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1、2013年物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應用設計大賽參賽作品文檔 參賽作品名稱：_基于地磁傳感器的智能停車場管理系統(tǒng)_ 學 校 天津工業(yè)大學 學 院 電子與信息工程學院 團隊名稱 SUNNY 指導教師 史風棟 參賽成員 劉凱旋，陳澤主，王曉明 2目錄目錄2一、2013年物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應用設計大賽登記表3二、作品文檔方案部分41.方案概述42.作品的創(chuàng)新點：63.系統(tǒng)實現(xiàn)原理74. 硬件設計85.軟件設計126.系統(tǒng)測試及結(jié)果147.程序源代碼15三、作品提交201.使用手冊202.作品展示203.作品文檔方案2021 / 21一、2013年物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應用設計大賽登記表題目基于地磁傳感器的智能停車場管

2、理系統(tǒng)學校及學院天津工業(yè)大學電子與信息工程學院學生姓名1劉凱旋專業(yè)班級通信1101聯(lián)系方式學生姓名2陳澤主專業(yè)班級電子1102聯(lián)系方式學生姓名3王曉明專業(yè)班級電子1103聯(lián)系方式指導教師史風棟作品關鍵詞地磁傳感器 磁卡識別 停車場管理 STM32 zigbee作品摘要此作品基于IC卡識別技術(shù)和地磁傳感器移動車輛檢測技術(shù)，可以自動對車主進行身份識別，對停車位進行檢測與記錄。在車主停車時可以給車主最佳車位的提示，在車主取車時系統(tǒng)會根據(jù)停車時間進行收費。此系統(tǒng)以基于ARM Cortex-M3的STM32F103為主控MCU,以STC12C5A60S2進行IC卡識別，以MSP430F149進行車位檢測

3、。51與STM32之間用串口通信，MSP430與STM32之間用Zigbee無線通信，最終在三塊單片機的協(xié)同工作下實現(xiàn)了無需人工管理，可自動識別身份，進行停車位引導與計時收費的智能停車場管理系統(tǒng)。主要參考文獻1 張偉. 基于視覺的運動車輛檢測與跟蹤D. 上海：上海交通大學博士學位論文,，2007.2 彭登. 基于ARM的智能車型識別系統(tǒng)架構(gòu)與關鍵技術(shù)研究D. 廣州：華南理工大學碩士學位論文，2011.3 周宇輝. 走進智能交通系統(tǒng)J. 商用汽車，2003.3(1):65-69.4 石亞萍. 物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀分析與發(fā)展探索J. 商場現(xiàn)代化，2011,(11):61-62.備注文檔要求思路清晰、描述詳細

4、而明確、無錯別字、圖文并茂。 特別 聲明提交內(nèi)容均原創(chuàng)，作品屬于參賽選手，大賽組委會有發(fā)布權(quán)和使用權(quán)。 二、作品文檔方案部分1.方案概述 （背景、應用領域、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、功能描述、技術(shù)指標等）(標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍）背景：隨著社會的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國的車輛擁有量不斷攀升，在許多城市私家車的數(shù)量已經(jīng)接近飽和，以至于一些大城市不得不采取搖號限購的措施來抑制私家車數(shù)量的快速增長。私家車數(shù)量的不斷增長說明了城市居民的生活水平在不斷提高，但隨之也帶來了交通管理困難，交通事故頻發(fā)，停車位不足等問題。例如在停車管理方面，目前大部分的停車場都是采用人員值

5、班的傳統(tǒng)方式來進行管理和登記收費的，對于大中型的停車場花費的人力成本較高；車輛進入停車場后車主要自己尋找合適的停車位，給車主造成了不小的麻煩，而且可能造成停車比較混亂的局面。如果有一個系統(tǒng)，可以通過刷卡來識別車主身份，自動控制門禁的開合，并且可以在車輛進入停車場前為車主提供最佳的停車方案，這樣就能大大減少人力的投入，提高停車場的運作效率，節(jié)省停車的時間?；谶@一背景，我們的設計就應運而生。應用領域：此系統(tǒng)主要應用在大型停車場的無人管理。此外，基于地磁傳感器的物聯(lián)系統(tǒng)也可應用與交通信號燈管理、車流量統(tǒng)計和收費站收等重要的交通環(huán)節(jié)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀:1. 磁卡識別技術(shù)研究現(xiàn)狀普通的磁卡上有一個磁條，

6、磁條上有3個磁軌。磁軌1和磁軌2是只讀磁軌，在使用時磁軌上記錄的信息只能讀出，不允許寫入和修改。磁軌3為可讀寫磁軌，在使用時可以讀出信息，也可以寫入信息。磁軌1可記錄數(shù)字（09）、字母（AZ）和其他一些符號（如括號、分隔符等），最多可記錄79個字母或數(shù)字。磁軌2和3 所記錄的字符只能是數(shù)字（09），磁軌2最多可記錄40個字符，磁軌3最多可記錄107個字符。商業(yè)用戶使用的磁卡設備主要是磁卡寫卡器和磁卡閱讀器。磁卡閱讀器一般內(nèi)置在POS鍵盤內(nèi)，我國銷售的磁卡閱讀器一般是2、3軌。磁卡寫卡器有自動和手動兩種。手動寫卡器一般是單磁軌寫卡，主要是寫磁軌2，價格比較便宜，但寫卡質(zhì)量較差?，F(xiàn)在，我們用的銀行

7、信用卡和飯卡（金龍惠眾卡），上面均有一個磁條。這類卡僅僅是在磁軌3上儲存了一個簡單的數(shù)字密鑰信息，存取款信息在銀行的數(shù)據(jù)庫中，取款或消費中刷卡的作用是從卡上讀出一個密碼，連通通訊設備，打開帳戶數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)的運算工作在服務器中完成，并不在卡中進行。磁卡在本質(zhì)上講，沒有計算功能，并且必須聯(lián)機操作，這是磁卡與后面說到的智能IC卡的重要區(qū)別。 2.地磁傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀地磁傳感器可用于檢測車輛的存在和車型識別。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在交通監(jiān)控系統(tǒng)中起著非常重要的作用，地磁傳感器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關鍵部分，傳感器的性能對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準確性起決定作用。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，基礎設施的投資力度越來越大，表現(xiàn)之一就是道

8、路建設。但是由于道路建設周期一般較長，其增長遠遠跟不上車輛的急劇增長，使得交通狀況日益惡化，這幾乎成為所有城市的通病。改變這種交通現(xiàn)狀的有效解決辦法就是在城市交通管理部門建立完善的交通監(jiān)控系統(tǒng)。交通監(jiān)控系統(tǒng)的主要目標是適應動態(tài)交通狀況的變化。即通過采集交通數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?，在中心進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，中心通過控制車輛出入和信號燈，從而更好地管制交通；中心還可以利用這些數(shù)據(jù)在發(fā)生交通事故時迅速采取措施。同時管理中心可把采集的交通數(shù)據(jù)傳給司機，這有助于減緩交通擁擠，優(yōu)化行車路線。運用交通監(jiān)控系統(tǒng)可以提高現(xiàn)有道路的通行能力，協(xié)調(diào)處理突發(fā)性交通事件，緩和交通阻塞，從而改善交通狀況。地磁傳

9、感技術(shù)及其優(yōu)點：在鐵磁材料中會發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象（AMR），當沿著一條長而且薄的鐵磁合金帶的長度方向施加一個電流，在垂直于電流的方向施加一個磁場。合金帶自身的阻值會發(fā)生變化。利用AMR磁阻效應生產(chǎn)的AMR磁阻傳感器成功地將三維方向（x，y，z）的單個傳感器件集成在同一個芯片上，而且將傳感器與調(diào)節(jié)、補償電路集成一體化，可以很好地感測地磁范圍內(nèi)低于1高斯的磁場，可以根據(jù)一些鐵磁物體對地磁的擾動，來檢測車輛的存在，也可以根據(jù)不同車輛對地磁產(chǎn)生的擾動不同來識別車輛類型。其靈敏度可以達到1mV/V/gauss，線性度誤差達到0.05%FS。遲滯誤差和重復誤差也很小，都可以達到0.08%FS。AMR磁阻

10、傳感器在國外的應用領域非常廣泛，如電流測量、地礦檢測、土壤水分檢測、航空導航、高速旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)速度等。AMR磁阻傳感器的優(yōu)點有：安裝、維修方便，不必封閉車道、破壞路面。只需在需要檢測的檢測點吊架或路面裝置即可；維修時只需換下AMR磁阻傳感器即可；檢測點不易遭到破壞，不受路面移動影響；因為AMR磁阻傳感器是利用地球磁場在鐵磁物體通過時的變化來檢測，所以它不受氣候的影響；非車輛的鐵磁性物體通過時通過對數(shù)據(jù)庫的查詢可以避免誤檢；容易集成化。功能描述：停車時，車主刷完卡后系統(tǒng)會將獲取的車主信息與庫中所存的信息進行比對，若身份符合則打開門禁。系統(tǒng)會根據(jù)事先停車場中地磁傳感器檢測的結(jié)果計算出離入口最近的停

11、車位，并將車位的位置信息顯示在入口的屏幕上，車主可根據(jù)提示將車停在合適的位置，待車主進入停車場后啟動計時。出車時，在車主刷完卡后，系統(tǒng)會自動終止計時，計算出此次停車所要收取的費用，并從車主賬戶中扣取相應的錢數(shù)，屏幕上顯示收取的費用和帳號余額，如果余額不足，會提醒車主進行充值。 圖一 系統(tǒng)工作流程技術(shù)指標：1 51單片機連接讀卡器可讀取磁卡數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主控端STM32。2 MSP430單片機連接地磁傳感器可將傳感器監(jiān)測到有無車位的信息通過處理經(jīng)zigbee無線模塊發(fā)送給主控端STM32單片機。3. 主控STM32單片機對IC卡傳來的數(shù)據(jù)和地磁傳感器傳來的數(shù)據(jù)進行分析處理，進行整個系

12、統(tǒng)的運作控制。注：此系統(tǒng)為模擬裝置，所以對Zigbee的通信距離不做要求，小車模型用磁鐵代替。2.作品的創(chuàng)新點： （理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、應用創(chuàng)新等）(標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍；）物聯(lián)網(wǎng)作為21世紀重要的發(fā)展方向已經(jīng)受到越來越多的關注。物聯(lián)網(wǎng)的精髓不在于創(chuàng)造某種技術(shù)，而在與將不同的技術(shù)融合在一起，使系統(tǒng)的各個部分協(xié)同工作，相互聯(lián)系，達到一種無需人工干預就可完成某種或多種工作的目的。而本作品就是這樣一個系統(tǒng)，利用地磁傳感器和讀卡器檢測車位和識別身份， 利用串口和Zigbee傳輸信息，stm32單片機對信息進行匯總、處理，完成整個系統(tǒng)的控制。這是典型的物聯(lián)網(wǎng)三

13、層結(jié)構(gòu)。此作品的創(chuàng)新之處就在于利用成熟的磁卡識別技術(shù)和新興的地磁傳感器技術(shù)，與高性能的單片機相結(jié)合，形成一種新型的管理系統(tǒng)。3.系統(tǒng)實現(xiàn)原理 （功能框圖，各部分詳細描述；）(標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍）如圖二所示此系統(tǒng)以三款單片機為中心，分為三個部分。 圖二 系統(tǒng)功能框圖3.1.C51部分C51部分主要負責磁卡識別、電機控制、與STM32單片機通信的工作。在車主進出車刷卡時，讀卡器將卡的信息通過串口1發(fā)送給51單片機，51單片機對信息進行分組，提取出卡號并通過串口2發(fā)送給STM32單片機，STM32會將51單片發(fā)過來的信息與庫中的數(shù)據(jù)進行比對，若身份符合便會通過串口

14、2給51單片機發(fā)送打開門禁的指令。51單片機接收到指令之后控制電機將門禁打開。3.2.MSP430部分MSP430部分主要負責接收地磁傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，判斷停車位有無車輛進入。如果有車輛進入，將被占用的車位記錄下來，然后430單片機通過zigbee模塊把車位信息發(fā)送給STM32。STM32作為主控MCU可以控制430的工作狀態(tài)，在需要更新車位信息使給430單片機發(fā)送請求命令，獲取最新的車位信息。3.3.STM32部分 STM32F103VET6作為主控MCU負責接收51、430單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進行計時收費、車位引導以及界面顯示的功能。首先STM32會先建立一個用戶信息庫，用來存儲客戶信息

15、。在進車時，STM32接收51單片機傳過來的卡號信息，將該信息與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，如果信息正確，則向51單片機發(fā)送打開門禁的指令，同時在彩屏上顯示最佳停車位的位置信息，開始計時。最佳車位通過對MSP430單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行分析得到。出車時，STM32單片機結(jié)束計時，計算此次停車所收費用，并將費用和余額顯示在彩屏上。4. 硬件設計（元件清單，電路圖，詳細描述；）(標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍）元件清單：1. C51單片機最小系統(tǒng)1塊。2. MSP430單片機最小系統(tǒng)1塊。3. STM32單片機最小系統(tǒng)1塊（帶TFT彩屏插槽）。4. 電機驅(qū)動模塊1個。5. 地

16、磁傳感器4個。6. Zigbee模塊2個。7. 讀卡器1個。8. 一卡通若干。9. 步進電機一個。地磁傳感器電路 系統(tǒng)中的地磁傳感器采用飛思卡爾的MAG3110軸數(shù)字傳感器，在通信中采用IIC協(xié)議，只需將傳感器與單片機用兩根線相連，MAG3110在有車輛經(jīng)過時便會將坐標的變化情況經(jīng)過放大A/D采樣后傳輸給所連的單片機，外圍電路少，使用起來簡單方便，只要提供3.3V穩(wěn)定的電壓即可。圖三 地磁傳感器電路串口通信電路圖四 串口通信電路串口通信需要三根線，即數(shù)據(jù)發(fā)送線、數(shù)據(jù)接收線和地線。但是單片機與讀卡器和zigbee模塊相連時需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為232電平，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)采用MAX2

17、32芯片，將電平在5V和12V之間轉(zhuǎn)換。電機驅(qū)動電路設計思想：電動機驅(qū)動方式有很多種起驅(qū)動器的設計也多種多樣，為簡便起見和考慮電路的復雜性等因數(shù)，我選用步進電機的專用驅(qū)動芯片L297H和L298，其具有的優(yōu)點有以下幾點：（1）：所需元件少，主要元器件都集成在一起（2）：可靠性高，集成電路的可靠性普遍高于一般電路（3）：方便用微機進行控制，用于自動化控制其主電路原理圖可用下圖表示：圖五 電機驅(qū)動主電路原理圖其中的主要元器件構(gòu)成的主要電路解釋如下：（1）：L297芯片是一種步進電機控制集成芯片，可以產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，應用于微機控制兩相雙極和四相單極步進電機，同時其中的晶片內(nèi)的PWM斬波線路以開關信

18、號形式控制路的電流。此芯片的特性是只需要時鐘，方向和模式輸入信號。相位由內(nèi)部產(chǎn)生，因此可減輕微機的程序負擔，此芯片可與L298組成組合電路或者于與分立的三極管和達林頓管電路連接使用。其管腳圖及其作用如下：圖六 L297引腳圖（2）：L298芯片是一種高壓，大電流雙橋驅(qū)動器內(nèi)部就是功率管的陣列，也可以用外接的功率管代替。其外部管腳圖見下。圖七 L298管腳圖（3）：外圍電路，外圍電路主要是使芯片工作的電路，其接法基本固定，各元件值也都有一定的浮動范圍，可以查找一些資料有詳盡的介紹。5.軟件設計（算法描述，流程圖；）(標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍）1.51單片機算法 如圖

19、八所示。首先，對51單片機進行串口初始化設置，然后使51單片機一直處于是否接受到完整卡號的循環(huán)檢測中。刷卡后，讀卡器會先通過串口給51單片機發(fā)送一個0x25,表示讀卡成功。51單片機進入串口中斷，開始接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲在一個字符型數(shù)組中。當接收完畢時將標志位置1。51單片機檢測到標志變量置1后，調(diào)用分組函數(shù)將卡號提取出來，然后將卡號發(fā)送給STM32，等待STM32返回指令，若接受到返回指令則驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。完成以上工作后從新進入初始化循環(huán)中。圖八 51單片機程序流程圖2. MSP430單片機算法如圖九所示。一開始MSP430整個系統(tǒng)都處于待機，休眠的狀態(tài)。當檢測到主機發(fā)布檢測到有車進入停車場的

20、時候，開始檢測車位，每隔1s檢測一次，車位上有無車位，其他時間待機當檢測到有車的時候，向主機發(fā)布，幾號位車位上有車的狀態(tài)。最后從新進入待機狀態(tài)中。 圖九 430單片機程序流程圖3. STM32單片機算法如圖十所示。首先對系統(tǒng)進行初始化，在TFT彩屏上顯示車庫當前信息，然后同過接收51單片機通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)進行進出車判斷。如果需要進車，STM32單片機通過串口向51單片機發(fā)送電機驅(qū)動指令，打開庫門，開始計時。計時使用STM32定時器模塊即可。然后STM32通過zigbee向430單片機發(fā)送車庫信息索取指令，STM32通過將車位進行編號，按照離出入口越近的車位編號越小的標準計算出當前的最佳停

21、車位并在彩屏上顯示出來。出車時，STM32通過串口向51單片機發(fā)送開門指令，51單片機驅(qū)動電機打開庫門。同時系統(tǒng)結(jié)束計時，計算出所需費用顯示在彩屏上。最后STM32更新車庫信息，從新回到進出車的判斷，等待下一次進車或出車。圖十 STM32程序流程圖6.系統(tǒng)測試及結(jié)果（測試方法、儀器、數(shù)據(jù)等；) (標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍）此系統(tǒng)已被做成車庫模型，用磁鐵代替汽車，測試時無需使用任何儀器設備，只需要一卡通，制作的作品，220V交流電源即可。進車時，當一卡通接觸讀卡器時，TFT彩屏上顯示“歡迎光臨！最佳車位在x號車位?！钡淖謽?，同時電機轉(zhuǎn)動，門禁打開。出車時，當一卡通接

22、觸讀卡器時，TFT彩屏上顯示“歡迎下次光臨！本次收費：xx余額：xx”的字樣，同時電機轉(zhuǎn)動，門禁打開。 7.程序源代碼 （如果無法提供電路圖和源代碼，應說明理由，并適當提供電路簡圖和部分源代碼；）(標注：描述部分：字體：宋體；字號：小四；行距：1.5倍）#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define SUCCESS 0x25/recv_data1是0x00,0xfe,0xff中的哪一個，返回不同的值，上層的函數(shù)根據(jù)不同#define FAIL0x03 /的返回值判斷如何處理：顯示“成功”“無卡”或是“卡未離開”.顯示“成功

23、”則對數(shù)據(jù)uchar cmd_read4=0x02,0x30,0x32;uchar full_1_flag,full_2_flag;uchar cmd_rst5=0x03,0x14,0x01,0x16;uchar recv_data38,recv_rst3;uchar card_num10,stu_ID14,name10;uchar temp2,host_recv_flag=0;void Delay_1ms(uint i);void UART_Init(void);void Send1Byte(uchar dat);/發(fā)送一個字符void Send1String(uchar *p);/發(fā)送一個

24、字符串void Buf_clear();/緩存清零以接收新的數(shù)據(jù)包uchar data_xor_check();/對收到的數(shù)組進行異或和校驗,校驗正確返回1，錯誤返回0uchar rst_check();/復位返回信息校驗，返回值0不相等(即復位不正確)，1相等(復位正常)void Div_group();/將受到的數(shù)據(jù)包按卡號、學號、姓名進行分割void Send(uchar i);/總發(fā)送函數(shù)，0表示發(fā)送復位信號，1表示發(fā)送數(shù)據(jù)請求void Buf_check();/數(shù)據(jù)包檢驗函數(shù)，收到數(shù)據(jù)正確則對其進行分組void UART_Init(void)/串口1、2初始化 P3SEL |= 0x

25、30; / 選擇P3.4和P3.5做UART通信端口 ME1 |= UTXE0 + URXE0; / 使能USART0的發(fā)送和接受 UCTL0 |= CHAR; / 選擇8位字符 UTCTL0 |= SSEL0; / UCLK = ACLK UBR00 = 0x03; / 波特率9600 UBR10 = 0x00; / UMCTL0 = 0x4A; / Modulation UCTL0 &= SWRST; / 初始化UART狀態(tài)機 IE1 |= URXIE0; / 使能USART0的接收中斷void Send1Byte(uchar dat)/發(fā)送一個字符 TXBUF0 = dat; w

26、hile(!(IFG1 & UTXIFG0); void Send1String(uchar *p)/發(fā)送一個字符串 while(*p) Send1Byte(*p+); void Buf_clear()/緩存清零以接收新的數(shù)據(jù)包uchar i;for(i = 0;i <= 37;i+)recv_datai = 0;for(i = 0;i <= 2;i+)recv_rsti = 0;uchar data_xor_check()/對收到的數(shù)組進行異或和校驗,校驗正確返回1，錯誤返回0 uchar temp,i; temp = SUCCESS; for(i=0;i<=36;

27、i+) temp=recv_datai; if(temp = recv_data37)return 1; /此時i=37 else return 0;uchar rst_check()/復位返回信息校驗，返回值0不相等(即復位不正確)，1相等(復位正常) uchar i; for(i=0;i<=2;i+) if(recv_rsti != cmd_rsti+1)return 0; return 1;void Div_group()/將受到的數(shù)據(jù)包按卡號、學號、姓名進行分割 uchar i; for(i=1;i<=10;i+)card_numi-1=recv_datai; for(i=

28、11;i<=20;i+)stu_IDi-11=recv_datai; for(i=25;i<=34;i+)namei-25=recv_datai; for(i=0;i<=9;i+) if(namei=0x00) namei=0xf5;name+i=0xb0; void Send(uchar i)/總發(fā)送函數(shù)，0表示發(fā)送復位信號，1表示發(fā)送數(shù)據(jù)請求 switch(i) case 0:Send1String(cmd_rst);break;case 1: Send1String(cmd_read);break; void Buf_check()/數(shù)據(jù)包檢驗函數(shù)，收到數(shù)據(jù)正確則對其進

29、行分組/static uchar Er_count = 0;/- if(full_1_flag) /收到(滿)data則. full_1_flag = full_2_flag = 0; /先清標志位LcdReset();if(data_xor_check() /進行異或和校驗結(jié)果正確 if(recv_data0 = 0x30)/響應碼正確 Send(1);Send(1);Send(1);/Er_count = 0;/Er_count是錯誤次數(shù)標志位，發(fā)生錯誤則不為0則重新發(fā)送數(shù)據(jù)或指令 Div_group();/直到超出預設的最大次數(shù)及停止發(fā)送，并顯示警告信息DispStr(0,0,card_num);Send(2);host_recv_flag=1;Buf_clear();Delay_1ms(5000); else DispStr(0,0,&qu