一種自感應(yīng)共享車位鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙迎 嚴(yán)李強(qiáng) 馮郅皓

摘 要：隨著汽車不斷普及到家家戶戶，車位愈發(fā)緊缺。在“共享”概念不斷延伸的今天，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于超聲波測距技術(shù)的智能自感應(yīng)車位地鎖，通過超聲波傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了一種通過感應(yīng)汽車來去從而自動(dòng)控制車位鎖的升降。該設(shè)計(jì)不僅可以解決“停車難”的問題，還可以優(yōu)化車位鎖擺放位置，實(shí)現(xiàn)車位共享，給車位主創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，為未來停車智能化提供了一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：自感應(yīng)車位鎖;超聲波傳感器;STM32F103單片機(jī);共享停車;車位鎖控制;車位管理

中圖分類號(hào)：TP211+.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-0-04

0 引 言

近年來隨著汽車數(shù)量的激增，車位的供不應(yīng)求導(dǎo)致了越來越多的問題，停車問題已經(jīng)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其是車位難找以及車輛的亂停亂放給車位主帶來了很大煩惱。車位的數(shù)量愈發(fā)緊張，那么對車位的有效管理以及智能化就尤為重要[1]。

為了防止出現(xiàn)爭搶車位的情況，保障車位主的權(quán)益，車位鎖隨之出現(xiàn)在人們的視線。根據(jù)在“淘寶網(wǎng)”對“車位鎖”關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，取樣100個(gè)商品項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)市面上主要有兩類車位鎖，根據(jù)功能可將其分為手動(dòng)車位鎖和遙控車位鎖。其中機(jī)械手動(dòng)車位鎖占68款，智能遙控車位鎖占32款。由于手動(dòng)機(jī)械車位鎖價(jià)格低廉，在100個(gè)樣品中，銷量最高的是手動(dòng)控制車位鎖。但是，車主安裝手動(dòng)式車位鎖后，就必須在汽車出入時(shí)親自下車操作解鎖落鎖，浪費(fèi)車主的時(shí)間和精力，尤其是遇到雨雪天氣，很不方便。隨著車位鎖逐漸智能化，市面上的某些短程智能操控車位鎖銷量可觀，如基于藍(lán)牙技術(shù)的遙控車位鎖和紅外車位鎖等，但是這些車位鎖仍然有種種不足之處。

本文基于超聲波測距技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款短程自動(dòng)感應(yīng)的車位鎖，結(jié)合車位鎖的擺放位置，實(shí)現(xiàn)車位共享。相對于價(jià)格高昂的智能遙控車位鎖，本文采用的超聲波傳感器大大降低了生產(chǎn)成本，彌補(bǔ)了其他車位鎖的不足之處，免去了人工操作的過程。既能有效減少因“搶車位”引發(fā)的矛盾沖突，又更加方便了車主停車，解決“停車難”的問題。在滿足車主自身車位上鎖的需求的同時(shí)，又能為車位創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，使閑置的車位高效利用，實(shí)現(xiàn)車位的共享，解決“停車難”的問題。

1 自感應(yīng)車位鎖設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)車位鎖的自感應(yīng)功能，本文選用超聲波傳感器作為車輛在位傳感器，超聲波傳感器HC-SR04價(jià)格低廉，操作簡單。車位鎖終端其余部件包括STM32單片機(jī)、超聲波測距模塊、光電傳感器、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流步進(jìn)電機(jī)等硬件模塊。

為了實(shí)現(xiàn)車位鎖的共享功能，把車位鎖放置在車位的前端位置，當(dāng)使用車位鎖時(shí)，將車位鎖放置于車位入口處，如圖1所示。工作流程如下：用戶想要停車時(shí)，通過掃描二維碼知會(huì)車位主，車位主發(fā)送開鎖指令，當(dāng)車位鎖接收到車位主發(fā)出的指令時(shí)，車位鎖打開，用戶順利停入車位后，隨即車位鎖升起，鎖住車位。待用戶使用完畢車位并按停車時(shí)間付費(fèi)后，車位主發(fā)出指令開鎖，車位鎖降下，用戶離開。時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，車位鎖升起，等待下一輛來車。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

自感應(yīng)車位鎖的核心是STM32單片機(jī)，選擇STM32單片機(jī)為核心控制模塊，STM32F103主要分為基礎(chǔ)型與增強(qiáng)型。本文使用的STM32F103ZET6屬于增強(qiáng)型，模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換是該系列處理的重要功能[2]。

單片機(jī)通過發(fā)送指令給L298N驅(qū)動(dòng)模塊來控制車位鎖鎖臂升降電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。光電傳感器用來感應(yīng)鎖臂升降的位置。

其余部分由光電感應(yīng)、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源控制、超聲波傳感器、報(bào)警模塊和時(shí)鐘電路等組成。采用超聲波測距傳感器檢測車輛是否有車輛靠近和車輛是否在位，檢測算法采用間隔脈沖多次采樣的方式，確保檢測準(zhǔn)確的同時(shí)，降低檢測器的功耗[3]。報(bào)警模塊利用蜂鳴器報(bào)警，負(fù)責(zé)強(qiáng)制開鎖報(bào)警、錯(cuò)誤操作報(bào)警和電量過低報(bào)警，防止人為或意外對車位鎖造成損害。時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)。圖2為自感應(yīng)車位鎖硬件系統(tǒng)框圖。

整體工作過程如下：車位鎖上電后，給在位傳感器和光電傳感器供電，首先掃描檢測車位上方判斷是否有車輛占用車位，檢測結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)是否有車的信號(hào)繼續(xù)發(fā)出指令。

若車位有車則開始計(jì)時(shí)至車輛離開;若車位無車，則發(fā)送信號(hào)判斷是否有車輛靠近車位。若無車輛靠近，車位鎖鎖臂保持升起狀態(tài);若檢測到有車靠近，則降下車位鎖鎖臂，同時(shí)掃描光電傳感器信號(hào)，判斷鎖臂位置，當(dāng)下降到指定位置后，調(diào)用計(jì)時(shí)子程序開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)至預(yù)設(shè)時(shí)間值后，此時(shí)車輛應(yīng)停入車位。在位傳感器將檢測信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)，車輛停入車位后，單片機(jī)接收到上升信號(hào)，調(diào)用上升子程序，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)上升，升起鎖臂，光電傳感器檢測鎖臂位置，到達(dá)指定位置時(shí)，停止上升。隨后計(jì)時(shí)至車輛離開。

1.1.1 選擇超聲波傳感器測距

在自感應(yīng)車位鎖的感應(yīng)測距設(shè)計(jì)中，以STM32單片機(jī)為控制核心，協(xié)調(diào)各電路的工作。由于超聲波對色彩、光照以及電磁場等外界因素不敏感，因此適應(yīng)環(huán)境惡劣的場所，適應(yīng)范圍廣泛;超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化[4]。本文選擇超聲波傳感器作為測距工具，以檢測車輛是否靠近車位鎖和進(jìn)行車輛在位檢測。

車位鎖處于開機(jī)狀態(tài)時(shí)，超聲波傳感器每隔10 s進(jìn)行一次距離檢測。

當(dāng)檢測到車輛不在位時(shí)，兩組超聲波回路并行執(zhí)行，STM32單片機(jī)在兩組回路的I/O口同時(shí)發(fā)送40 kHz的脈沖，并選中每組CD4052的同一通道，向外發(fā)送超聲波，此時(shí)開始計(jì)時(shí)。遇到有車輛靠近時(shí)則發(fā)射反射波，進(jìn)入接收電路，進(jìn)行簡單的處理后，經(jīng)各自的CD4052通道進(jìn)入放大濾波電路后進(jìn)入STM32的ADC通道，從而計(jì)算得出車輛至車位的距離，保存測得距離的傳感器所在的通路得到車輛的方位，經(jīng)MAX3485以RS 485通信協(xié)議上傳給中控板車輛的距離與方位的信息[5]。接收到反射波后停止計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間C和超聲波聲速計(jì)算障礙物距離（s=ct/2，c為超聲波聲速）時(shí)會(huì)受溫度影響稍有變化，有些超聲波測距設(shè)備會(huì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)[5]。

超聲波測距根據(jù)回波時(shí)間差值和已知的聲速計(jì)算，從而測得探頭與目的被測物體之間的距離。計(jì)算公式如下：

H=（?T/2）·C'? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：H為目的距離;C'=340 m/s，為聲音在空氣中的傳播速度;T為超聲波探頭發(fā)出超聲波至接收到回波信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間。

設(shè)超聲波發(fā)射探頭到地面的距離為H，當(dāng)有車輛駛?cè)霑r(shí)，這時(shí)候測得超聲波發(fā)射探頭到障礙物的距離為H，把H設(shè)定為一個(gè)閾值，當(dāng)H發(fā)生一定程度的變化時(shí)，方可判斷停車位上有車停入[6]。

1.1.2 光電傳感器電路的設(shè)計(jì)

光電傳感器是用來感應(yīng)車位鎖的鎖臂位置的傳感器。當(dāng)鎖臂上升至指定位置時(shí)，光電傳感器根據(jù)感應(yīng)到的光的變化判斷車位鎖鎖臂的位置并將該信號(hào)發(fā)出，隨即單片機(jī)發(fā)出指令，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)鎖臂下降至指定位置時(shí)，光電傳感器向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，單片機(jī)控制停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，鎖臂停止下降。其原理是感應(yīng)光信號(hào)的強(qiáng)度變化從而將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的強(qiáng)度變化。車位鎖在待機(jī)狀態(tài)下，唯有光電傳感器接收電路正常工作。這時(shí)不但要求電路具有超低功耗又要能保證其穩(wěn)定性和靈敏度，從而將車位鎖臂的升降信號(hào)發(fā)出[7]。

1.1.3 電機(jī)控制電路

電機(jī)控制電路是由單片機(jī)控制鎖臂電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，利用L298N模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)接收到升降鎖臂信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過L298N驅(qū)動(dòng)模塊控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而使鎖臂升降。

1.1.4 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警模塊主要功能是提示報(bào)警，具有檢測是否存在外力強(qiáng)制掰動(dòng)車位地鎖進(jìn)行停車的情形而進(jìn)行報(bào)警、錯(cuò)誤操作報(bào)警和電量過低報(bào)警的功能，防止人為或意外對車位鎖造成損害，以及不正當(dāng)停車現(xiàn)象的發(fā)生，降低損失。車位鎖在沒有收到單片機(jī)發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測位置信號(hào)，如果發(fā)現(xiàn)位置發(fā)生連續(xù)改變，則開始進(jìn)行高響度蜂鳴器報(bào)警提示車位主[8]。

其工作原理為：車位鎖設(shè)備感應(yīng)到外力撞擊或是電量不足等故障時(shí)，電容放電，高音喇叭收到信號(hào)后報(bào)警，二極管發(fā)光變紅以提示使用者，采用無源蜂鳴器報(bào)警。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

車位鎖的程序設(shè)計(jì)如下：根據(jù)主程序要求對各控制升降、超聲波感應(yīng)的子程序各自編碼，再依靠主程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊連接，調(diào)試主程序，完成整個(gè)程序的編寫。車位鎖業(yè)務(wù)流程圖如圖3所示，單片機(jī)上電后，檢測車位有無來車，判斷用戶是否順利停進(jìn)車位，順利停入車位后進(jìn)行計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)，從而完成車位共享的過程。

1.2.1 鎖臂升降流程

在單片機(jī)掃描子程序時(shí)，進(jìn)行上升檢測，傳輸信號(hào)為上升時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)上升;傳輸信號(hào)為下降時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。程序流程圖如圖4所示。

1.2.2 計(jì)時(shí)子程序流程

為防止車位空閑時(shí)被人惡意占用，設(shè)定計(jì)時(shí)子程序以定時(shí)關(guān)閉車位鎖。程序啟動(dòng)后，以運(yùn)行5 min為節(jié)點(diǎn)，當(dāng)起降桿降落5 min無操作后，起降桿自動(dòng)升起，關(guān)閉車位。

2 自感應(yīng)車位鎖的實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件實(shí)現(xiàn)

將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后，鎖臂的升起以及下降的子程序能互相調(diào)用。通過APP發(fā)出指令，單片機(jī)接收上升或下降信號(hào)，從而控制鎖臂的升起和下降。在鎖臂上升過程中，若接收到下降的信號(hào)，則停止上升。在鎖臂下降過程中，若接收到上升信號(hào)，則停止下降。車位主和用戶均可通過APP發(fā)送指令，手機(jī)端APP界面（單機(jī)版）如圖5所示。

2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

將程序代碼燒錄入STM32單片機(jī)后，進(jìn)行實(shí)物連接，圖6為組裝完成的自感應(yīng)車位鎖樣機(jī)。

固定端硬件連接如圖7所示，將硬件逐一按步驟連接，步進(jìn)電機(jī)由STM32核心板上的三個(gè)端口PA0，PF0，PF1控制;PA0與L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的IN3相連，GND與L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的IN4相連，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的OUT3，OUT4與步進(jìn)電機(jī)相連接，用以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

超聲波模塊HC-SR04具有VCC，GND，TRIG，Echo四個(gè)端口。TRIG接PF1，Echo接PA0，VCC接5 V端口，GND接GND。

2.3 實(shí)物檢測

2.3.1 電壓測試

根據(jù)12 V直流電機(jī)、超聲波傳感器等模塊供電需求，綜合考慮采用1.5 V 一號(hào)鉛酸電池8節(jié)組成供電源，共計(jì)12 V，滿電電壓在13 V左右。如果檢測到電量低于10 V，在一段時(shí)間后不能維持車位鎖繼續(xù)工作的情況下，則報(bào)警示意提示該處車位鎖需要更換電池。

2.3.2 測距實(shí)驗(yàn)

超聲波傳感器水平測距實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1所示，表格中的實(shí)際距離是通過卷尺測量的從超聲波探頭到墻壁之間的距離，測量距離就是用超聲波測距量的距離。從這幾組數(shù)據(jù)可以看出來最大相對誤差為1.50%，應(yīng)用于車位鎖時(shí)滿足水平方向障礙物檢測要求。

3 結(jié) 語

車位共享是共享經(jīng)濟(jì)熱潮的持續(xù)發(fā)展，是進(jìn)入現(xiàn)代化社會(huì)的新契機(jī)[9]。將私家車位的閑置時(shí)段進(jìn)行對外出租，這種共享模式為解決停車難的問題提供了一種新思路[10]。本文設(shè)計(jì)的基于超聲波測距技術(shù)的自感應(yīng)共享車位鎖與特殊的車位鎖擺放位置相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全方位提供智能化停車服務(wù)和車位閑置時(shí)的共享功能，與市面上已經(jīng)出現(xiàn)的車位鎖比較，更加方便快捷;同時(shí)有效地解決了社會(huì)上停車難的問題和實(shí)現(xiàn)了閑置資源的高效利用，也保證了私家車位的個(gè)人所有性質(zhì)，給車主帶來優(yōu)良的停車體驗(yàn)，對未來的智能化停車形式奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為嚴(yán)李強(qiáng)。

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