智慧停車車庫系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要：為解決因高峰車流集中導致的停車場靜態(tài)交通問題，設計了一種基于STM32控制核心的智慧停車車庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過用戶APP平臺、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及車庫管理系統(tǒng)3個模塊與車庫停車環(huán)境進行交互，用戶可以選擇自動和手動兩種模式，實現(xiàn)高峰時段快速預約存取車，提高車庫通行效率，助力智慧停車管理向更精細化、智能化的方向發(fā)展。

關鍵詞：靜態(tài)交通；智慧停車；STM32；APP；數(shù)據(jù)傳輸；車庫管理；預約存取車

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-0-05

0 引 言

目前，我國很多中小停車場采用具有車牌識別功能的自動車輛管理系統(tǒng)[1]，在一定程度上提高了停車的智能化程度，減少了人力成本，但這種停車場也存在管理及設備維護成本較高、高峰時期通行效率低下等問題[2-3]。對此，本文采用嵌入式STM32處理器設計了車庫存取車智能控制系統(tǒng)，將車庫系統(tǒng)與設計的APP端相結合，用戶在手機終端可查看車庫現(xiàn)場監(jiān)控，快速實現(xiàn)存取車操作。該系統(tǒng)能在減少車庫運營成本的基礎上，有效提高進現(xiàn)有的車庫智能化水平，提升用戶存取車體驗，極大地方便用戶的生活。

1 智慧停車車庫系統(tǒng)設計方案

智慧停車車庫系統(tǒng)架構如圖1所示，設計的智慧停車車庫系統(tǒng)分為3個部分：用戶APP平臺模塊、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模塊、車庫管理系統(tǒng)模塊[4-5]。

車庫管理系統(tǒng)由STM32作為主控，步進電機為驅動模塊；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以通過4G模塊、藍牙模塊、云服務器與車庫管理系統(tǒng)與用戶APP終端實現(xiàn)信息交互，遠程獲取車輛存放信息；用戶APP平臺可以在手機上直接進行操作，在高峰時段進行存取車智能預約，APP內置管理員模式，系統(tǒng)管理員可通過此模式進入車庫系統(tǒng)后臺，實時查看各車庫存放車輛情況，用戶忘記取車密碼時還可以進行重置等操作。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)的主控模塊采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6，主控芯片原理如圖2所示。該芯片有112個通用I/O口，通用I/O口用于智能車庫系統(tǒng)連接外設，多余的I/O口用于后續(xù)智能車庫的更新升級。該芯片擁有512 KB的FLASH，能夠處理和接收車庫各個外設的數(shù)據(jù)并進行處理和更新。系統(tǒng)的4G模塊連接阿里云服務器，并實時更新車庫狀態(tài)信息；超聲波模塊用于判斷是否有車輛停放，并實時更新車位信息。由于智慧停車車庫管理系統(tǒng)采用智能化管理模式，除了系統(tǒng)管理員外，不需要其他工作人員，因此在保證安全性方面，通過在車庫安裝粉塵傳感器和空氣質量傳感器來判斷車庫是否有大量灰塵或者有害氣體殘留，當粉塵或者有害氣體超標時，車庫內部風扇啟動通風系統(tǒng)，并且及時進行報警。

2.2 監(jiān)控模塊

智慧停車車庫管理監(jiān)控系統(tǒng)[6]采用ESP32-CAM攝像頭模組，這款攝像頭成本低、功耗低且具有很強的可擴展性。系統(tǒng)通過4G模塊將監(jiān)控視頻流傳輸至阿里云服務器，并連接到開放端口。通過TCP協(xié)議進行3次握手，將視頻流以字節(jié)流格式傳輸至云服務器，再將該端口映射到車庫監(jiān)控網(wǎng)頁，方便用戶在網(wǎng)頁上實時觀看車庫錄像。視覺模塊基于視頻圖像處理算法，可自動調節(jié)監(jiān)控圖像清晰度，并隨時拍照保存至數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)觀看車庫錄像回放。服務器、網(wǎng)頁和APP都設有保密措施，以防止視頻流數(shù)據(jù)外傳，極大地保證了車庫錄像的安全性和保密性。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3所示。

2.3 超聲波模塊

系統(tǒng)超聲波模塊采用HY-SRF05超聲波模塊，其有效識別距離為4.5 m，其能夠通過超聲波傳感器獲取的數(shù)據(jù)來確定車庫中車輛的停放狀態(tài)。超聲波測距傳感器通過發(fā)射器發(fā)射信號后，根據(jù)超聲波接收器收到回響信號的時間間隔來確認車輛的距離，還可在車庫超聲波模塊搭載的顯示屏顯示車輛與車庫內部傳感器的距離。在接近車庫墻壁時，通過語音提示用戶注意停車車距，防止磕碰車身[7]。超聲波模塊原理圖如圖4所示。

2.4 粉塵氣體識別模塊

智慧停車車庫系統(tǒng)使用的是GP2Y1010AU0F傳感器，這是一款光學空氣質量傳感器，可以檢測現(xiàn)場的煙氣、花粉、粉塵等。該傳感器具有體積小、重量輕、便于安裝的特點，輸出值為模擬值，與現(xiàn)場空氣環(huán)境中的粉塵體積分數(shù)成正比，其工作原理如圖5所示。主控系統(tǒng)通過讀取傳感器的數(shù)據(jù)，判斷車庫內部的空氣質量，如果質量超過預先設置的閾值，將會啟動風扇通風系統(tǒng)，進行車庫的通風換氣，直到車庫氣體質量恢復至正常數(shù)值。

2.5 空氣質量傳感器模塊

智慧停車車庫系統(tǒng)的空氣質量傳感器采用MQ-135傳感器，該傳感器對空氣質量、有害氣體的檢測有較好的靈敏度，其通過模擬值輸出，將當前環(huán)境的空氣質量數(shù)據(jù)實時傳輸給單片機，根據(jù)預先設置好的閾值判斷當前空氣質量情況，若超出閾值，會進行報警，打開通風系統(tǒng)進行換氣，直至氣體體積分數(shù)正常。其工作原理如圖6所示。

2.6 電機傳動裝置

智慧停車車庫系統(tǒng)采用42步進電機及步進電機驅動器作為本系統(tǒng)的電機傳動裝置。42步進電機具有高精度、低噪音、低功耗等優(yōu)點，符合本系統(tǒng)的高精度控制要求，工作原理如圖7所示。通過DC電源給驅動器直接供電，主控模塊和步進電機驅動器共地，對驅動器的撥碼開關進行配置，然后通過驅動器上的PUL和DIP接口對步進電機進行轉動控制，PUL控制脈沖信號，DIP控制電機方向。通過給驅動器不同的脈沖信號，可以控制步進電機的轉動圈速，從而實現(xiàn)對車庫電機的精確控制。電機傳動裝置由主控模塊控制，主控模塊接收到APP的自動存取車信號后，驅動步進電機挪動車庫到達指定位置，待感應到車輛存取成功，驅動電機返回原先位置，從而完成一次電機移動車庫的控制過程。

3 軟件功能

3.1 車輛識別與監(jiān)控

智慧停車系統(tǒng)能夠利用車庫內置的超聲波傳感器來檢測車輛的進出情況以及是否已正確停放。車庫的監(jiān)控系統(tǒng)基于TCP協(xié)議運作，通過攝像頭捕獲監(jiān)控畫面，并將視頻流實時上傳至云服務器。云服務器上的數(shù)據(jù)庫會將這些視頻流存儲到指定的文件夾中。當用戶需要查看時，系統(tǒng)會從數(shù)據(jù)庫中調取相應的視頻流，然后通過云服務器的轉發(fā)端口將其傳輸至智能車庫的監(jiān)控網(wǎng)頁。用戶無論是在手機APP上還是在電腦網(wǎng)頁上，都能實時觀看停車位的監(jiān)控視頻。

3.2 智慧存取車

圖8為智慧停車車庫系統(tǒng)的用戶APP平臺存取車流程，用戶進入車庫前可通過APP查看停車場是否有剩余車位，如果有剩余車位可提前設置存車密碼，再行駛至對應位置存車；當車位檢測到用戶已經停好車輛，APP更新車庫停放狀態(tài)。若用戶取車時忘記停車車位編號，可通過APP平臺內置的監(jiān)控系統(tǒng)，查看車輛停放狀態(tài)；若用戶忘記停車密碼，可聯(lián)系車庫管理員查看或重置取車密碼，用戶輸入正確密碼后，即可通過存取車通道完成存取車；待車庫檢測到用戶取車離開，車庫管理系統(tǒng)用戶APP平臺會實時更新車庫停放狀態(tài)[8]。

4 智慧停車車庫系統(tǒng)測試

4.1 應用場景

以雙層平移的5車位小型車庫為例，應用本文設計的智慧停車車庫系統(tǒng)，具體應用場景如圖9所示。

圖中車庫共有5個車位，采用雙層平移結構，上層車位存取車需先平移下層車位，再下降上層平臺，完成存取車過程。1～3號車位為上層車位，停取車只能上下移動；4～5號車位為下層車位，只能左右移動[9]；下排車位上的汽車車主在APP輸入正確的密碼，車庫門打開后可以直接開出；上排車位的汽車要想開出，車主應在APP選擇相應的取車按鈕，并輸入正確密碼，等待下方車位移開，上方車位下降，車庫門打開后再開出車輛。

4.2 存取車終端的實現(xiàn)

（1）自動模式

智慧停車車庫系統(tǒng)APP平臺是通過APP Inventor編輯工具開發(fā)設計的一款管理員和用戶交互的APP。用戶打開智慧停車車庫用戶APP平臺，在存取車終端的自動模式下可以看到的界面如圖10所示。

本文設計的存取車APP平臺內置了多種數(shù)據(jù)連接方式，可通過藍牙、WiFi、4G等與APP進行數(shù)據(jù)互聯(lián)和獲取。點擊“實時監(jiān)控”，可以看到車庫監(jiān)控到的實時畫面，便于用戶查看是否有空余車位；點擊“取車”鍵，在用戶取車界面輸入存車時用戶設置好的密碼，若顯示密碼正確，車庫會自動移動到存取車通道，密碼錯誤時會彈出密碼錯誤警告，此時可重新輸入或者找管理員重置；點擊“存車”鍵，在用戶存車界面可以查看是否有剩余車位可以停車，如果有剩余車位，可以選擇相應的車位，點擊停車，輸入4位密碼，即可設置成功；在自動模式下，車庫會移動至相應的存取車通道，等待用戶存車。本款APP還設置了主題切換功能，根據(jù)用戶的喜好可以切換不同的主題，目前系統(tǒng)自帶4款主題，可點擊切換主題按鈕進行不同主題的切換。APP設置的管理員模式可以幫助車庫管理人員了解車輛運行狀況，以更高效地管理車庫，在管理員模式下還具備查看、修改及重置密碼等功能。管理員還可以遠程觀看車庫當前環(huán)境情況、遠程控制風扇通風系統(tǒng)進行通風、移動車庫位置及對車庫進行急停等線上控制。當用戶或者管理員使用停車APP平臺時，APP會發(fā)送相應的數(shù)據(jù)給主控模塊，主控模塊接收到數(shù)據(jù)后，按照程序邏輯去處理數(shù)據(jù)，電機傳動裝置則根據(jù)主控模塊的信號移動車庫，并在移動到位后給予APP當前車庫信息的反饋。

（2）手動模式

智慧停車車庫系統(tǒng)還配置了手動控制裝置，如圖11所示。手動控制裝置采用矩陣鍵盤的設計[10]，通過行列式掃描技術來檢測每個按鍵是否被按下。用戶可以通過這個手動控制裝置輸入車位的存取車密碼，并執(zhí)行存取車操作。在管理員模式下，手動控制裝置還具備重置取車密碼的功能，并且可以直接控制車庫的移動操作及車庫系統(tǒng)內部通風系統(tǒng)的開啟和關閉。

5 結 語

智慧城市的發(fā)展離不開各項科技的支撐，隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術的發(fā)展，必然趨向于車輛管理與復雜環(huán)境感知的深度融合。本文設計了一種以STM32為核心控制器的智慧停車車庫系統(tǒng)，并成功將其應用于雙層平移式小型車庫中，顯著提升了存取車的效率，為智慧車輛管理領域提供了一種可行的解決方案。未來，智能終端與智慧停車平臺的緊密結合必將推動城市朝著更加智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的方向邁進。

注：本文通訊作者為陳樂珠。

參考文獻

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