智能車位鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁蒼璧 陸子堃 殷若宬

摘 要：本項(xiàng)目是以MSP430f149為主控芯片對(duì)智能車位鎖進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，文章利用相關(guān)FRID射頻識(shí)別技術(shù)，以及TP4056鋰電池充電和XL6009升壓技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)能電池板和電磁鐵，在車位鎖外進(jìn)行太陽(yáng)能充電，利用RFID射頻識(shí)別卡，實(shí)現(xiàn)車位鎖的智能升降，將車位鎖全面智能化，使得車主無(wú)須時(shí)刻帶著車位鎖的鑰匙，實(shí)現(xiàn)“隨到隨停、不被占位”，并且省去了車主需要定時(shí)向車位鎖充電的煩惱。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；太陽(yáng)能充電；智能化

由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車被越來(lái)越普遍的使用，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2017年6月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.04億輛，其中汽車2.05億輛；專家預(yù)計(jì)2019年中國(guó)的汽車保有量將有望超越美國(guó)，成為世界第一汽車大國(guó)。近幾年，汽車數(shù)量的大增導(dǎo)致車位的急劇短缺，“停車難”這個(gè)問(wèn)題也就擺在了大眾面前。為了戶主個(gè)人車位不被占有，車位鎖應(yīng)運(yùn)而生。市場(chǎng)上的車位鎖按功能可分為兩類：手動(dòng)車位鎖、遙控車位鎖，當(dāng)前市場(chǎng)上以機(jī)械車位鎖居多，這種車位鎖在車輛進(jìn)出時(shí)，常常需要司機(jī)下車把車位鎖的起降桿抬起或放下，使用起來(lái)非常不方便，并且影響后面等待車輛的正常行駛，即使現(xiàn)在市場(chǎng)上最先進(jìn)的車位鎖也要進(jìn)行遙控和人為對(duì)其充電，對(duì)車主而言，十分不便。在學(xué)校創(chuàng)新精神的引領(lǐng)下，文章展開(kāi)了對(duì)車位鎖的探索實(shí)踐。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 項(xiàng)目概述

相比較于市面上已有的一些車位鎖，我們的設(shè)計(jì)更加智能化、人性化，并且低碳環(huán)保。它主要有如下特點(diǎn)：（1）智能。該車位鎖在安裝之后，車主通過(guò)射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)[1]，刷完卡后，車位鎖的升降桿將自動(dòng)下降，當(dāng)車主開(kāi)車離開(kāi)時(shí)，升降桿將自動(dòng)地升起，無(wú)需像以往的機(jī)械車位鎖一樣，需要車主下車進(jìn)行開(kāi)鎖和關(guān)鎖，這將大大節(jié)省車主時(shí)間，并且增強(qiáng)用戶使用該車位鎖的好感度。（2）環(huán)保。我國(guó)政府承諾在“十三五”期間，實(shí)現(xiàn)2020年單位GDP碳排放比2005年下降40%～45%的低碳目標(biāo)，而該產(chǎn)品也以低碳環(huán)保的理念而設(shè)計(jì)，采用太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充放電，完全可以提供車位鎖的日常供電，積極響應(yīng)國(guó)家“節(jié)能減排”政策。（3）方便。該車位鎖采用太陽(yáng)能供電，一方面低碳環(huán)保，與此同時(shí)，相比較于市面上的智能車位鎖都需要車主將車位鎖的電源取下進(jìn)行充電而言，該車位鎖僅需要太陽(yáng)能供電，無(wú)需車主對(duì)其進(jìn)行充電，與同類產(chǎn)品相比經(jīng)濟(jì)方便，有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

2 硬件設(shè)計(jì)

車位鎖主要分為以下幾個(gè)部分：主控芯片—MSP430f149；電源設(shè)計(jì)—TP4056鋰電池，繼電器；射頻識(shí)別—13.56 MHz讀寫卡，RFID讀卡器；升降部分：電磁鐵。

2.1 CPU模塊

由于整體機(jī)械結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路設(shè)計(jì)的需要，我們采用了MSP430f149超低功耗單片機(jī)[1]作為主控芯片，這樣可以降低車位鎖的系統(tǒng)的功耗[2]，而且149內(nèi)部資源多樣，處理速度滿足我們項(xiàng)目的要求。其工作電壓為1.8～3.6 V；采用16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)（Reduced Instruction Structure，RISC），只有27 條核心指令，8 MHz 時(shí)鐘頻率指令速度可達(dá) 8 M/s，大多數(shù)指令1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；它還具有豐富的片上圍模塊，如看門狗、模擬比較器A、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串口0和1、硬件乘法器及 A/D 轉(zhuǎn)換等，在目前所有單片機(jī)系列產(chǎn)品中尤為突出，便于方案的實(shí)施。

2.2 射頻識(shí)別模塊

RFID技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。本系統(tǒng)采用MF RC522[2]芯片，它是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片，是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，其利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。RFID模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 電源模塊

電源模塊主要由太陽(yáng)能板[3]，TP4056鋰電池充電板和XL6009升壓模塊[4]構(gòu)成，TP4056是一款完整的單節(jié)鋰電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。并且適合USB電源和適配器電源工作，當(dāng)在充電時(shí)顯示藍(lán)燈，充電結(jié)束時(shí)顯示綠燈。升壓模塊芯片XL6009調(diào)節(jié)器是寬入范圍，由功率MOSFET管和固定頻率振蕩器構(gòu)成，輸入電壓范圍5～32 V，電流模式結(jié)構(gòu)在寬范圍輸入和輸出電壓穩(wěn)定工作，如圖3所示。

2.4 繼電器模塊

當(dāng)IC卡第一次接觸RFID讀寫器時(shí)，外接電磁鐵將立刻彈起，并且作為指示燈發(fā)光二極管也將亮起；當(dāng)?shù)诙螌C卡接觸RFID讀寫卡時(shí)，外接電磁鐵會(huì)收回，指示燈也將熄滅，在夜間不可能見(jiàn)度較低的情況下，用戶可以觀察指示燈，了解自己的車位鎖是否升起，如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件構(gòu)造如圖5所示。

車位鎖的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)IC卡接觸RFID讀寫器時(shí)，RFID讀寫器將讀出IC卡的編號(hào)數(shù)組，編號(hào)數(shù)組傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，與設(shè)定好的編號(hào)數(shù)組值進(jìn)行對(duì)比，如果吻合，單片機(jī)將發(fā)出對(duì)繼電器的命令，從而將外接電磁鐵的非接地端與5 V電源電壓相貼合，此時(shí)電磁鐵就將彈出；如果RFID讀寫器傳輸?shù)木幪?hào)數(shù)組與單片機(jī)內(nèi)設(shè)定的編號(hào)數(shù)組對(duì)比后不吻合，單片機(jī)將不再執(zhí)行之后的程序，通過(guò)這樣的方法可以實(shí)現(xiàn)“一鎖一車”的智能車位鎖功能，并且可以設(shè)置一定的時(shí)間間隔，防止重復(fù)讀卡[3]。

4 調(diào)試

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及幾部分調(diào)試。

4.1 代碼的調(diào)試

主程序?qū)懲旰笙螺d到板子上進(jìn)行了試運(yùn)行，代碼并沒(méi)有設(shè)置間隔時(shí)間，IC卡接觸RFID模塊如不及時(shí)拿開(kāi)，單片機(jī)會(huì)使繼電器連續(xù)工作，而繼電器在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)工作過(guò)多，會(huì)使內(nèi)部燒斷，于是在主程序中加入了短時(shí)間內(nèi)防止單片機(jī)重復(fù)向繼電器發(fā)出指令的代碼，最后確定在0.5 s內(nèi)將不得重復(fù)刷卡。

4.2 硬件測(cè)試

正常工作時(shí)的各個(gè)模塊數(shù)據(jù)如表1所示。

太陽(yáng)能充電時(shí)的各個(gè)模塊數(shù)據(jù)如表2所示。

調(diào)試中所遇到的問(wèn)題及解決方法：（1）在電源模塊（XL6009）拿到時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)其輸出電壓并不滿足要求，于是利用模塊自帶的精密電位器對(duì)其進(jìn)行輸出電壓的調(diào)試。（2）在調(diào)試RFID射頻識(shí)別模塊時(shí)，因?yàn)槲搓P(guān)閉電源就進(jìn)行插拔，導(dǎo)致RFID模塊內(nèi)部燒斷，不能夠識(shí)別有效的IC卡，所以在之后的調(diào)試中都會(huì)及時(shí)關(guān)閉電源，并且在RFID模塊中加入了直排插針，保證RFID射頻識(shí)別模塊正常工作[4]。如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)下飛速發(fā)展的時(shí)代中，智能化以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將是一種必然趨勢(shì)，該智能車位鎖以“智能，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)”為主旨，彌補(bǔ)了當(dāng)今普通車位鎖單一，繁瑣等缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的車位鎖實(shí)現(xiàn)車位鎖的智能化，但是該項(xiàng)目還存在一定的不足，比如升降桿上升和下降的速度過(guò)快，還需要在這些方面以及識(shí)別距離上多做研究，為已經(jīng)到來(lái)的智能時(shí)代添磚加瓦。

[參考文獻(xiàn)]

[1]沈建華.MSP430系統(tǒng)16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]袁樂(lè)民.基于RC522的RFID讀卡器電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（12）：166-167.

[3]裴云慶.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]王志強(qiáng).開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.