网络型停车场控制系统硬件电路设计与实现

摘要：设计的网络型机动车停车场控制管理系统是以单片机为执行核心，以计算机软件为管理核心，提出一种监控自动化、信息管理自动化网络解决方案。通过计算机网络技术和RS 485工业总线的应用，车场规模可以无限制扩展。在门禁控制机中加入信息存储电路，有效地避免了通信堵塞现象，同时信息存电路又可作为临时的上位机热备份机，即使上位机短时间失效停机，系统的监控运作依然正常。这样的小冗余度设计实现了上下位机互补、软硬件互补的运行，保证了系统稳定无差错运行。
关键词：计算机网络；RS 485；备份机；数据采集

    网络型机动车停车场控制管理系统充分利用了现代互联网网络的高度分散性，无论是扩充系统的规模。还是使用者使用的便利性都得到了最大的发挥。通过已经相当成熟的RS 485工业总线对底层设备进行连接，具有可靠性高，开发成本低的特点。通过对传感器数据采集，让使用者从车辆进入车场到停放车位都是在一个简单、安全、高效的环境下进行的。使用者对于停车场完全是自助式使用，管理方对停车场的管理也是在计算机自动执行之中进行监控。

1 系统方案设计
    系统分为网络、上位机、下位机三大模块。系统结构如图1所示。

    网络模块网络模块指的是各管理机或者服务器主机通过网络适配器，网络连线组网，用户通过网页进行预定停车位和网络付款。通过计算机管理可以建成大规模的停车场管理系统，适宜现代化大型物业公司对多个地域分布的停车场进行集中统一管理；RS 485串行通信总线用于加挂停车场的执行单元，如监控主机、门禁控制机、收费机、身份识别设备等低速设备，并与上位计算机进行通信。
    上位机模块指各分布停车场的管理计算机或者扩大规模后的服务器。通过管理软件管理停车场车位数据库，接收用户的网络预订和管理员的管理，通过RS 232通信接口经信号电平转换为RS 485通信电平后与下位机进行通信，控制停车场的各个执行单元，上位机与闭路图像监视单元连接用于监视停车场的实时安全动态。
    下位机模块车位监控单元由两片单片机构成的监控主控制机和热备份机组成；通过光电耦合模块控制由光电传感器构成的车位监控电路对车位进行实时监控；因采用总线技术，所以停车场车位的数量可以依据需要进行扩展，出入门禁控制单元包括由单片机、实时时钟、存储器、LCD显示器、键盘、控制输出电路组成的控制机；既可作为门禁的开启与关闭控制，又可作为上位机短时间故障的热备份机运作。出入库身份识别单元包括无线射频识别和红外线条码识别，用于识别用户的身份信息。总线上连接着自动收费单元，与目前的自动售货机类似。

2 下位门禁控制机电路设计
    下位机门禁管理模块是出入车场的最先和最末环节，只有设计结构合理，使用人性化的系统才会受到欢迎。该模块采用模块化设计，由电源电路、控制机主机、门禁时钟电路、车位信息存储电路、门禁通信电路、门禁执行控制电路、门禁信息输入电路、门禁信息输出电路等组成，其结构框图如图2所示。

2．1 门禁控制机主电路
    控制机控制芯片采用美国Atmel公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机AT89S51，片内含4 KB的指令系统，不仅应用于许多高性价比的电路中，也可灵活用于各种控制领域，所以其控制核心选用AT89S51芯片。控制机主电路工作原理如图3所示。

    控制主机的外部时钟，系统使用串口通信，将通信的波特率定为9 600 b／s，选用11．059 2 MHz的石英晶振，再连接两个20～30 pF之间的微调电容，即构成时钟源。单片机有效复位电路采用的是单片机上电复位和单片机手动电平复位两种方法，通过查询AT89S51资料得知，其复位时间为RST引脚出现两个机器周期以上高电平而使单片机复位。选用11．059 2 MHz的晶振可以确定其机器周期小于1μs，因此选用电容容量为22μF，电阻为1 kΩ的上电复位电路，使用手动电平复位选用200 Ω的电阻。在P0口使用阻值为10 kΩ的排阻作上拉电阻。液晶LCD显示器用P0口；输入键盘使用P1口；P2口一部分给液晶显示器输出的控制脚使用，剩余的用作连接门禁控制电动机驱动信号或报警信号驱动端；P3口一部分用于时钟和数据存储芯片的I2C引脚通过电阻上拉，一部分连接TTL－RS 485电路用于通信，一部分用于中断，多余的用于输出控制使用。

    由于门禁控制机部分连接有时钟电路和信息储存电路，因此该电路的另外一个重要用途就是用于作为上位机(PC机)短时间故障恢复时提供临时的应急控制用的热备份机(热备机)。
2．2 门禁控制机信息储存电路
    如果设备运行于停车高峰时间，可能使系统出现所有下位设备同时访问上位机的情形，这样会造成系统网络通信堵塞而引起系统监控失灵等现象。因此门禁控制机中加入信息存储电路，可以有效缓冲通信压力，避免通信堵塞现象。同时信息存储部分又可作为临时的上位机和热备份机，即使上位机短时间失效停机，系统的监控运作依然正常。这样的小冗余度设计可使上下位机互补运行，软硬件互补运行。
    门禁系统分为前／后门禁模块。前／后门禁模块电路的设计相同，但是用途和程序不同，系统存储的信息也不同。前门禁主要是存储车位信息和使用情况，后门禁存储车位密码、停车时间、金额等信息。综合信息的存储密度使用AT24C08A或者AT24C16A为存储单元。设计中地址线可以根据需要进行调整，该设计是将地址线接地。写允许接地有效。
2．3 门禁控制机信息显示电路
    门禁控制机的信息输出可以通过两种途径，控制机显示输出和上位机主屏幕输出。控制机输出可作为上位机故障的备份显示屏，供临时使用，设计中使用LCD液晶显示模块进行输出。一般的液晶显示模块都有8个数据传输引脚和5～8个控制引脚，剩余的就是液晶背景电源和显示屏亮度调节引脚，只需要进行连接就可以。该设计中采用RTl2032点阵液晶显示。
2．4 门禁控制机信息输入设备电路
    出入门禁信息的输入使用的是门禁识别系统，如无线射频识别模块、红外线条码识别模块。但是，也可以输入密码形式，这样既可以提供多于一套的验证系统，又可以灵活使用。信息输入设备使用4×4矩阵扫描型键盘，12个按键作为输入数字，确认和重新输入使用，4个按键与控制机中断连接作功能键使用。譬如存车、取车、报警、故障等，并使用二极管隔离，以防止干扰。
2．5 门禁控制机通信接口电平转换电路
    设计中涉及RS 485工业总线的单元都要进行电平转换，主要指TTL—RS 485电平转换和RS 232一RS 485电平转换。其中，RS 232一RS 485电平转换分成RS 232一TTL，TTL—RS 485两个转换部分。
    应用MAX232设计RS 232一TTL电平的转换电路，电路中的电源使用了串口取电技术，电路中用发光二极管作为电源和通信指示灯。
    TTL一RS 485电平转换电路采用具有符合RS 485通信电平标准的MAX 485系列集成电路进行设计，其电路如图4所示。
    当发送数据时，数据流流入TXD端口，经MAX 485进行电平转换后，通过J6输出RS 485高或低的差分电平信号；当接收数据时，RS 485高或低的差分电平信号通过J6进入MAX 485进行电平转换后，通过RXD端口流出TTL电平信号。只要程序能保证不同时进行接收和发送的操作，即保证是半双工传送数据，程序不必用指令控制 DE／RE进行接收和发送的转换，转换由硬件电路本身完成。
2．6 门禁控制机执行电路设计
    用门禁控制机的I／O口控制驱动信号电平。门禁控制机执行机构接收门禁控制信号，驱动电机动作，控制门禁开启与关闭和控制车辆进出门禁。用MOSFET连接成H型桥路驱动直流电机动作，在MOSFET两端并联二极管作为序流二极管，以有效保护MOSFET，延长器件寿命。

3 下位机车位监控控制机电路设计
    下位机车位监控模块是构成闭环监控系统的反馈环节，它的设计好坏直接影响系统的稳定，是停车场管理系统的关键环节。该部分也采用了模块化设计，具体可以分为监控电源电路、监控控制机主电路、监控耦合电路、车位监控与显示电路、控制机通信电路等结构，其原理框图如图5所示。

    监控控制机通信接口电平转换电路的设计与门禁控制机通信接口电平转换电路的设计相同。车位实时监控与显示电路的电源应独立设计，避免遭受外界信号的干扰。
    车位监控控制机电路同样使用AT89S51单片机作为控制器，但是每64个车位使用两片单片机构成主机与热备份机结构。用单片机的P0，P2端口构成8× 8矩阵扫描电路，监控64个车位。P1端口作为停车场状态监控的输入端口，单片机串口(P3．0，P3．1)与MAX 485连接，进行TTL电平与RS 485电平的转换。当主机工作时，热备份机进入休眠状态。监控显示电路的功能是车位号显示和反馈车位信息，由传感器、七段数码管等元件构成。
    由于光电传感器受到灰尘、安装环境的影响，而且考虑大批量制造成本高等问题。所以在系统中选用了单刀双掷开关作为检测传感器，机械监测方式具有工作稳定寿命长久，可以埋地，受外界环境影响小等优点。将微动开关放于圆筒内，发光二极管放于方槽内上面用玻璃遮盖，用于指示停车状况，将单刀双掷开关铺设于汽车前轮胎的位置，通过车辆的重力进行开关切换。监控显示电路与监控控制机通过信号耦合电路连接，信号耦合电路使用光电耦合器(型号：PLP521)，能够很好地隔离外界干扰，保证控制电路的车位信息识别准确、稳定工作。车位监控电路的结构框图如图6所示。

    图6中对车位监控模块的控制电路电源与监控显示电路电源进行分开设计，以防止远距离信号传输时外界的干扰信号，这也是使用光耦合器件进行电路隔离的目的。监控显示电路应使用具有大电流输出能力的5 V电源，以保证每个车位的显示亮度足够。

4 系统测试
    车辆出／入门禁存放过程计算机虚拟演示如图7所示。车辆进入门禁后通过入口门禁身份校验，包括红外条码扫描、无线射频卡识别、触摸屏软键盘或者单片机硬键盘进行身份识别后进入车位，车辆到位后监控显示电路动作，并切换信号。车辆出库时停车位指示电路再次动作，再出门禁控制机将通过与入口门禁相同的方式进行身份识别后缴费放行车辆，整个工作过程的每步动作将在系统全程监控下进行，数据库停车场事件表格实时记录数据。

5 结 语
    停车场车位管理系统的设计是一个以单片机技术、计算机软件技术和网络技术相结合的闭环型管理控制系统，能够对车位动态、车场运行情况进行全面监控。使系统控制简单，工作稳定可靠，数据差错率低，控制范围广，是一个采用模块化设计、有自检自恢复能力、有多种信息输入类型、多种显示输出类型的系统。同时系统使用模块化设计，易于扩展规模，系统预留了充足的接口空间，可与现在公安部门安全系统对接，实现公共安全资源的充分利用。用户可以随到随停，可以网络预定，结算方式多样，系统的人性化程度高，不仅能够分时段收费，而且可以设置免费停车时间等功能。