亮；

第四章实施原理及过程

4.1 实施原理

4.1.1网络原理

本设计采用基于NRF24L01无线传感网络

1.NRF24L01无线传感网络的特点：

1） GFSK 调制；

2）具有自动应答和自动再发射功能；

3）片内自动生成报头和CRC 校验码；

4）数据传输率为lMbps 或2Mbps；

5） SPI 速率为0～10Mbps；

6）与其他nRF24 系列射频器件相兼容；

7）供电电压为1.9～3.6V。

nRF24L01 芯片具有两种通信模式：直接模式（DirectMode）和突发模式（ShockBurs Mode）。直接模式的使用与其他传统射频收发器的原理一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址，并检查数据是否传输正确。突发模式使用芯片内部的先入先出堆栈区，数据可从低速微控制器送入，高速发射出去，地址和校验码由硬件自动添加和去除[4]。这种模式的优点是：①可使用低速微控制器控制芯片工作；②减小功耗；③射频信号高速发射，抗干扰性强；④减小整个系统的平均电流。因此使用nRF24L01 芯片特有的突发模式，可以提高系统整体的性能和效率

NRF24L01工作模式：

待机模式：

待机模式I在保证快速启动的同时，减少系统平均消耗电流。在待机模式I下，晶振正常工作。在待机模式ii下，部分时钟缓冲器处在工作模式。当发送端TX FIFO寄存器为空并且CE为高电平时进入待机模式ii。在待机模式期间，寄存器配置字内容保持不变。

掉电模式：

在掉电模式下，nRF24L01各功能关闭，保持电流消耗最小。进入掉电模式后，nRF24L01停止工作，但寄存器内容保持不变。

nRF24L01可以设置为以下几种模式：

增强型的ShockBurst TM 模式：

增强型的ShockBurst TM 模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。典型的双向链接为：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失。一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。

增强型的ShockBurst TM 模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。

在Enhanced ShockBurstTM收发模式下， nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码

nRF24L01配置为增强型的ShockBurst TM 模式下时，只要MCU有数据要发送，nRF24L01就会自动启动ShockBurst TM模式来发送数据。在发送完数据后nRF24L01转到接收模式，并等待终端的应答信号。如果没有收到应答信号，nRF24L01将重发相同的数据包，直到收到应答信号或重发次数超过SETUP_RETR_ARC 寄存器中设置的值为止，如果重发次数超过了设定值，则产生MAX_RT中断。

只要接收到确认信号，nRF24L01就认为最后一包数据已经发送成功（接收方已经收到数据），把TX FIFO中的数据清除掉并产生TX_DS中断（IRQ引脚置高）。

增强型ShockBurstTM 发送模式：

配置寄存器位PRIM_RX 为低

当MCU 有数据要发送时，接收节点地址（TX_ADDR）和有效数据(TX_PLD)通过SPI 接口写入nRF24L01。发送数据的长度以字节计数从MCU 写入TX FIFO。当CSN 为低时数据被不断的写入。发送端发送完数据后，将通道0 设置为接收模式来接收应答信号，其接收地址(RX_ADDR_P0)与接收端地址(TX_ADDR)相同。

例：在上图中数据通道5 的发送端(TX5)及接收端(RX)地址设置如下：

TX5：TX_ADDR=0xB3B4B5B605

TX5：RX_ADDR_P0=0xB3B4B5B605

RX：RX_ADDR_P5=0xB3B4B5B605

设置CE 为高，启动发射。CE 高电平持续时间最小为10 us。

nRF24L01 ShockBurstTM 模式：

无线系统上电

启动内部16MHz 时钟

无线发送数据打包

高速发送数据（由MCU 设定为1Mbps 或2Mbps）

如果启动了自动应答模式（自动重发计数器不等于0，ENAA_P0=1），无线芯片立即进入接收模式。

如果在有效应答时间范围内收到应答信号，则认为数据成功发送到了接收端，此时状态寄存器的TX_DS 位置高并把数据从TX FIFO 中清除掉。如果在设定时间范围内没有接收到应答信号，则重新发送数据。如果自动重发计数器（ARC_CNT）溢出（超过了编程设定的值），则状态寄存器的MAX_RT 位置高。不清除TX FIFO 中的数据。当MAX_RT 或TX_DS 为高电平时IRQ 引脚产生中断。IRQ 中断通过写状态寄存器来复位。如果重发次数在达到设定的最大重发次数时还没有收到应答信号的话，在MAX_RT 中断清除之前不会重发数据包。数据包丢失计数器(PLOS_CNT)在每次产生MAX_RT 中断后加一。也就是说：重发计数器ARC_CNT 计算重发数据包次数，PLOS_CNT 计算在达到最大允许重发次数时仍没有发送成功的数据包个数。

如果CE 置低，则系统进入待机模式I。如果不设置CE 为低，则系统会发送TX FIFO 寄存器中下一包数据。如果TX FIFO 寄存器为空并且CE 为高则系统进入待机模式II。

如果系统在待机模式II，当CE 置低后系统立即进入待机模式I。

增强型ShockBurstTM 接收模式：

ShockBurstTM 接收模式是通过设置寄存器中PRIM_RX 位为高来选择的。准备接收数据的通道必须被使能（EN_RXADDR 寄存器），所有工作在增强型ShockBurstTM 模式下的数据通道的自动应答功能是由(EN_AA 寄存器)来使能的，有效数据宽度是由RX_PW_Px 寄存器来设置的。地址的建立过程见增强型ShockBurstTM 发送章节。

接收模式由设置CE 为高来启动。

130us 后nRF24L01 开始检测空中信息。

接收到有效的数据包后（地址匹配、CRC 检验正确），数据存储在RX_FIFO 中，同时RX_DR 位置高，并产生中断。状态寄存器中RX_P_NO 位显示数据是由哪个通道接收到的。

如果使能自动确认信号，则发送确认信号。

MCU 设置CE 脚为低，进入待机模式I（低功耗模式）。

MCU 将数据以合适的速率通过SPI 口将数据读出。

芯片准备好进入发送模式、接收模式或掉电模式。

nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的数据