智能車位控制系統設計

楊 華，李自成，伏錦勝，張宇軒，賈 磊

（成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000）

隨著國民經濟的快速增長，汽車已成為人們出行必備的交通工具[1]。汽車保有量的增長導致停車位的需求量日益增加。據調查，2022 年我國停車位需求量為4.07 億個，而目前擁有停車位數量僅為1.31 億個。停車位供求不平衡勢必導致車輛亂停亂放，更有甚者因車位被占用而發生激烈沖突。由此智能車位控制系統應運而生，但是市場上廣泛使用的車位控制系統普遍存在功能簡單、操作不便等缺點。本文利用基于物聯網Wi-Fi 的SKW93A 模塊設計了一種智能車位控制系統。相比于傳統車位控制系統，該設計融入自動升降、車位出口擁堵報警、停車燈光指引、閑置共享、手機智能控制等功能，在車位的使用和管理方面更加智能和方便。

1 智能車位控制系統的組成及工作原理

車位智能控制硬件系統主要由Wi-Fi 無線通信模塊、紅外對射傳感器、紅外測距傳感器、顯示模塊、申請按鍵模塊、舵機驅動模塊、語音提示模塊、燈光指引模塊、電源等模塊構成。模塊化設計使控制系統更易于操作和調試。利用SKW93AWi-Fi 模塊組的Station工作模式，連接與Wi-Fi 熱點和密碼相匹配的手機局域網，通過相關軟件實現對智能車位硬件部分的控制。紅外對射傳感器用于檢測車位上是否停有車輛。紅外測距傳感器用來檢測車輛是否離開以及車位出口是否擁堵，語音提示模塊根據具體情況發出相應的語音提示。顯示模塊用于顯示車位實時狀態。燈光指引模塊方便用戶快速找到停車位。申請按鍵模塊可以實現車位空閑時進行車位共享。智能車位控制系統硬件結構框圖如圖1 所示。用戶在進入智能車位控制系統連接有效范圍內，系統就會自動連接到手機熱點，同時軟件進入工作模式。在手機軟件上可實時看到車位的當前狀態。紅外對射傳感器檢測到停車位上有車輛，顯示屏上會顯示“有車輛”的提示信息，同時手機軟件界面也會提示有車輛。在車位沒有車輛停入的情況下，用戶可通過手機軟件來解鎖智能車位控制系統的機械結構，駛入停車。當紅外測距傳感器檢測到車位出口前方出現擁堵時，語音提示模塊會發出警示聲音“車位擁堵，請離開”，顯示屏上會顯示出“有障礙”的提示信息。當車位閑置時，智能車位控制系統裝置設有閑置申請共享停車位功能，有其他停車需求的用戶只需要按一下智能車位控制系統裝置上設置的申請停車按鈕，車位擁有者手機軟件就會收到停車請求，同意后可自動打開硬件裝置。

圖1 智能車位控制系統結構框圖

1.1 SKW93A 無線Wi-Fi 模塊組

雙頻WiFi 模塊SKW93A 在于具備更強更穩定的WiFi 無線信號，更高速的傳輸速度，并且可以讓無線設備更省電，滿足未來高清以及大數據無線傳輸需求。SKW93A 是一款集成MT7628A，MT7610E 雙芯片的ac AP/Router 雙頻WiFi 模塊，具備高性能，高集成的無線AP 解決方案模塊！SKW93A 內置580M 雙內核，對于消費電子設備，該模塊僅需要外部3.3V 電源。SKW93A 符合802.11a/b/g/n/ac Wi-Fi 標準，能同時在2.4GHz 和5GHz 雙頻工作，3×3 MIMO，分別是2×2 MIMO 2.4GHz，1×1 MIMO 5GHz！在2.4G 頻段下，傳輸速度可達300Mbps；在5GHz 頻段下，傳輸速度可達433Mbps！有2 個串口，USB，IIS，IIC，SD；帶有1個WAN，2 個LAN。模塊支持AP 模式、客戶端模式、中繼模式和串口WiFi。整個智能車位控制系統裝置在運行過程中，Node MCU 各引腳的輸入和輸出電壓應不高于3.3V，輸出電流的最大值是12mA，防止電壓或電流過高而損壞模塊。在本設計中Wi-Fi 模塊組作為整個裝置的核心，既要同手機軟件進行無線連接，又要控制智能車位控制系統各組成單元的動作，手機軟件與智能車位控制系統裝置聯調成功才能保證各功能的實現[2]。

1.2 紅外對射傳感器

車位中是否停有車輛，依靠紅外對射傳感器來檢測。紅外對射傳感器由發射端、接收端、光學透鏡等組成，其原理是紅外二極管發射紅外射線，當有車輛停入車位，阻擋了對射傳感器接收端接收紅外線，進行信息處理，在手機軟件和顯示屏上顯示有車輛[3]。該模塊具有體積小、便于裝配、抗干擾能力強等優點，在設備避障、循跡等方面應用廣泛。可以通過調節模塊中的電位器旋鈕來調節檢測距離。本設計選擇HMSensor 紅外傳感器模塊，該模塊的共有三個引腳，VCC引腳在該裝置中接入3.3V 電壓，GND 引腳外接地，OUT 引腳接Wi-Fi 模塊組的D1 引腳。

1.3 紅外測距傳感器

紅外測距傳感器用來檢測車位出口是否有車輛等障礙物堵塞。在本設計中選用 GP2D12 紅外測距傳感器，工作電壓4.5V～5.5V，輸出的模擬信號電壓值為0.4V～2.4V，測定角度大于40°，符合智能車位系統裝置在實際環境中的應用[4]。該傳感器包括一對紅外發射與接收二極管，有靈敏度高、反應速度快等特點。工作原理是發射二極管發出一束紅外光線，在一定范圍內照射到擁堵出口的車輛上，紅外光線形成反射，配合主控芯片的處理，判斷車位前方車輛是否有車輛擁堵出口。如果障礙物擁堵車位出口，裝置中的語音提示模塊將發出“擁堵車位出口，請離開”警報聲音，同時顯示屏和手機軟件都會顯示“有障礙”。

1.4 舵機驅動模塊

舵機是集成了電機、電機控制器和減速器等元件的伺服單元，智能車位系統閘機機械結構是依靠舵機轉動來驅動，閘門機械結構的開合程度由舵機轉動角度來確定。本設計選用SG90 舵機，工作電壓3.5V～6V，可實現360°旋轉，控制精度達到0.35°，具有價格便宜、扭矩大、壽命長、性能穩定等優點，能夠滿足智能車位系統裝置的具體設計要求。根據不同的車位環境，調節舵機的轉動角度，從而控制閘機開鎖[5]。手機軟件與智能車位系統裝置進行聯調，可控制舵機驅動智能車位系統硬件系統的開合。

1.5 顯示模塊

顯示模塊用來顯示車位里是否停有車輛，車位出口是否有障礙物阻擋，是否有用戶申請共享停車位等信息，本設計選用0.96 寸OLED 顯示屏，具有功耗低、高分辨率、超大可視角度（大于160°）的特點，工作電壓3V～5V，兼容3.3V 和5 V 電平邏輯。模塊使用I2C 通訊，四個端口分別連接到Wi-Fi 模塊組上。根據車位的實際情況顯示“有車輛”“無車輛”“有障礙”“無障礙”“有申請”“無申請”等信息。

1.6 語音提示模塊

智能車位系統裝置發出警示和車輛進入停車位都需要進行語音提示。本設計選用JQ8900-16P 語音模塊[6]。該模塊功能豐富，能靈活更換SPI-Flash 內的語音內容。支持USB 接口和標準串口，輸入電壓DC 2.8V～5.5V，IO 電平3.3V，工作電流10mA，能很好適應整個裝置的電壓標準。該模塊抗干擾能力強，可在各種惡劣環境中穩定運行，適應工作溫度可達80℃，工作濕度最高達到95%，適應各種室內室外車位的需要。當有車輛停入車位時，語音提示模塊會提示“車輛已駛入”；車位出口被阻擋時，語音模塊會提示“擁堵車位出口，請離開”。用戶需要聲光指引時，模塊也會發出警示，提示指引用戶盡快找到車位。

1.7 三基色LED 模塊

三基色LED 模塊是在手機控制智能車位控制系統的情況下，可分別顯示紅、綠、藍三種顏色，手機設定可三種顏色的亮度，從而在光線不足的情況下指引用戶停車位的方向。

2 系統軟件設計

程序啟動過程為：初始化硬件→連接Wi-Fi 模塊→配置服務端內容→查詢硬件→控制部分硬件→傳遞網絡服務請求。

在共享車位模式下，需要用戶按下停車申請按鈕發出申請，車位擁有者在手機軟件上進行確認或拒絕操作，實現車位資源的最大化利用[7]。共享車位模式流程如圖2 所示。

圖2 共享車位流程圖

當用戶需要停車時。首先進行初始化，車位系統處于關閉狀態，當用戶靠近車位裝置時，自動連接手機熱點，手機軟件自動發出指令解鎖硬件裝置，通過WIFI 模塊執行解鎖指令，舵機進行工作，解鎖裝置，通過紅外測距傳感器檢測車位出口的狀態，如果車位出口被擁堵，則將進行語音報警，在顯示屏和手機軟件上顯示“車位出口被擁堵”的字樣。若車位出口沒有被擁堵，則在顯示屏和手機軟件上面顯示“車位出口無阻擋物”的字樣，便于司機實時操控車輛。若是在共享模式狀態下，用戶可以進行共享車位申請，申請之后將反饋到車位主人手機軟件APP 上，若車位主人同意共享車位申請，則車位主人可通過手機軟件APP 進行車位解鎖，通過舵機進行解鎖車位，當解鎖完成后，將進行語音提示以及顯示屏和手機軟件APP顯示“已解鎖”字樣，若解鎖未完成，則通過舵機進行二次解鎖[8]。

3 結語

本文以SKW93A 無線Wi-Fi 系列開發板Node MCU為主控制器，利用二次聲明開發的手機軟件來實時監測車位的情況，利用紅外傳感器和測距傳感器來檢測車位所處的環境狀態。智能車位控制系統硬件與軟件在一定的范圍內，能成功進行無線連接并進行聯調。車位的狀態能實時顯示在顯示屏和手機軟件上。可順利進行遠端打開和關閉車位閘機操作，實現了智能管控停車位，為車位擁有者節省了人力成本。設計的按鈕申請共享停車位功能，有效提高了車位資源利用率[9]。