竞赛提交文档

1、2013年物联网创新与工程应用设计大赛参赛作品文档 参赛作品名称：_基于地磁传感器的智能停车场管理系统_ 学 校 天津工业大学 学 院 电子与信息工程学院 团队名称 SUNNY 指导教师 史风栋 参赛成员 刘凯旋，陈泽主，王晓明 2目录目录2一、2013年物联网创新与工程应用设计大赛登记表3二、作品文档方案部分41.方案概述42.作品的创新点：63.系统实现原理74. 硬件设计85.软件设计126.系统测试及结果147.程序源代码15三、作品提交201.使用手册202.作品展示203.作品文档方案2021 / 21一、2013年物联网创新与工程应用设计大赛登记表题目基于地磁传感器的智能停车场管

2、理系统学校及学院天津工业大学电子与信息工程学院学生姓名1刘凯旋专业班级通信1101联系方式学生姓名2陈泽主专业班级电子1102联系方式学生姓名3王晓明专业班级电子1103联系方式指导教师史风栋作品关键词地磁传感器 磁卡识别 停车场管理 STM32 zigbee作品摘要此作品基于IC卡识别技术和地磁传感器移动车辆检测技术，可以自动对车主进行身份识别，对停车位进行检测与记录。在车主停车时可以给车主最佳车位的提示，在车主取车时系统会根据停车时间进行收费。此系统以基于ARM Cortex-M3的STM32F103为主控MCU,以STC12C5A60S2进行IC卡识别，以MSP430F149进行车位检测

3、。51与STM32之间用串口通信，MSP430与STM32之间用Zigbee无线通信，最终在三块单片机的协同工作下实现了无需人工管理，可自动识别身份，进行停车位引导与计时收费的智能停车场管理系统。主要参考文献1 张伟. 基于视觉的运动车辆检测与跟踪D. 上海：上海交通大学博士学位论文,，2007.2 彭登. 基于ARM的智能车型识别系统架构与关键技术研究D. 广州：华南理工大学硕士学位论文，2011.3 周宇辉. 走进智能交通系统J. 商用汽车，2003.3(1):65-69.4 石亚萍. 物联网现状分析与发展探索J. 商场现代化，2011,(11):61-62.备注文档要求思路清晰、描述详细

4、而明确、无错别字、图文并茂。 特别 声明提交内容均原创，作品属于参赛选手，大赛组委会有发布权和使用权。 二、作品文档方案部分1.方案概述 （背景、应用领域、国内外研究现状、功能描述、技术指标等）(标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍）背景：随着社会的高速发展和人民生活水平的不断提高，我国的车辆拥有量不断攀升，在许多城市私家车的数量已经接近饱和，以至于一些大城市不得不采取摇号限购的措施来抑制私家车数量的快速增长。私家车数量的不断增长说明了城市居民的生活水平在不断提高，但随之也带来了交通管理困难，交通事故频发，停车位不足等问题。例如在停车管理方面，目前大部分的停车场都是采用人员值

5、班的传统方式来进行管理和登记收费的，对于大中型的停车场花费的人力成本较高；车辆进入停车场后车主要自己寻找合适的停车位，给车主造成了不小的麻烦，而且可能造成停车比较混乱的局面。如果有一个系统，可以通过刷卡来识别车主身份，自动控制门禁的开合，并且可以在车辆进入停车场前为车主提供最佳的停车方案，这样就能大大减少人力的投入，提高停车场的运作效率，节省停车的时间。基于这一背景，我们的设计就应运而生。应用领域：此系统主要应用在大型停车场的无人管理。此外，基于地磁传感器的物联系统也可应用与交通信号灯管理、车流量统计和收费站收等重要的交通环节。国内外研究现状:1. 磁卡识别技术研究现状普通的磁卡上有一个磁条，

6、磁条上有3个磁轨。磁轨1和磁轨2是只读磁轨，在使用时磁轨上记录的信息只能读出，不允许写入和修改。磁轨3为可读写磁轨，在使用时可以读出信息，也可以写入信息。磁轨1可记录数字（09）、字母（AZ）和其他一些符号（如括号、分隔符等），最多可记录79个字母或数字。磁轨2和3 所记录的字符只能是数字（09），磁轨2最多可记录40个字符，磁轨3最多可记录107个字符。商业用户使用的磁卡设备主要是磁卡写卡器和磁卡阅读器。磁卡阅读器一般内置在POS键盘内，我国销售的磁卡阅读器一般是2、3轨。磁卡写卡器有自动和手动两种。手动写卡器一般是单磁轨写卡，主要是写磁轨2，价格比较便宜，但写卡质量较差。现在，我们用的银行

7、信用卡和饭卡（金龙惠众卡），上面均有一个磁条。这类卡仅仅是在磁轨3上储存了一个简单的数字密钥信息，存取款信息在银行的数据库中，取款或消费中刷卡的作用是从卡上读出一个密码，连通通讯设备，打开帐户数据记录，数据的运算工作在服务器中完成，并不在卡中进行。磁卡在本质上讲，没有计算功能，并且必须联机操作，这是磁卡与后面说到的智能IC卡的重要区别。 2.地磁传感器技术研究现状地磁传感器可用于检测车辆的存在和车型识别。数据采集系统在交通监控系统中起着非常重要的作用，地磁传感器是数据采集系统的关键部分，传感器的性能对数据采集系统的准确性起决定作用。随着经济的飞速发展，基础设施的投资力度越来越大，表现之一就是道

8、路建设。但是由于道路建设周期一般较长，其增长远远跟不上车辆的急剧增长，使得交通状况日益恶化，这几乎成为所有城市的通病。改变这种交通现状的有效解决办法就是在城市交通管理部门建立完善的交通监控系统。交通监控系统的主要目标是适应动态交通状况的变化。即通过采集交通数据并将其传输到交通管理中心，在中心进行分析，根据分析结果，中心通过控制车辆出入和信号灯，从而更好地管制交通；中心还可以利用这些数据在发生交通事故时迅速采取措施。同时管理中心可把采集的交通数据传给司机，这有助于减缓交通拥挤，优化行车路线。运用交通监控系统可以提高现有道路的通行能力，协调处理突发性交通事件，缓和交通阻塞，从而改善交通状况。地磁传

9、感技术及其优点：在铁磁材料中会发生磁阻的非均质现象（AMR），当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场。合金带自身的阻值会发生变化。利用AMR磁阻效应生产的AMR磁阻传感器成功地将三维方向（x，y，z）的单个传感器件集成在同一个芯片上，而且将传感器与调节、补偿电路集成一体化，可以很好地感测地磁范围内低于1高斯的磁场，可以根据一些铁磁物体对地磁的扰动，来检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的扰动不同来识别车辆类型。其灵敏度可以达到1mV/V/gauss，线性度误差达到0.05%FS。迟滞误差和重复误差也很小，都可以达到0.08%FS。AMR磁阻

10、传感器在国外的应用领域非常广泛，如电流测量、地矿检测、土壤水分检测、航空导航、高速旋转体的旋转速度等。AMR磁阻传感器的优点有：安装、维修方便，不必封闭车道、破坏路面。只需在需要检测的检测点吊架或路面装置即可；维修时只需换下AMR磁阻传感器即可；检测点不易遭到破坏，不受路面移动影响；因为AMR磁阻传感器是利用地球磁场在铁磁物体通过时的变化来检测，所以它不受气候的影响；非车辆的铁磁性物体通过时通过对数据库的查询可以避免误检；容易集成化。功能描述：停车时，车主刷完卡后系统会将获取的车主信息与库中所存的信息进行比对，若身份符合则打开门禁。系统会根据事先停车场中地磁传感器检测的结果计算出离入口最近的停

11、车位，并将车位的位置信息显示在入口的屏幕上，车主可根据提示将车停在合适的位置，待车主进入停车场后启动计时。出车时，在车主刷完卡后，系统会自动终止计时，计算出此次停车所要收取的费用，并从车主账户中扣取相应的钱数，屏幕上显示收取的费用和帐号余额，如果余额不足，会提醒车主进行充值。 图一 系统工作流程技术指标：1 51单片机连接读卡器可读取磁卡数据并将数据通过串口发送给主控端STM32。2 MSP430单片机连接地磁传感器可将传感器监测到有无车位的信息通过处理经zigbee无线模块发送给主控端STM32单片机。3. 主控STM32单片机对IC卡传来的数据和地磁传感器传来的数据进行分析处理，进行整个系

12、统的运作控制。注：此系统为模拟装置，所以对Zigbee的通信距离不做要求，小车模型用磁铁代替。2.作品的创新点： （理论创新、技术创新、工艺创新、应用创新等）(标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍；）物联网作为21世纪重要的发展方向已经受到越来越多的关注。物联网的精髓不在于创造某种技术，而在与将不同的技术融合在一起，使系统的各个部分协同工作，相互联系，达到一种无需人工干预就可完成某种或多种工作的目的。而本作品就是这样一个系统，利用地磁传感器和读卡器检测车位和识别身份， 利用串口和Zigbee传输信息，stm32单片机对信息进行汇总、处理，完成整个系统的控制。这是典型的物联网三

13、层结构。此作品的创新之处就在于利用成熟的磁卡识别技术和新兴的地磁传感器技术，与高性能的单片机相结合，形成一种新型的管理系统。3.系统实现原理 （功能框图，各部分详细描述；）(标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍）如图二所示此系统以三款单片机为中心，分为三个部分。 图二 系统功能框图3.1.C51部分C51部分主要负责磁卡识别、电机控制、与STM32单片机通信的工作。在车主进出车刷卡时，读卡器将卡的信息通过串口1发送给51单片机，51单片机对信息进行分组，提取出卡号并通过串口2发送给STM32单片机，STM32会将51单片发过来的信息与库中的数据进行比对，若身份符合便会通过串口

14、2给51单片机发送打开门禁的指令。51单片机接收到指令之后控制电机将门禁打开。3.2.MSP430部分MSP430部分主要负责接收地磁传感器发送的数据，判断停车位有无车辆进入。如果有车辆进入，将被占用的车位记录下来，然后430单片机通过zigbee模块把车位信息发送给STM32。STM32作为主控MCU可以控制430的工作状态，在需要更新车位信息使给430单片机发送请求命令，获取最新的车位信息。3.3.STM32部分 STM32F103VET6作为主控MCU负责接收51、430单片机发送过来的数据，进行计时收费、车位引导以及界面显示的功能。首先STM32会先建立一个用户信息库，用来存储客户信息

15、。在进车时，STM32接收51单片机传过来的卡号信息，将该信息与数据库中的数据进行比对，如果信息正确，则向51单片机发送打开门禁的指令，同时在彩屏上显示最佳停车位的位置信息，开始计时。最佳车位通过对MSP430单片机发送过来的数据进行分析得到。出车时，STM32单片机结束计时，计算此次停车所收费用，并将费用和余额显示在彩屏上。4. 硬件设计（元件清单，电路图，详细描述；）(标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍）元件清单：1. C51单片机最小系统1块。2. MSP430单片机最小系统1块。3. STM32单片机最小系统1块（带TFT彩屏插槽）。4. 电机驱动模块1个。5. 地

16、磁传感器4个。6. Zigbee模块2个。7. 读卡器1个。8. 一卡通若干。9. 步进电机一个。地磁传感器电路 系统中的地磁传感器采用飞思卡尔的MAG3110轴数字传感器，在通信中采用IIC协议，只需将传感器与单片机用两根线相连，MAG3110在有车辆经过时便会将坐标的变化情况经过放大A/D采样后传输给所连的单片机，外围电路少，使用起来简单方便，只要提供3.3V稳定的电压即可。图三 地磁传感器电路串口通信电路图四 串口通信电路串口通信需要三根线，即数据发送线、数据接收线和地线。但是单片机与读卡器和zigbee模块相连时需要将TTL电平转换为232电平，所以需要电平转换电路。本系统采用MAX2

17、32芯片，将电平在5V和12V之间转换。电机驱动电路设计思想：电动机驱动方式有很多种起驱动器的设计也多种多样，为简便起见和考虑电路的复杂性等因数，我选用步进电机的专用驱动芯片L297H和L298，其具有的优点有以下几点：（1）：所需元件少，主要元器件都集成在一起（2）：可靠性高，集成电路的可靠性普遍高于一般电路（3）：方便用微机进行控制，用于自动化控制其主电路原理图可用下图表示：图五 电机驱动主电路原理图其中的主要元器件构成的主要电路解释如下：（1）：L297芯片是一种步进电机控制集成芯片，可以产生四相驱动信号，应用于微机控制两相双极和四相单极步进电机，同时其中的晶片内的PWM斩波线路以开关信

18、号形式控制路的电流。此芯片的特性是只需要时钟，方向和模式输入信号。相位由内部产生，因此可减轻微机的程序负担，此芯片可与L298组成组合电路或者于与分立的三极管和达林顿管电路连接使用。其管脚图及其作用如下：图六 L297引脚图（2）：L298芯片是一种高压，大电流双桥驱动器内部就是功率管的阵列，也可以用外接的功率管代替。其外部管脚图见下。图七 L298管脚图（3）：外围电路，外围电路主要是使芯片工作的电路，其接法基本固定，各元件值也都有一定的浮动范围，可以查找一些资料有详尽的介绍。5.软件设计（算法描述，流程图；）(标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍）1.51单片机算法 如图

19、八所示。首先，对51单片机进行串口初始化设置，然后使51单片机一直处于是否接受到完整卡号的循环检测中。刷卡后，读卡器会先通过串口给51单片机发送一个0x25,表示读卡成功。51单片机进入串口中断，开始接收数据并将数据存储在一个字符型数组中。当接收完毕时将标志位置1。51单片机检测到标志变量置1后，调用分组函数将卡号提取出来，然后将卡号发送给STM32，等待STM32返回指令，若接受到返回指令则驱动电机转动。完成以上工作后从新进入初始化循环中。图八 51单片机程序流程图2. MSP430单片机算法如图九所示。一开始MSP430整个系统都处于待机，休眠的状态。当检测到主机发布检测到有车进入停车场的

20、时候，开始检测车位，每隔1s检测一次，车位上有无车位，其他时间待机当检测到有车的时候，向主机发布，几号位车位上有车的状态。最后从新进入待机状态中。 图九 430单片机程序流程图3. STM32单片机算法如图十所示。首先对系统进行初始化，在TFT彩屏上显示车库当前信息，然后同过接收51单片机通过串口传输过来的数据进行进出车判断。如果需要进车，STM32单片机通过串口向51单片机发送电机驱动指令，打开库门，开始计时。计时使用STM32定时器模块即可。然后STM32通过zigbee向430单片机发送车库信息索取指令，STM32通过将车位进行编号，按照离出入口越近的车位编号越小的标准计算出当前的最佳停

21、车位并在彩屏上显示出来。出车时，STM32通过串口向51单片机发送开门指令，51单片机驱动电机打开库门。同时系统结束计时，计算出所需费用显示在彩屏上。最后STM32更新车库信息，从新回到进出车的判断，等待下一次进车或出车。图十 STM32程序流程图6.系统测试及结果（测试方法、仪器、数据等；) (标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍）此系统已被做成车库模型，用磁铁代替汽车，测试时无需使用任何仪器设备，只需要一卡通，制作的作品，220V交流电源即可。进车时，当一卡通接触读卡器时，TFT彩屏上显示“欢迎光临！最佳车位在x号车位。”的字样，同时电机转动，门禁打开。出车时，当一卡通接

22、触读卡器时，TFT彩屏上显示“欢迎下次光临！本次收费：xx余额：xx”的字样，同时电机转动，门禁打开。 7.程序源代码 （如果无法提供电路图和源代码，应说明理由，并适当提供电路简图和部分源代码；）(标注：描述部分：字体：宋体；字号：小四；行距：1.5倍）#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define SUCCESS 0x25/recv_data1是0x00,0xfe,0xff中的哪一个，返回不同的值，上层的函数根据不同#define FAIL0x03 /的返回值判断如何处理：显示“成功”“无卡”或是“卡未离开”.显示“成功

23、”则对数据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);/发送一个字符void Send1String(uchar *p);/发送一个

24、字符串void Buf_clear();/缓存清零以接收新的数据包uchar data_xor_check();/对收到的数组进行异或和校验,校验正确返回1，错误返回0uchar rst_check();/复位返回信息校验，返回值0不相等(即复位不正确)，1相等(复位正常)void Div_group();/将受到的数据包按卡号、学号、姓名进行分割void Send(uchar i);/总发送函数，0表示发送复位信号，1表示发送数据请求void Buf_check();/数据包检验函数，收到数据正确则对其进行分组void UART_Init(void)/串口1、2初始化 P3SEL |= 0x

25、30; / 选择P3.4和P3.5做UART通信端口 ME1 |= UTXE0 + URXE0; / 使能USART0的发送和接受 UCTL0 |= CHAR; / 选择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状态机 IE1 |= URXIE0; / 使能USART0的接收中断void Send1Byte(uchar dat)/发送一个字符 TXBUF0 = dat; w

26、hile(!(IFG1 & UTXIFG0); void Send1String(uchar *p)/发送一个字符串 while(*p) Send1Byte(*p+); void Buf_clear()/缓存清零以接收新的数据包uchar i;for(i = 0;i <= 37;i+)recv_datai = 0;for(i = 0;i <= 2;i+)recv_rsti = 0;uchar data_xor_check()/对收到的数组进行异或和校验,校验正确返回1，错误返回0 uchar temp,i; temp = SUCCESS; for(i=0;i<=36;

27、i+) temp=recv_datai; if(temp = recv_data37)return 1; /此时i=37 else return 0;uchar rst_check()/复位返回信息校验，返回值0不相等(即复位不正确)，1相等(复位正常) uchar i; for(i=0;i<=2;i+) if(recv_rsti != cmd_rsti+1)return 0; return 1;void Div_group()/将受到的数据包按卡号、学号、姓名进行分割 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)/总发送函数，0表示发送复位信号，1表示发送数据请求 switch(i) case 0:Send1String(cmd_rst);break;case 1: Send1String(cmd_read);break; void Buf_check()/数据包检验函数，收到数据正确则对其进

29、行分组/static uchar Er_count = 0;/- if(full_1_flag) /收到(满)data则. full_1_flag = full_2_flag = 0; /先清标志位LcdReset();if(data_xor_check() /进行异或和校验结果正确 if(recv_data0 = 0x30)/响应码正确 Send(1);Send(1);Send(1);/Er_count = 0;/Er_count是错误次数标志位，发生错误则不为0则重新发送数据或指令 Div_group();/直到超出预设的最大次数及停止发送，并显示警告信息DispStr(0,0,card_num);Send(2);host_recv_flag=1;Buf_clear();Delay_1ms(5000); else DispStr(0,0,&qu