智能停车场的现场总线CAN-bus网络

1 前言 

     随着社会生活方式的不断变化，科技的不断进步，人们要求更加人性化、智能化的生活条件。不用事必躬亲，尽可能地让智能系统代替手工方式，来进行有效的管理和执行。当前越来越复杂的交通状况，如行路难、停车难等问题大大降低了城市的工作和生活效率，迫使我们寻找一个能够方便解决问题的办法。智能化的停车场便在这样的背景下应运而生了。智能停车场的产生不但规范了城市交通管理和车辆管理水平，扩充了城市的容量，在安全防范方面也有巨大的保障，同时还能方便的和其他智能系统接口（如智能大厦、智能小区等），组成更完善的物流及设备管理系统。 

2 智能停车场通讯现状 

     目前停车场的智能化程度不一，管理也缺乏有序性，设施之间也通用性也较差，造成系统集成商和用户的设备选型品种较少，实现的功能不全，系统特点不鲜明等不足。按智能停车场的通讯方式分析，早期的一部分厂商采用了串行的RS-485总线或RS-232总线作为设备之间的通讯方式；同时，有一部分先进的厂商已经采用了CAN-bus总线或以太网EtherNet 作为网络通讯方式。
 
     采用RS-232方式通讯的停车场系统有非常大的局限性，只能实现点对点操作，中央处理器的负担较大，不便于系统扩充，可通讯距离非常短，不适于远程操作；而且，系统成本较高。采用RS-485总线的系统在整体性能上好于RS-232的系统，因其是总线形式，方便扩充，但是随着停车场系统智能化程度要求越来越高，功能越来越强，总线的节点越来越多的情况下，RS-485的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等不足和缺陷逐渐体现出来；智能停车场的系统扩展也受到RS-485本身的制约，越来越不能适应大中型智能停车场的控制需要。 

     先进的的CAN-bus总线通讯系统是智能停车场的主流发展方向。使用这种工业级的通讯方式，可以保证通讯数据的可靠性、实时性；并且，实际建设中，CAN-bus总线成本和RS-485 方式成本大体相当，甚至，在较大型的停车场系统中，CAN总线的整体成本还略低于RS-485 系统。由于CAN总线容错性能好，可以大大降低后期的维护、维修、扩充成本。但是，目前的智能停车场多数采用了CAN-bus总线和RS-232、RS-485通讯混合使用的方式，在一定程度上会造成网络负载不平衡，限制了CAN-bus总线发挥最大限度的性能优势。下面将以CAN-bus总线组建的停车场收费和管理系统为例，介绍一整套的智能停车场改进方案，从而体现出CAN-bus总线的整体优势。 

3 智能停车场CAN-bus方案 

3.1 CAN-bus简介 

     CAN（Controller Area Network）总线最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。由于其良好的性能，在世界范围内广泛应用于其他领域当中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。 
 
现场总线CAN-bus的特点： 

    1、国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高； 
    2、传输距离远（最远10KM），传输速率快（最高1Mbps）； 
    3、单条总线最多可接110 个节点，并可方便的扩充节点数；  
    4、总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；  
    5、非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高；  
    6、出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；  
    7、报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；  
    8、对未成功发送的报文，硬件有自动发功能，传输可靠性很高；  
    9、具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；  
    10、通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等；  
    11、CAN-bus总线系统结构简单，性价比极高。 

3.2 总体介绍 

      通讯方案涉及了停车场的几乎所有的控制功能，包括进出口控制、远程控制、车场导向、车场车位自动检测、车场智能灯光控制。方案中不包含音频、视频的传输，因为音频、视频的传输一般是与控制总线分开的。整个系统中，通讯主干线仅为一条双绞线，各个通讯终端的控制器直接连接到总线上；并且，各个控制器在网络中的地位可以是平等的，就是说没有“主机”和“从机”的概念，任何一个节点都可以启动数据的传输，避免了采用RS-485 的主机轮询方式，从而保障数据的实时性。在CAN-bus总线上，既可以实现点-点之间的通讯，也可以实现多点广播方式的通讯，实时性和灵活性都可以得到良好的保证。 

       例如，车位探测器可以根据车场内车的进出变化，直接传输空位数量到车位显示器显示出来；而不必先传输到管理机上，再由管理机传到车位显示器。当然管理机也可以接收到该信息，用于数据库记录。
 
       智能停车场的通讯距离受CAN-bus总线的波特率制约；在20Kbps通讯速率时，可以在达到3KM 的通讯距离(使用同一条双绞线)，能够满足绝大部分需求。本方案中，按照位置的不同，将停车场系统分为两个部分：车辆的进出口控制、车场内部控制。 

3.3 车辆的进出口控制 

      车辆的进出口控制部分主要功能是车辆进出的管理、收费、出票和显示等。系统的布线结构如图1 所示。系统中的CAN-bus网络采用直线拓扑结构，各设备节点通过支线连接在CAN-bus主线上。在车场入口处，当地感检测到有车辆经过时，入口控制器向计算机管理节点发送信号，请求启动整个管理系统（此前系统处于休眠状态，以节约能源），使系统立即进入工作模式。 

      入口控制器通过射频或GPRS 方式读取车辆的电子卡信息，并通过CAN-bus总线传到管理计算机上，并与摄像机取得的车辆信息（车型、车牌等）相对照，如果是“合法”用户则打开道闸、点亮绿色交通灯，允许车辆通过。当道闸处地感检测车辆已通过，并且入口处地感未检测到有新的车辆进入，则仍由入口控制器向计算机管理节点报告系统空闲，可以进入休眠模式。其他功能，比如出口控制器、收费功能等，都可以按同一方式管理。 

      系统中，管理节点采用安装PC-CAN 接口卡的通用PC 机，与执行不同功能、安装不同位置的终端设备进行通讯。常用的PC-CAN 接口卡有：PCI-CAN 接口卡、ISA-CAN 接口卡、USBCAN 接口卡、PC104-CAN 接口卡、EtherNet-CAN 接口卡或并口CAN 接口卡等，可以根据系统的通讯要求而进行合理选择。 

图 1 车辆进出口处CAN-bus布线及结构图 

3.4 车场内部控制 

    车场内部控制部分主要功能是车辆导向、空位检测和照明控制等。如图2所示，图中车场分为4 个停车区域：A 区、B 区、C 区和D 区。4 个区的区位引导系统统一安置在车场入口处，指示区域的方向和当前所剩的空位数。该区位引导系统由一个控制器控制，带一个CAN-bus总线接口。 

图 2 车场内部CAN-bus布线及结构图 

      当有车辆或车主进出某一个相关区域的时候，该区域的照明才点亮，在车辆或车主离开后，灯自动熄灭，并且和当前进出不相关区域的照明灯将不会点亮，这样可以最大限度的节约能源，延长设备寿命，这在较大型停车场中的作用会更加突出。 

     在车辆进出后，车场的停车数量发生变化，系统可以及时地探测到这个变化并向主控制器和区位引导指示牌报告，使其刷新当前的记录和显示。这一个系统中，使用CAN-bus总线方式进行通讯，网络显得非常简单、可靠，如图2所示。每个停车区有一个单独的区控制器，均带CAN-bus接口，用于管理该区的照明和车位检测。按图中所示，红线是照明线，通过区控制器来直接控制该区灯的亮灭。绿线是单总线，用于和车位探测器通讯，与CAN-bus总线一起，构成一个方便的二级数据通讯网络。 

      当然，车位探测器的网络组建也可以使用CAN-bus方式来实现，基本上不会受到车位数量的制约，且可以方便地实现设备管理、故障定位等众多特定功能。 

4 系统优势 

     上述两个部分相连接，可以形成一个完整的智能停车场系统。整个系统中，不仅可以实现无人值守，还能和其他的CAN-bus系统连接，如物业管理中心、小区调度中心等，方便整个系统的管理。 

采用CAN-bus总线，也为定制通讯协议、设计软件提供了非常明显的优势，使系统的整体性能得到提升。同时，采用CAN-bus总线可以大幅度降低整个智能停车场在设备扩展、系统升级、终端维护方面所投入的成本。而且，越是大型的智能停车场系统，采用CAN-bus总线的优势会更加明显――功能好，成本低，节省管理与维护成本。 

      实践证明，采用CAN-bus总线在智能停车场的运行中可以获得良好的社会效益、经济利益。CAN-bus总线已经成功运行在国内多个智能停车场、车场设备网、车辆管理所、车辆收费站等场合。这也是国内众多通讯控制网络实现可靠、自动化运行、无人值守的发展方向。