基于移動(dòng)支付的自助停車控制系統(tǒng)

張海濤，陳向東

（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都611756）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，人民可支配收入提高以及汽車價(jià)格的下降，大城市私人汽車的保有數(shù)量近幾年來快速增加。汽車的增多不但加劇了交通堵塞，同時(shí)也帶來了日益嚴(yán)峻的“停車難”問題[1]，如找尋停車場困難、停車位供給不足、繳費(fèi)效率低等?，F(xiàn)有的智能停車系統(tǒng)存在一些不盡人意的地方，如車輛需要刷卡才能進(jìn)入停車場，造成排隊(duì)時(shí)間長的問題；有些停車場出口的計(jì)費(fèi)結(jié)算依賴人工操作，效率低下且容易出差錯(cuò)[2]。

為了提高停車效率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)停車場的不足，基于Android和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了可自助停車的車位檢測與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)運(yùn)用超聲波測距技術(shù)檢測停車位使用情況，ZigBee實(shí)現(xiàn)停車位節(jié)點(diǎn)的局域組網(wǎng)，通過停車場協(xié)調(diào)器可以對(duì)停車場中所有停車位進(jìn)行高效方便的無線管理。停車場協(xié)調(diào)器在局域組網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過GPRS通信技術(shù)完成互聯(lián)網(wǎng)的接入，連接到系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)和Android客戶端App之間的命令交互和數(shù)據(jù)通信。

1 停車位檢測原理

車位鎖控制電路采用超聲波測距技術(shù)來實(shí)現(xiàn)停車位檢測[3]，超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波信號(hào)[4-5]，可以通過空氣進(jìn)行傳播，具備方向性和良好的反射性[6]。模塊通過超聲波發(fā)射探頭T發(fā)射超聲波信號(hào)，信號(hào)在空氣介質(zhì)中直線傳播，當(dāng)遇到障礙物或者被測物體時(shí)，產(chǎn)生反射，超聲波接收探頭R感應(yīng)到反射信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[7]。

已知超聲波在空氣中的傳播速度為V，假設(shè)超聲波信號(hào)的發(fā)射時(shí)間為t1，接收時(shí)間為t2，可根公式1求出被測距離S[8]。

車位鎖控制器采用HC-SR04超聲波模塊實(shí)現(xiàn)測距，模塊安裝在電路板上，其探頭方向向上。設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)測距結(jié)果小于該閾值時(shí)認(rèn)為有車輛存在，即停車位被占用，否則認(rèn)為沒有車輛存在，停車位處于空閑狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為4個(gè)部分：車位鎖控制器、停車場協(xié)調(diào)器、Android客戶端App、系統(tǒng)服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

車位鎖控制器采用STM32單片機(jī)作為主控MCU，通過超聲波模塊探測停車位的使用情況，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)模擬車位鎖翻轉(zhuǎn)臂升起和落下[9]。車位鎖控制器通過ZigBee無線組網(wǎng)，每個(gè)車位鎖作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)[10]。停車場協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)，管理車位鎖控制器節(jié)點(diǎn)，通過GPRS數(shù)據(jù)通信作為接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。Android客戶端App可以實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場中車位鎖的升降控制和停車費(fèi)用支付，系統(tǒng)服務(wù)器作為TCP Server來實(shí)現(xiàn)Android客戶端和停車場協(xié)調(diào)器之間的命令交互和數(shù)據(jù)通信，同時(shí)存儲(chǔ)停車場數(shù)據(jù)和用戶信息。

系統(tǒng)的工作流程：

1）用戶登錄手機(jī)終端App，通過地圖搜索附近的停車場，查看停車場內(nèi)停車位的使用情況。

2）用戶進(jìn)入停車場，找到某個(gè)未使用停車位，通過App解鎖該車位上的車位鎖，待車位鎖翻轉(zhuǎn)臂落下后，駛?cè)胲囄煌＼?，App開始計(jì)時(shí)。

3）當(dāng)用戶離開停車位時(shí)，通過App支付本次停車費(fèi)用并生成歷史停車記錄，車位鎖控制電路檢測到車輛離開的狀態(tài)，車位鎖升起，等待下一個(gè)用戶的到來。

4）車位鎖將停車位的使用信息反饋給停車場協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器更新停車位狀態(tài)表。

5）停車場協(xié)調(diào)器將停車位狀態(tài)更新數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器向離開的用戶App發(fā)送消息提醒，用戶可以通過App查看最新的停車位使用情況。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路分為2部分：車位鎖控制器、停車場協(xié)調(diào)器。

3.1 車位鎖控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

車位鎖控制器主要包括STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波檢測模塊、ZigBee模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、OLDE顯示電路、和按鍵電路，通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制撐桿的翻轉(zhuǎn)來模擬車位鎖的上鎖和解鎖動(dòng)作，其電路框圖如圖2所示。

圖2 車位鎖控制器電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)STM32單片機(jī)采用的具體型號(hào)是STM32F103RCT6，是一款高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機(jī)[11]，具備64個(gè)IO引腳和豐富的外設(shè)，功能強(qiáng)大，STM32的最小系統(tǒng)，主要包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，啟動(dòng)模式設(shè)置電路。

超聲波測距使用HC-SR04模塊，該模塊包含超聲波發(fā)射電路、接收電路和信號(hào)處理電路[12]，工作電壓3～5 V，測距范圍2～400 mm，誤差在2 mm，完全可以滿足系統(tǒng)需求。HC-SR04模塊具有4個(gè)外接引腳VCC、GND、TRIG、ECHO，TRIG 引腳連接 STM32的PB0引腳，PB0配置為普通推挽輸出IO，ECHO引腳連接STM32的PB1引腳，PB1配置成外部中斷觸發(fā)模式。

ZigBee無線組網(wǎng)采用了TI的CC2530芯片，CC2530內(nèi)置51內(nèi)核，配合Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)局域組網(wǎng)[13]。CC2530和STM32的串口2進(jìn)行通信，當(dāng)ZigBee模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)，將該數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給STM32；當(dāng)STM32需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過串口2發(fā)送給ZigBee模塊，ZigBee模塊自動(dòng)將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。

3.2 停車場協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計(jì)

停車場協(xié)調(diào)器主要包括STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、ZigBee模塊、GPRS模塊、OLDE顯示屏、和按鍵電路，電路框圖如圖3所示。

圖3 停車場協(xié)調(diào)器電路框圖

GPRS模塊采用了SIMcom公司的SIM900A芯片[14]，支持GSM和GPRS的850 MHz、900 MHz、1 800 MHz、1 900 MHz四頻的語音、短信、數(shù)據(jù)和傳真。STM32通過串口給SIM900A發(fā)送AT指令請(qǐng)求建立TCP連接[15]，停車場協(xié)調(diào)器作為TCP Client連接到服務(wù)器實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)通信。

圖4是系統(tǒng)的硬件電路實(shí)物圖，左邊是停車場協(xié)調(diào)器的電路板，右邊是車位鎖控制器的電路板。

圖4 硬件電路實(shí)物圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 車位鎖控制器的軟件設(shè)計(jì)

車位鎖控制器[16-18]采用STM32作為主控MCU，使用Keil開發(fā)環(huán)境配合STM32庫函數(shù)進(jìn)行STM32的C程序設(shè)計(jì)。車位鎖控制器的工作主要是實(shí)現(xiàn)停車位檢測，車位鎖升降控制，加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收停車場協(xié)調(diào)器的控制命令并反饋狀態(tài)信息，車位鎖控制器的程序流程如圖5所示。

4.2 停車場協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

停車場協(xié)調(diào)器的MCU同樣采用STM32，協(xié)調(diào)器的主要功能有：實(shí)現(xiàn)底層ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)，管理停車場內(nèi)的車位鎖，通過GPRS和系統(tǒng)服務(wù)器建立TCP長連接，STM32發(fā)送AT指令的部分代碼如下：

圖5 車位鎖控制器程序流程圖

4.3 Android客戶端App

系統(tǒng)的Android客戶端App采用Android Studio作為開發(fā)環(huán)境。客戶端App主要功能包括用戶注冊(cè)、登錄，個(gè)人信息管理，地圖定位和搜索，停車位狀態(tài)查看，預(yù)約車位，自助停車，停車費(fèi)用支付、停車歷史記錄查看等功能。

客戶端App設(shè)計(jì)了用戶管理系統(tǒng)，用戶需要注冊(cè)登錄后才能使用相應(yīng)的服務(wù)。App內(nèi)置高德地圖提供的Android地圖SDK和定位SDK，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和附近停車場的搜索功能，以用戶位置為中心設(shè)定搜索半徑，App當(dāng)前的搜索結(jié)果使用了模擬數(shù)據(jù)，用圖6中氣球樣，熱點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其界面效果如圖6所示。

圖6 App地圖和停車位狀態(tài)查看界面

停車場對(duì)每個(gè)停車位進(jìn)行編號(hào)，用戶通過App可以查看停車場中所有的車位的使用狀況，界面如圖6所示，車位的狀態(tài)分為：可用、不可用、已預(yù)約3種狀態(tài)，用戶可以使用狀態(tài)為未使用的車位，點(diǎn)擊“我要停車”按鈕，即可控制相應(yīng)停車位的車位鎖解鎖，用戶駛?cè)胲囄煌＼?，App開始計(jì)時(shí)。

當(dāng)用戶離開停車位后，App根據(jù)本次停車時(shí)長，計(jì)算停車費(fèi)用，圖7為支付界面，用戶可以選擇支付寶、微信或者賬號(hào)余額3種方式進(jìn)行費(fèi)用結(jié)算。支付寶和微信支付的官方API接口調(diào)用需要商戶資質(zhì)認(rèn)證，所以本系統(tǒng)App采用Bmob后端云提供的移動(dòng)支付SDK來實(shí)現(xiàn)支付寶和微信支付功能的接入，Bmob對(duì)這2個(gè)主流的支付渠道進(jìn)行了封裝，且支持個(gè)人開發(fā)者接入。

用戶支付完停車費(fèi)用，App自動(dòng)生成一條新的歷史停車記錄，其界面如圖7所示，顯示了模擬自助停車過程中產(chǎn)生的歷史記錄。用戶可以在這個(gè)界面查看正在使用中的停車情況和歷史停車記錄，每一條記錄包括使用的停車場名字、停車位編號(hào)、停車時(shí)間和支付的費(fèi)用。

圖7 App停車費(fèi)用結(jié)算和停車記錄查看界面

4.4 系統(tǒng)服務(wù)器

系統(tǒng)服務(wù)器的運(yùn)行環(huán)境為win7系統(tǒng)，服務(wù)器是在Eclipse開發(fā)環(huán)境下用基于Socket（套接字）的java網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)TCP Server。

系統(tǒng)服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket實(shí)例，綁定20006端口，手機(jī)客戶端App和停車場協(xié)調(diào)器作為Socket Client向服務(wù)器發(fā)起TCP連接請(qǐng)求。客戶端連接進(jìn)來以后，服務(wù)器先為每個(gè)客戶端新建1個(gè)子線程專門負(fù)責(zé)和該客戶端之間的數(shù)據(jù)通信，之后服務(wù)器獲取客戶端發(fā)送的身份標(biāo)識(shí)UserID，將該客戶端的Socket實(shí)例以鍵值對(duì)形式保存到HashMap中，其中key是客戶端的UserID，value是客戶端的Socket實(shí)例。

服務(wù)器讀取每個(gè)客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)命令的具體含義直接向該客戶端返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，或者將該數(shù)據(jù)重新組合后將其轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端。

5 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)測試環(huán)境包括一個(gè)停車場協(xié)調(diào)器，3個(gè)車位鎖控制器，分別代表編號(hào)為1，2，3的停車位，系統(tǒng)服務(wù)器運(yùn)行在一臺(tái)接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦，客戶端App運(yùn)行在Android手機(jī)。測試時(shí)候需要注意，如果服務(wù)器運(yùn)行的電腦是在局域網(wǎng)內(nèi)，沒有唯一的外網(wǎng)IP地址，建議使用花生殼軟件進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)端口映射。經(jīng)測試，通過Android手機(jī)App可以實(shí)現(xiàn)對(duì)停車位使用狀態(tài)信息的采集以及遠(yuǎn)程控制車位鎖的升起和落下，成功模擬自助停車流程，并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付停車費(fèi)，當(dāng)車輛離開停車位后App發(fā)送消息提醒，并生成一條歷史停車記錄。

6 結(jié) 論

基于移動(dòng)支付的自助停車控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場停車位便捷高效的管理，用戶通過手機(jī)客戶端App實(shí)現(xiàn)自助停車和移動(dòng)支付費(fèi)用。借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升了對(duì)停車位資源的利用率，該系統(tǒng)具備低成本、智能化、高效安全的特點(diǎn)，不僅適用于各種大中型停車場，而且適用于小型和路側(cè)停車場的管理，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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