基于藍牙的智能車位鎖設計

李淵博，張紅雨，牛嘉祥

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

基于藍牙的智能車位鎖設計

李淵博，張紅雨，牛嘉祥

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

針對傳統手動車位鎖使用不便以及現有智能車位鎖功耗大、安全系數低等弊端，本文旨在利用低功耗藍牙技術來設計一個感應式智能車位鎖。整個系統主要有控制模塊、藍牙電子標簽、地磁車位檢測模塊、電源管理模塊和手機五部分構成。其中藍牙電子標簽和控制模塊主要由低功耗藍牙芯片nRF51822組成，實現車位鎖密鑰發送、識別以及對車位鎖的控制；地磁車位檢測模塊主要由HMC1021S組成，實現對車位狀況的檢測；電源管理模塊主要負責工作電壓轉換和電量檢測。

藍牙；電子標簽；車位鎖；地磁車位檢測模塊

隨著汽車工業的發展和人民生活水平的日益提高，機動車保有量持續攀升，但是相應的公共配套服務并沒有得到完善，因私有車位被占而引起的糾紛屢見不鮮，車位鎖為這一社會熱點問題提供了良好的解決方案[1]。傳統車位鎖由于其使用不便，安全性低，智能化較低等特點并沒有得到廣大車主和車位管理方的一致認可。

智能車位鎖正是針對當前市場上各種車位鎖功能上的弊端，面向廣大車主的需求而設計的一款科技含量高、智能化程度大，安全系數高，可操作性強的產品。本智能車位鎖的設計不僅實現了“不下車開鎖”，有效解決了傳統車位鎖在使用便利性方面的不足，而且通過手機APP還可以將臨時密鑰分享給車主的親朋好友或者租客，極大提高車位了利用率，為解決停車難這一社會問題也提供了一種新的思路[2]。

1 系統總體結構

該感應式智能車位鎖的系統結構圖如圖1所示。通過手機或者安裝在車輛上的藍牙電子標簽與智能車位鎖的藍牙通信，MCU nRF51822可以根據具體場景控制驅動模塊對車位鎖做出上鎖或者解鎖的動作。地磁車位檢測模塊不僅可以檢測車位當前狀況，防止用戶手機端誤操作，還可以通過在有車時關閉MCU nRF51822的藍牙來降低系統功耗。報警模塊負責外界碰撞報警、誤操作報警和低電量報警。由于芯片和電機的供電電壓不同，電源模塊則負責MCU nRF51822和驅動模塊之間的電壓轉換，并將采集的電量信息送交MCU以進行電量指示。

圖1 系統總體框圖

藍牙電子標簽作為一個處于主機狀態的藍牙通信模塊，主要負責在與處于從機狀態的車位鎖控制端建立藍牙通信連接后向車位鎖控制端發送相應的密鑰。車位鎖控制端識別判斷之后進行相應的動作。

2 硬件電路設計

由于控制模塊不僅作為整個系統的CPU負責整個系統的運算處理及任務調度，還作為藍牙通信的從機與作為藍牙通信主機的藍牙電子標簽進行通信，為滿足此綜合需求，本項目采用Nordic Semiconductor公司的低功耗藍牙芯片nRF51822作為控制模塊和藍牙電子標簽的MCU。

2.1 藍牙電子標簽

低功耗藍牙芯片nRF51822不僅集成了Nordic Semiconductor公司領先的2.4 GHz收發機技術，還內含一顆基于ARM○R CortexTM-M0架構的CPU，擁有256 kB flash+16kB RAM，不僅適用于Bluetooth○R低功耗和2.4 GHz超低功耗無線應用，而且其豐富的外設及存儲單元也為系統設計帶來了極大的方便[3]。因此，nRF51822為低功耗藍牙產品應用提供了性價比最高的單芯片解決方案，是超低功耗與高性能的完美結合。其最大發射功率為+4 dBm，接收靈敏度為-96dBm@250 kbps[4]。

藍牙電子標簽僅需要在建立連接之后向控制模塊發送相應的密鑰信息，并不需要進行相關的外設控制，其電路圖如圖2所示。藍牙電子標簽包括一個16 MHz的主時鐘，用于射頻發射接收以及MCU部分的高速時鐘，另有一個可選地32.768 kHz低頻時鐘，主要是為RTC提供時鐘（當使用內部32.768 kHz時鐘時），在PCB設計時候需要注意，應避免讓時鐘引腳串入干擾及噪聲信號[5]。

圖2 藍牙電子標簽電路圖

2.2 控制模塊

由圖1可知，控制模塊主要由MCU、驅動模塊、報警模塊和電源模塊構成。本設計由于藍牙通信的需要，控制模塊MCU采用和藍牙電子標簽相同的MCU，其電路圖在上邊已經介紹過，在此不再贅述。

MCU通過I/O引腳 P0.09、P0.10和P0.11輸出相應的高低電平控制驅動模塊和報警模塊。驅動模塊和報警模塊如圖3所示。同時，為防止搖臂受到阻力時電機電流過大而燒毀，在此通過將相應電壓信息送進MCU的ADC引腳進行過流檢測。

圖3 驅動模塊和報警模塊電路圖

控制車位鎖搖臂升降需要較大的扭矩，普通的直流電機無法滿足需求，故采用6 V直流減速電機。直流減速電機在普通直流電機的基礎上，通過配備齒輪減速箱并調節其減速比，可以提供不同的轉速和力矩[6]。

由于直流減速電機需要6 V供電，而nRF51822的供電電壓為3.3 V，故需要通過線性穩壓器件LM1117將6 V供電電壓將為3.3 V。

2.3 地磁車位監測模塊

地磁車位檢測模塊是根據車輛對大地磁場的擾動來判別當前車位有無車輛的[7]。由于在本設計中只需要檢測車輛存在與否，而不需要檢測車輛的行駛方向、速度、車型等參數，美國霍尼韋爾公司的單軸磁阻傳感器HMC1021S即可滿足應用需求。

HMC1021S型磁阻傳感器是一維磁阻微電路集成芯片，是一種單邊封裝的磁場傳感器，感應與管腳平行方向的磁場，其結構為惠斯通電橋。如圖4所示。其中供電電壓為Vbridge，在電阻器中有電流流過。在電橋上施加一個偏置磁場H，使得2個相對放置的電阻器的磁化方向朝著電流方向轉動，引起電阻阻值增大；另外2個相對放置的電阻器的磁化方向背向電流方向轉動，引起電阻阻值減小。這樣就將磁場轉換為差動輸出的電壓，該輸出電壓

其中：R為薄膜電阻；ΔR/R為阻值的相對變化量；Vbridge為傳感器的工作電壓[8]。

圖4 傳感器的惠斯通電橋

圖5 地磁車位檢測模塊框圖

地磁車位檢測模塊結構框圖如圖5所示，主要由置位/復位電路、傳感器模塊、放大濾波電路、比較電路組成[9]。

由于小磁場傳感器的性能在較大的外加磁場下（4-20Gauss）都會使得輸出信號的質量嚴重下降，置位/復位電路通過產生一個沖擊電流來施加一個瞬態的強恢復磁場以恢復或保持傳感器特性[10]。HMC1021S磁阻傳感器按4元件惠斯通電橋配置，將磁場轉換成差分輸出電壓，并能傳感強度低至30μG的磁場。放大濾波電路主要實現HMC1021S差分輸出小信號的放大，以供比較電路使用。比較電路主要由比較器構成，其主要通過與車位有車時的閾值電壓進行比較，將模擬信號轉換為方波信號輸出信號供控制模塊判斷處理[11]。

3 系統軟件設計

智能感應車位鎖系統軟件由手機客戶端APP應用程序和車位鎖MCU任務調度控制程序組成[12]。

手機客戶端APP應用程序的主要功能是開關鎖、電量查詢以及向車主的親朋好友或者租客分享臨時密鑰。

系統MCU主程序主要實現系統初始化、車位監測、藍牙通信和搖臂升降等功能的整體調度[13]，其流程圖如圖6所示。系統上電之后，先對各個模塊進行初始化，然后進入循環主程序。

進入主程序之后，先對車位狀況進行檢測，當車位上無車時，控制車位鎖進行上鎖，然后開啟藍牙通信。此時，由于車位上無車，不需要進行防誤操作判斷，為了降低系統功耗，將地磁車位檢測模塊關閉，然后進入判斷車輛是否到來的循環等待程序。在等待程序中，還要對車位鎖是否遭到外力強制按下進行判斷，如若有外力，則進入報警程序進行報警。當車輛到來，車位鎖控制端收到手機端或者藍牙電子標簽發送的信號，并進行密碼驗證之后，開啟定時器0和地磁車位監測模塊，然后控制車位鎖開鎖。當地磁車位檢測模塊檢測到車位為空時，本車位鎖將會自動完成上鎖。為防止在車位鎖自動上鎖之前車主還沒有將車輛停放到位，在此延時5min再進入車位檢測程序[14]。在此期間，為防止車主臨時改變停車意圖而導致車位被占，增加藍牙連接斷開判斷。當藍牙連接斷開時，說明車主車輛離開，不論5 min延時是否到達，都進入車位檢測程序。

停車之后，定時器開始0開始計時，為降低功耗和防止車主在停車之后查詢車位鎖電量信息，在停車30 min后關閉藍牙通信。在此30 min中內，如果車主誤按動車位鎖上鎖開關，則會進行誤操作報警。30 min到達之后，關閉藍牙，每5 s檢測一次車位狀況，當車離開時，進入上鎖程序，否則繼續檢測車位狀況[15]。

圖6 系統MCU工作流程

4 結束語

文中提出了一種基于藍牙的智能感應車位鎖的設計方案，以低功耗藍牙芯片nRF51822為核心進行了軟硬件的設計，通過密鑰算法來實現車主身份的識別，有效的解決了傳統手動車位鎖使用不便和遙控車位鎖安全系數低的弊端，給車主帶來了良好的停車體驗。其遠程分享密鑰的功能也給解決停車難這一社會性問題提供了良好的解決思路。

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Intelligent parking Lot barrier design based on BLE

LI Yuan-bo，ZHANG Hong-yu，NIU Jia-xiang
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Aim at the inconvenience of the traditional manual operation parking lot barrier and the high power consumption，unsafe of the current intelligent parking lot barrier，this paper aims to design an inductive and intelligent parking lot barrier.The whole system is composed of the electronic tag of Bluetooth，the geomagnetic detection module of carport，the module of power management and system control and mobile.The electronic tag of Bluetooth and the module of system control is mainly composed of nRF51822，and implement the secret key sending and recognition，and the parking lot barrier control.The geomagnetic detection module of carport is mainly consist of HMC1021S，and realize the detection of carport condition.The module of power management is mainly in charge of the conversion of work voltage and electric quantity detection.

BLE；electronic tag；parking lot barrier；the geomagnetic detection module of carport

TN409

：A

：1674－6236（2017）13-0126-04

2016-05-26稿件編號：201605251

李淵博（1990—），男，河南登封人，碩士研究生。研究方向：嵌入式應用、物聯網。