基于RFID技術的感應式汽車車位鎖設計

翟永杰，李 冰，伍 洋

（華北電力大學 （保定）控制與計算機工程學院，河北 保定 071003）

0 引言

隨著家用汽車的普及，停車位的需求逐漸增大，車主自用車位被占用的情況頻繁發(fā)生。為方便車主快捷泊車，也便于有效地利用停車位，減少泊車糾紛，車位鎖應運而生。車位鎖主要分為手動車位鎖和遙控車位鎖。手動車位鎖需用戶下車對車位鎖進行手動升降，并將車開進、開出車位，雖價格低廉，但不方便使用；遙控車位鎖在手動車位鎖的基礎上有所改良，利用無線射頻技術控制車位鎖的升降，目前市場上主要有O、K、X、A型遙控車位鎖，其操作方便，但耗能較大，使用220V交流電供電時需要鋪設供電電路，使用蓄電池供電時需要及時充電，且價位高，所以沒有得到普及。

本文提出了一種新型的感應式汽車車位鎖，利用無線射頻（RFID）技術進行遠距離遙控，避免了手動車位鎖在開啟和關閉時上、下車的不便；利用重力勢能以及存儲的彈性勢能作為車位鎖升降的能量來源，所以耗電量少，使用壽命增長，并達到了環(huán)保、價位低廉的目的。

1 新型感應式汽車車位鎖主體結構設計

新型感應式汽車車位鎖 由彈簧、底板、壓桿、壓板、連接軸、推拉桿、擋桿、滑桿、控制模塊、電插銷以及遙控器構成。實際使用中底板固定在地面上，壓板與底板之間由壓桿和彈簧連接。壓桿靠近底板的一端由連接軸貫穿，連接軸同時連接推拉桿的一端，推拉桿的另一端連接滑桿與擋桿。壓板可以被汽車壓下或被彈簧抬起，在此過程中，帶動推拉桿前后移動，使擋桿倒下或抬起?？刂颇K安裝在底板內，其控制的插銷可插入推拉桿中的插孔內，使推拉桿不能前后移動，這樣就鎖住了車位鎖。壓板下的彈簧在汽車駛入車位壓下壓板時被壓縮，儲存彈性勢能；在汽車駛出車位，推拉桿可自由活動時，彈簧釋放勢能，抬起壓板。車位鎖壓板、車位鎖擋桿、電插鎖位置示意圖如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 車位鎖壓板位置示意圖

圖2 車位鎖擋桿位置示意圖

2 控制模塊設計

控制模塊包括供電單元、無線通信單元、位置檢測單元、指示單元、插鎖單元和微控單元。供電單元負責提供整個控制模塊的電能；無線通信單元負責監(jiān)聽無線信號，并與對碼遙控器通信，將數據發(fā)送到微控制單元；位置檢測單元負責檢測車位鎖狀態(tài)，以確定壓板是否到位以及插鎖是否打開；指示單元負責向用戶指示當前車位鎖狀態(tài)；插鎖單元負責根據指令打開或關閉，其關閉時，壓板被鎖住，無法被壓下或抬起，打開時，壓板可在預訂方向自由活動，以完成拉起或推倒擋板的功能?？刂颇K結構框圖如圖4所示?？刂颇K安裝在底板內部，可避免遭到物理損傷。

2.1 微控制單元

微控制單元（Micro Control Unit，MCU）采用51系列單片機，型號為STC89C52RC，負責控制其他各單元，以完成控制模塊的功能。MCU平時處于待機狀態(tài)，以降低功耗，當接收到無線通信單元的信號后進入工作狀態(tài)，讀取無線通信單元的數據，進行對碼，當對碼成功后，向插鎖單元發(fā)出指令，打開插鎖，接著通過位置檢測單元檢測插鎖是否打開，確認插鎖打開后，向指示單元發(fā)出指令，指示燈轉為紅色，等待汽車進入車位；此后，MCU通過位置檢測單元檢測壓板狀態(tài)，當壓板完全壓下時，MCU發(fā)出指令，關閉插鎖；最后，MCU使無線通信單元進入監(jiān)聽狀態(tài)，同時關閉其他不必要的單元，進入待機狀態(tài)。

圖3 電插鎖位置示意圖

圖4 控制模塊結構框圖

2.2 無線通信單元

無線通信單元采用挪威NORDIC公司的型號為nRF24L01的2.4GHz無線通信芯片。nRF24L01是一款工作在2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，通過SPI總線與MCU交換數據。芯片發(fā)射數據，且發(fā)射功率為－6dBm時，電流消耗為9.0mA；芯片接收數據時，電流消耗為12.3mA，在掉電狀態(tài)和待機狀態(tài)下工作時，電流消耗更低。

本方案采用nRF24L01芯片的一種特殊工作模式，稱為ShockBurst模式。在此模式下，nRF24L01和MCU之間以較低的速率通信，而和其他無線芯片之間則以較高的速率通信，中間的轉換處理環(huán)節(jié)由芯片內部的射頻協(xié)議負責，這樣既能降低對MCU在通信速率方面的要求，也能減小發(fā)射無線信號所用的時間，進而減小通信的平均能量消耗。ShockBurst模式的具體配置方法，可以參考NORDIC公司的nRF24L01說明手冊。

2.3 位置檢測單元

位置檢測單元由3個位置傳感器構成，傳感器在底板的位置如圖5所示。各傳感器分別位于：①壓板完全抬起時，連接軸所處位置的下方；②壓板完全壓下時，連接軸所處位置的下方；③電插鎖插銷的下方。通過這3個傳感器的檢測，就可以確定車位鎖壓板是否壓下，插銷是否就位。

每個位置傳感器由1個反射型光電探測器、1個電壓比較芯片和1個三極管組成，探測器型號為RPR220，電壓比較芯片為LM339，三極管型號為8550。位置檢測單元由供電單元5.0V接口供電。

5.0V電源通過8550三極管接入RPR220工作電路，三極管基極由MCU的一個I/O口控制通斷，以此來實現由MCU控制探測器工作或者關閉。RPR220的輸出接至電壓比較芯片正輸入口，與芯片負輸入口電壓進行比較，電壓比較芯片輸出接至MCU I/O口，MCU通過讀取此I/O口電平的高低，用以判斷連接軸和電插鎖插銷的位置。

圖5 傳感器的位置示意圖

2.4 指示單元

指示單元由高亮度發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）和三極管8550構成。LED燈安裝在擋板上部，顯示車位鎖的運行狀態(tài)。指示單元由供電單元5.0V接口供電。

LED有紅色和綠色兩種，分別和三極管T1、T2的射極串聯，三極管集電極接5.0V電源，基極接MCU I/O口，LED負極接地。當MCU打開電插鎖，壓板可以被壓下時，MCU輸出一定頻率方波，打開關閉的三極管T1，紅色LED閃爍；當MCU關閉電插鎖，壓板被鎖住后，MCU輸出一定頻率方波，打開關閉的三極管T2，綠色LED閃爍；30s后MCU關閉T2，LED熄滅。

2.5 插鎖單元

插鎖單元主要由一塊電插鎖和一塊驅動芯片組成。電插鎖安裝在底板前端，用來鎖住推拉桿，使其不能前后移動，這樣，壓板便不能被壓下或者抬起，達到了通過電插鎖鎖住壓板的目的。驅動芯片用來為電插鎖提供驅動電流。

電插鎖型號為KT-XL01。電插鎖為常閉型，通電后鎖銷縮進，插鎖打開；斷電后鎖銷伸出，插鎖閉合。驅動芯片型號為BTS7960，BTS7960芯片電路根據MCU發(fā)出的信號，導通或者關斷電插鎖電源，達到MCU控制電插鎖打開或者關閉的目的。插鎖單元電源由供電單元的6.0V接口提供。

3 車位鎖工作流程

圖6為車位鎖工作流程。當汽車要駛入車位時，首先，車主按下識別遙控器按鈕，發(fā)射無線信號，無線通信單元接收到信號后進行無線識別，對碼成功后，微控制單元打開插鎖，使壓板可以被壓下，就緒后指示燈轉為紅色；然后，汽車駛入車位，將壓板壓下，進而使擋桿倒下，在此過程中，微控制單元檢測車位鎖狀態(tài)，一旦壓板完全壓下，微控制單元發(fā)出指令關閉電插鎖，這樣便鎖住了壓板，使其不能恢復抬起狀態(tài)，擋板不能抬起；最后，微控制單元關閉不必要的用電單元，控制電路進入待機狀態(tài)以節(jié)省電能。

圖6 車位鎖工作流程圖

當汽車要駛出車位時，首先，車主按下識別遙控器按鈕，發(fā)射無線信號，無線通信單元接收到信號后進行無線識別，對碼成功后，微控制單元打開插鎖，釋放壓板；然后，壓板在彈力裝置的作用下，恢復抬起狀態(tài)，進而拉起擋桿，在此過程中，微控制單元檢測車位鎖狀態(tài)，一旦壓板完全抬起，微控制單元發(fā)出指令關閉電插鎖，這樣便鎖住了壓板，使其不能被壓下，擋板也就不能倒下；最后，微控制單元關閉不必要的用電單元，控制電路進入待機狀態(tài)以節(jié)省電能。

4 結論

利用車的重力勢能和強力彈片的彈性勢能之間的相互轉換來升降車位鎖，利用電子裝置提供較小的作用力，實現大作用力的效果，驅動機械裝置工作，實現能量的循環(huán)利用，耗能小，解決了頻繁充電的問題。

利用杠桿原理使得車位鎖的機械構造簡單方便，利用無線射頻（RFID）技術自主設計芯片，改進原有的裝置，使價位更加合理，便于普及推廣。

［1］周律，汪亮，鄧勝.基于MODBUS的地面停車場智能管理系統(tǒng)［J］.計算機控制與測量，2013，21（1）：236-237.

［2］于淑萍，張幸兒.基于FPGA/MCU多功能信號發(fā)生器的設計與實現［J］.電力自動化設備，2009，29（12）：106-108.

［3］胥萌，何廣軍，劉彬，等.基于單片機的智能遙控車位鎖研究［J］.電腦知識與技術，2012（19）：4712-4714.