基于無線射頻識別的車位鎖

王復國 馮偉偉 曹文軍 殷效先 趙鶴逸

摘要：本項目設計了一種基于無線射頻識別的車位鎖裝置，通過無線射頻（RFID）技術進行車輛遠距離自動識別。該裝置以STC89C51RC單片機作為控制核心，采用NRF24L01射頻芯片和有源電子標簽交互射頻信號，對車位鎖系統進行智能控制，并且可與無線射頻門禁系統相結合，實現車位地智能管理。

關鍵詞：車位鎖；無線射頻識別；智能控制；物聯網

Abstract：This project designs a kind of car location locking device based on radio frequency identification（RFID），and uses radio frequency（RFID）technology to identify vehicles at long distance automatically. The device uses STC89C51RC single chip microcomputer as the control core，uses NRF24L01 radio frequency chip and active electronic tag interactive radio frequency signal to carry out intelligent control of parking lot locking system，and can be combined with radio frequency access control system to achieve intelligent parking place management.

Key words：Parking lock；Radio frequency identification；intelligent control；Internet of things

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[1]。目前市場上有手動車位鎖和遙控車位鎖兩種，手動車位鎖為純機械結構，不方便使用；遙控車位鎖相對方便，但需要供電電路，若使用電池供電，3個月就必須再充電，而且遙控車位鎖價格高，沒有得到普及。本項目提出的基于無線射頻識別的車位鎖，利用無線射頻（RFID）技術進行智能識別，避免了手動和遙控車位鎖工作時的不便，節能高效。

方案設計

系統分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括車載模塊、機械裝置、開關電壓調節器、閱讀器、單片機、液晶顯示屏和鋰電池等。軟件部分包括射頻芯片和單片機。

硬件設計

硬件部分分為四大模塊：車載模塊、機械模塊、控制和顯示模塊以及電源模塊。

車載模塊 車載單元負責射頻信號的發送，由無線射頻發射模塊，鋰電池和鋰電池數顯模塊組成。射頻發射模塊為NRF24L01射頻芯片和電路組成的射頻標簽，以聚合物鋰電池作為車載單元的電源，標稱電壓：3.7v，滿電電壓：4.2v 容量：6000mah。

機械模塊 機械模塊包括底板，翻轉臂，固定桿，翻轉臂托，金屬罩。底板用來放置和固定各個電子模塊，支撐翻轉臂，通過膨脹螺絲固定在地面。翻轉臂是由三根鋼管和接頭拼接成的U型管架。固定桿連接在翻轉臂上，用來加固翻轉臂，使它不發生形變。翻轉臂托用來支撐落下的翻轉臂。金屬罩保護電子模塊和電路，同時起到防水和防壓的作用。

控制和顯示模塊

用舵機執行控制指令，其工作原理是：由閱讀器發出信號給舵機，經由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅動馬達開始轉動，通過齒輪將動力傳至翻轉臂，同時由工作時間，轉速和角度控制翻轉臂位置。

通過LM2596S開關電壓調節器管理集成電路，輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。該器件只需4個外接元件，極大地簡化了電路的設計。

NRF24L01是新型射頻收發器件，工作在ISM頻段：2.4～2.524GHz。且內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能，并融合增強型ShockBurst技術。NRF24L01 無線收發模塊接口連接采用標準雙列直插式，方便與處理器系統硬件連接[2]。與目前的藍牙技術相比，在提供更高速率的同時功耗更小。

STC89C51單片機是8位單片機處理芯片。該單片機機構簡單，價格低廉，使用方便，能夠反復寫入或擦除程序達幾萬次[3]。具有在系統可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，速度更快。

顯示模塊采用LCD12864液晶屏，其顯示分辨率為128×64，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，顯示車位鎖工作狀態和電量。

電源模塊 采用12V2800mah，18650電芯鋰電池，試用標稱300w以內，持續工作電流小于24A，瞬間啟動電流小于48A的電路。

軟件設計

單片機程序 單片機程序實現翻轉臂的升起和降落，程序功能包括舵機的轉速控制，角度控制和定時器啟用。

NRF24L01射頻芯片程序 射頻芯片用來發射和接收信號，它將接收到的信號進行濾波調解，譯碼還原后再與相關信息進行匹配，用來確定接收到的編碼信息是否與本車位鎖相匹配，如果信息匹配，執行相關程序。

工作流程

當車輛距離停車位較遠時，電子標簽在閱讀器工作范圍之外，整個電路處于休眠狀態，保持較低的功耗[4]。當車輛駛近停車位（10米）時，閱讀器收到車輛攜帶的電子標簽發回的射頻信號對接收到的反饋信息解調，解碼。判斷該車輛是否為車位的擁有者。配比成功，單片機發送命令信息，開啟舵機，自動降落車位鎖翻轉臂，停車完成。當車輛駛出車位時，超出閱讀器的工作范圍，智能車位鎖感應不到車載單元發回的信號，啟動定時器延時15S，定時器超時后，車位鎖自動升起，開始保護車位，等待車輛下次停靠。

性能分析

本裝置采用無線射頻識別技術，避免了傳統機械式車位鎖需要車主下車手動開鎖的弊端，實現裝置自動化，可以結合無線射頻識別門禁系統，實現車輛管理的一體化。

車輛每天進出停車兩次，車輛在位八小時，不在位十六小時，停車桿上升時電流約為750mA，上升時間約為6s，在停車桿下降時電流約為10mA，下降時間約為3s，車位鎖一天內的功耗約為：7.2642mah，正常使用可滿足1年以上的使用壽命要求。

該車位鎖采用無線射頻識別技術，安全可靠；由單片機控制，抗干擾能力強；舵機和控制電路功耗較低；機械裝置靈活、穩定。適用于家庭，也適用于各醫院、政府機構和學校等公共單位，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1] 翟永杰，李冰，伍洋. 基于RFID技術的感應式汽車車位鎖設計[J].機械工程與自動化，2015，（3）：111.

[2] 劉振江.基于NRF24L01的無線數據采集系統設計[J].山西科技，2016，（6）：105.

[3] 陳慧琴.基于STC89C51單片機步進電機控制系統的設計[J].山東工業術，2016，（18），187.

[4] 李偉，門佳，魯華棟.基于無線射頻識別技術的住宅區智能車位鎖設計[J].溫州職業技術學院學報，2014，（4）：52.

資助項目：

國家自然聯合基金（U1731121）；國家自然基金（41401384）