基于無線通信的共享智能車位鎖

河北工業大學人工智能與數據科學學院 李維學 潘炫樺 張 萍

0 引言

現今，汽車擁有量的不斷增加，導致停車位供不應求。目前傳統停車位現狀集中表現為缺口大、資源緊張，管理混亂，收費滯后等問題。為此本設計綜合運用文獻檢索、實地觀察的方法，對停車位現狀、車位基本情況、等進行深入研究，城市的停車難問題主要由停車位供給不夠引起的，也存在閑置的停車位沒有被充分利用的情況。本文結合物聯網技術，設計研究符合用戶體驗的車位智能硬件，實現車位資源的有效利用，緩解停車難及車位管理缺失的問題[1]。

目前，國內已有學者開展了關于無線通信的智能車位鎖，采用的是低功耗藍牙通訊或RFID射頻技術，可實現無線通信，不過上述兩種技術在距離上有所限制，無法實現超遠距離控制車位鎖[2]。經調查，有結合GSM通信技術的車位鎖，其通過發送短信的方式來遠程控制車位鎖，但其在實時性上與可共享性上有所欠缺，無法實現大范圍的共享連接。結合上述情況，本文將闡述手機客戶端以GPRS網絡方式，與服務器和以單片機為核心的硬件控制系統相互連接通信，此通信方式速度快，且運用服務器可實現車位鎖共享管理，為車位鎖提供了互聯網入口，把用戶和停車位方便、直觀地聯系起來，實現車位鎖遠程控制[3]。該方案能有效解決車位擁有者對遠程車位的管理控制，為私有車位向社會開放、商業化運作提供一種可行的技術解決方法。

設計思路——使用STM32系列單片機作為核心控制單元，物聯網通信選用GPRS模塊G3524，實現車位鎖和云服務器間的聯網及雙方數據實時傳輸[4]。單片機通過控制由繼電器構成的H橋電路驅動直流電機，車位鎖鎖臂由直流電動機驅動進行升降，其升降位置檢測采用對射式紅外線光電開關。采用超聲波測距傳感器檢測停車位上車輛狀態，檢測算法采用間隔脈沖多次采樣的方式，確保檢測準確的同時，降低檢測器的功耗[5]。

1 總體設計方案

1.1 設計目標

本課題研究智能車位鎖的控制裝置，以實現車位鎖的智能開關，即可通過操作手機App來遠距離控制車位鎖的開關。智能車位鎖具有遠程通信模塊，為智能車位鎖提供了互聯網入口，實現服務器、移動終端、控制器和車位鎖之間的互聯。為實現共享車位鎖功能，設置車位鎖唯一電子標簽，在車位鎖空閑狀態下，不同的手機App均可以通過該電子標簽來遠程控制智能車位鎖[6]。

1.2 系統設計

智能車位鎖控制器總體結構如圖1所示。主要由6個模塊構成，包括主控制單元、GPRS通信模塊、紅外檢測開關、超聲波測距模塊、繼電器、直流電動機等構成。

圖1 系統結構框圖

本系統的設計通過車位鎖聯網，既可以實現車位鎖遠程控制與管理，又實現了車位鎖與云端服務器連接，可通過車位鎖唯一電子標簽完成對外共享，從而有效緩解了車位供需矛盾，提髙城市車位的利用率。

工作流程如下：使用手機App與服務器連接通信，發出相關控制指令與相應的車位鎖電子標簽，服務器接收到信息后將該信息發送到相對應的車位鎖，主控制單元發出動作指令。

由GPRS模塊與STM32為核心的硬件控制系統相結合，從而實現用戶遠程控制車位鎖的釋放與鎖定。通過云端服務器將車位鎖與手機App連接起來，實現車位鎖的遠程管理與共享。

系統包括軟件設計和硬件設計兩個部分，其中硬件部分包括單片機硬件控制系統的設計，主要工作是實現車位鎖遠程控制。即根據服務器發出的控制碼指令，控制車位鎖升降機構的鎖定與釋放。軟件部分包括手機客戶端和服務器端的開發。主要功能是根據車位鎖的唯一電子標簽，發送控制指令并記錄車位鎖狀態，實現用戶共享車位鎖。用戶使用時，只需要用手機App通過移動互聯網絡接入服務器，查詢相關車位狀態，獲取車位鎖的電子標簽，即可對智能車位鎖進行遠程控制。

2 硬件系統設計

2.1 主控制單元

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M3內核，集高性能、實時功能、數字信號處理、低功耗與低電壓操作等特性于一身，同時還保持了集成度高和易于開發的特點[7]。本文選用STM32系列單片機作為智能車位鎖的主控制芯片。單片機的輸入輸出信號及電路連接關系如表1所示：

表1 單片機輸入信號及外圍電路連接關系

2.2 超聲波測距模塊

超聲波模塊采用HC-SR04超聲波傳感器，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測量精度可達到3mm[8]。基本工作原理：采用IO口TRIG觸發測距，給至少10μs的高電平信號。模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回。有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s)/2。單片機為發射控制口提供一個10us以上的高電平，在接收口等待高電平輸出。一有輸出信號單片機就開定時器計時，當此口變為低電平時就可以讀定時器的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離。主要功能是防止人為誤操作，引起車位鎖異常升起，與停駐車輛造成碰撞。其工作原理圖如圖2所示：

圖2 超聲波測距模塊工作原理圖

2.3 限位開關模塊

在車位鎖升降過程中，利用紅外線發射與接收二極管構成限位開關。當有物體擋在發射與接收二極管之間，接收二極管無法接收紅外線，紅外線接收二極管關閉，限位開關電路輸出高電平[9]。根據此原理，限位開關電路設置兩對發射接收二極管，分別檢測上升和下降時的車位鎖動作極限位置。將此信號作為中斷信號輸入到單片機，單片機根據輸入信號來驅動電機停止動作。

2.4 GPRS模塊

在本系統中，要實現車位鎖的遠程控制，需要尋求一種能進行遠距離通信的模塊[10]。本系統在工作時對數據流量傳輸需求較少，因此選用金訊科技G3524系列開發板。配合服務器及客戶端軟件可構建一種基于GPRS的遠程控制系統。該模塊適用于全球所有國家頻段，產品使用沒有地域限制。該模塊功耗低，性能可靠，功耗低于1W，可大幅提高產品的續航能力。上行速率2KB/S，下行速率4KB/S，能滿足本項目較小數據流量傳輸的需求。UART速率覆蓋2400-115200bps。

在該系統中，要實現通過GPRS模塊與服務器進行數據傳輸的需求，需要建立一條無線傳輸通道。一般來說，網絡應用服務在選擇傳輸層協議時有兩大選擇，即TCP或UDP。TCP是一種面向連接的、具備可靠傳輸特性的協議；UDP是一種面向無連接的傳輸協議。由于TCP傳輸可靠性上優于DUP，目前TCP仍然是網絡流量的較大組成部分。

系統通過配置GPRS模塊與服務器建立TCP連接，配置前要給PWON引腳2s低電平將模塊開機。配置GPRS模塊時，需要使用KINGCOM_DTU配置工具配置其網絡參數，其中傳輸協議配置為TCP傳輸協議，服務器IP地址配置為202.113.112.10，服務器端口號配置為8080端口。為了防止隨機出現的短暫無網絡服務情況，設置GPRS模塊為自動重連模式，心跳時間60s。此時GPRS模塊配置完成。

GPRS模塊開機后，先搜索網絡服務，獲取網絡服務后，提取車位鎖設備電子標簽，通過“DEVICE+電子標簽”形式的指令向指定IP的服務器發送車位鎖設備的電子標簽，當服務器接收“CONNECT OK”指令時，標志著GPRS模塊已與服務器建立TCP連接，車位鎖設備成功上線。

用戶使用手機客戶端控制車位鎖設備打開時，App通過服務器中保存的TCP連接，向GPRS模塊發送“DEVICE+ON”指令，主控制單元從串口接收到該指令時，控制鎖臂下降。當用戶使用手機客戶端執行關閉車位鎖設備操作時，手機端向GPRS模塊發送“DEVICE+OFF”指令，主控制單元接收指令，控制鎖臂上升。

2.5 直流電機驅動模塊

單片機無法直接驅動直流電機，由此，采用兩個繼電器構成H橋電路來驅動直流電機。單片機通過控制兩個繼電器開關，驅動直流電機正反轉。

單片機判斷輸入信號，控制直流電機的正反轉，驅動車位鎖升降機構釋放與鎖定，升降機構動作后觸發限位開關，限位信號反饋至主控制器，單片機根據限位信號判斷車位鎖是否實現正常的起降。

3 軟件設計方案

軟件部分主要由手機客戶端App、云端服務器配置和車位鎖遠程控制端單片機軟件控制系統組成[11]。本文主要介紹軟件的主要工作流程。

3.1 手機客戶端的軟件設計

移動終端應用程序的主要功能有：車位鎖狀態查詢、車位鎖遠程控制開關。手機客戶端軟件工作流程圖如圖3。

圖3 手機客戶端軟件流程圖

打開手機App后，配置服務器地址以及服務器端口號，等待手機App與服務器建立連接，發送車位鎖電子標簽，等待車位鎖回復狀態信息。如若正常，則發送控制碼指令到服務器，服務器將控制碼指令發送給車位鎖，主控制器根據得到的控制碼指令，控制直流電機作出相應動作。其App界面如圖4所示。

3.2 嵌入式硬件控制系統的軟件設計

嵌人式硬件控制系統實現的主要功能有：與服務器建立連接，接收服務器發送的控制碼指令，并執行信息內容指令；若接收到服務器查詢狀態指令，車位鎖控制器驅動超聲波測距模塊測量上方是否有車，并返回服務器該狀態信息；根據控制指令，驅動繼電器控制設備啟動電機，控制車位鎖升降機構動作；根據限位開關返回的信號，控制車位鎖升降機構的幅度，確保車位鎖正常動作。軟件流程如圖5所示。

圖4 App界面

圖5 嵌入式控制系統軟件流程圖

車位鎖上方已有車輛停駐，當主控制器得到發送來的上升控制指令時，會驅動超聲波測距模塊測量車位鎖上方的距離，若距離小于50cm則上方已停駐車輛，單片機不會驅動直流電機動作。反之，上方無車，驅動車位鎖上升關閉。這也是車位鎖的防止用戶誤操作的保護功能。

3.3 云端服務器配置

該系統中服務器作為用戶與車位鎖的連接通道，要求服務器具有較強的處理能力、穩定性、可靠性、安全性、可擴展性。該系統本文采用阿里云作為云計算中心，提供簡單高效、處理能力可彈性伸縮的計算服務[12]。

服務器功能的實現：

服務器系統主要分為車位鎖后臺服務和手機客戶端服務。車位鎖后臺服務用于維護車位鎖設備與服務器的連接。手機客戶端服務提供手機端向車位鎖發送指令的接口。

手機客戶端與服務器的通信主要通過發送HTTP請求，使用輕量級的JSON數據交換格式實現。服務器為手機客戶端提供5個接口：用戶注冊、用戶登錄、打開車位鎖、關閉車位鎖、獲取當前車位鎖狀態。車位鎖設備與服務器通過TCP連接，當服務器接收到用戶請求時，服務器向車位鎖設備發送控制碼指令。服務器功能如圖6所示。

圖6 服務器功能概覽

4 總結

隨著社會經濟的快速發展，我國機動車保有量大幅增加，城市交通問題日益嚴重。在此狀況下，人們開車出行就出現了很多的問題。如停車位難找，車難停，路邊停車多。與此相對的是，大部分私人停車位在主人開車出行的時段閑置，停車資源大量的浪費[13]。因此，把閑置的資源利用起來，讓價格高昂的固定資產來回報現金，緩解人們的出行停車難問題，減少我們的路邊停車數量。

本文設計、研發出一套分為車位鎖硬件檢測端、服務器端、移動端的智能停車管理系統，用戶只需要點擊App上的按鈕就可以對車位鎖進行遠程控制。本設計可實現預定車位、出租車位、路線導航、自助停車服務等貼合用戶需求，實現對城市停車位集中管理、分散控制，、車位資源的共享，以提高停車位使用率、增加停車場收入、緩解交通問題[14]。

本設計下一步計劃實現車位鎖自動識別車輛身份，對合法車輛能夠做到車來自動開鎖，車走自動關鎖，用戶不必點擊手機App即可進入或駛離車位，讓車位鎖更加智能化，方便用戶生活。