控制网

    关学忠（1962—）
男，黑龙江省大庆石油学院教授，主要从事嵌入式系统及模糊控制方面的研究。

摘要:该系统主要适用于对出库车道和入库车道彼此分开的双车道集中式车库内车辆的集中式管理，具体包括对车辆进出库时间、驾驶员个人信息以及车辆钥匙是否及时交还等方面的管理内容。

关键词:nRF905；无线数据传输；双车道集中式车库管理
　　
Abstract: The system is applied to dual-lane concentrated garages of which exits and entrances are separate. It’s mainly responsible for the management of the time of the vehicle’s entering and leaving, the information of the driver and the informantion of  key returning.

Key words：nRF905; Wireless data transmission; Dual-lane concentrated garage management 

    随着嵌入式技术和无线通信技术[1,2]的发展，人们对车库管理系统的研究越来越深入细致，对系统的稳定性和可靠性等方面的要求也越来越严格。本文所设计的双车道集中式车库管理系统是一种基于多机无线数据传输技术的车辆管理系统，主要由STC[3]单片机控制部分、nRF905[4,5]无线数据传输部分、红外开关检测部分和拨码开关设置地址部分组成。STC单片机控制部分主要负责对无线数据传输部分的管理及系统与上位计算机进行通信的管理，nRF905无线数据传输部分主要实现无线数据传输，红外开关检测部分主要实现对车辆进出方向的判断，拨码地址部分主要实现对车辆通信地址的硬件更改。

1 总体方案

    1.1   系统框图

    系统框图如图1所示。入口发射、接收模块放置在入口值班室内，出口发射、接收模块放置在出口值班室内，车载模块安装在车辆内，红外开关检测部分安装在车库门口两侧。

    1.2   工作过程

    当车辆入库时，入口值班室内的入口发射模块以f1的频率发出包含车辆通信地址信息的数据，入库车辆上的车载模块监测到自己的地址后接收数据，然后第一次跳频至f2，向入口接收模块发射回该数据，入口接收模块接收数据并结合红外检测开关的状态，确定是否有车辆入库，当确定有车辆入库时，再以f2向车载模块发射确认信息，实现第一次握手，同时将数据上传至上位机进行入库数据记录。车辆入库后进行第二次跳频，跳至f3，在这个频率下，入库后的车辆将不再监测入口发射模块发出的信息，这样将大大降低了同频干扰的几率。

    当车辆出库时，出口值班室内的出口发射模块以f3的频率发出包含车辆通信地址信息的数据，出库车辆上的车载模块监测到自己的地址后接收数据，然后第三次跳频至f4，向出口接收模块发射回该数据，出口接收模块接收数据并结合红外检测开关的状态，确定是否有车辆出库，当确定有车辆出库时，再以f4向车载模块发射确认信息，实现第二次握手，同时将数据上传至上位机进行出库数据记录。车辆出库后进行第四次跳频，跳至f1，以便车辆入库时能成功监测到入口发射模块发出的f1频率的通信地址信息。

    驾驶员的个人信息及车辆钥匙是否及时交还是通过射频卡与上位计算机联合监控的。

    这样，就实现了无需司机填写任何表格，车辆也不须停留，就可自动地将车辆及驾驶员的相关信息通过计算机提供给监控人员。

2 硬件设计

    2.1   单片机控制部分

    单片机控制部分主要由低功耗STC系列单片机及其外围器件构成。主要负责对nRF905之间的无线数据通信进行管理以及对系统向上位计算机传输无线数据通信结果进行管理。

    对nRF905无线数据传输芯片之间无线数据通信的管理是通过STC单片机与nRF905之间的标准双向同步全双工SPI（Serial peripheral interface）接口实现的。STC单片机通过SPI接口对nRF905内部寄存器进行配置来设定无线数据传输部分的发射及接收频率、无线数据传输信道、发送数据包大小、接收数据包大小、接收地址、发送地址等。

    系统向上位计算机传输通信结果是通过RS-232串行接口进行的，将含有车辆通信地址信息等的数据包上传到PC机进行记录。

    2.2   无线数据传输部分

    此部分由nRF905及其外围器件构成，如图2所示。主要负责车库发射模块、车库接收模块及车载模块之间的无线通信。
挪威Nordic VLSI公司推出的nRF905芯片的工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，Shock Burst工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)。

    nRF905的稳定通信距离与其输出功率有直接关系。我们通过软件编程可以改变配置寄存器的内容使nRF905的功率放大器工作于-10dBm 、-2dBm 、+6dBm 、+10dBm 4种不同功率，对应的电流消耗分别为11.0mA、14.0mA、20.0mA、30.0mA。应用时根据具体的通信距离和电流消耗来选择输出功率。

    nRF905的通信稳定性与其通信频率有直接关系。实际设计时，我们采用对配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL进行设置来实现跳频数据传输的方法避免同频干扰，具体配置时按照如下的计算方法：

    当HFREQ_PLL=0时，通道频差100KHz ；当HFREQ_PLL=1时，通道频差为200KHz；应用工作频率, MHz。

    2.3   红外开关检测部分

    该部分负责判断车辆是出库还是入库，由常闭红外对射管组成。在车库入口和出口处分别安装两对红外对射管，安装间距小于最小车辆长度，高度大于最低车辆底盘。

    工作原理如下：利用不可见红外光对射原理，在投光器和受光器间形成两组肉眼看不见的多束红外光栅防护栏，只要其中一组中的相邻两束红外光线被经过的车辆遮挡，就将立即产生报警信号，系统将得知有车辆出入，但不能判断车辆到底是出库还是入库，当且仅当另一组中的相邻两束红外光线也同时被挡住时，系统才可以通过两组红外开关的先后状态来确认车辆是出库还是入库。

    2.4   拨码开关设置地址部分

    该部分主要由８位拨码开关组成，主要用于通过硬件来设置车辆通信地址的场合，实现了无需软件编程就可以对车辆地址信息改变的目的，方便简捷，为现场调试工作提供了方便。

3 软件流程图

    软件流程分为入口部分和出口部分，图3给出了入口部分详细流程图，出口部分类似。

图3  入口处的软件流程图

4 系统性能及实验数据

    系统性能指标见表1所示。

表1  性能指标：