基于藍牙Mesh的智能車位檢測控制系統設計與實現

摘" 要：為解決老舊停車場更新停車管理系統成本高、維修困難、能耗大等問題，設計了基于藍牙Mesh本地組網和云端服務器的智能車位檢測系統。該系統具有低能耗、維修簡便、安裝成本低、操作簡單等優點。選擇了功耗低、價格實惠的超聲波監測技術，并詳細設計了硬件和軟件方案，實現了精確的車位檢測和數據傳輸功能。經過軟硬件測試，結果顯示該系統運行穩定可靠，通信性能優良，維護成本低。這一設計為未來智能停車場管理提供了創新的解決方案。

關鍵詞：STM32；Mesh組網；智慧停車

中圖分類號：TN92；TP315；U491.7+1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）01-0171-06

Design and Implementation of Intelligent Parking Space Detection and Control System Based on Bluetooth Mesh

Abstract： To solve the problems of high cost， difficult maintenance and high energy consumption in upgrading the parking management systems of old parking lots， an intelligent parking space detection system based on Bluetooth Mesh local networking and cloud servers is designed. This system has the advantages of low energy consumption， easy maintenance， low installation costs and simple operation. The ultrasonic monitoring technology with low power consumption and affordable price is selected， and the hardware and software schemes are designed in detail to achieve accurate parking space detection and data transmission functions. After the software and hardware tests， the results show that the system operates stably and reliably， has excellent communication performance and low maintenance costs. This design provides an innovative solution for future intelligent parking lot management.

Keywords： STM32; Mesh networking; intelligent parking

0" 引" 言

中國已成為全球最大的汽車消費市場，據公安部最新統計，截至2023年底，全國機動車保有量達4.35億輛。2024年3月，汽車產銷分別完成268.7萬輛和269.4萬輛，環比分別增長78.4%和70.2%，同比分別增長4%和9.9%[1]。由此帶來的交通擁堵，停車困難成為政府部門管理的新挑戰，因此解決停車問題在城市建設中就具有一定的重要性[2]。

國外停車場系統采用的車位智能化監測的專用設備，制造工藝精良，可是造價高昂，技術難度大，維護和能耗的成本也相當的高。為使某塊地區所有停車場能夠得到統一的調度管理，一個維護簡單，低耗能的車位監測系統是必須的。

目前我國停車場管理系統普遍的將重點均放在計費管理功能上，關注的是單個車輛停靠時間以便于計算時長進行計時收費。采用的管理方式多為基于一體化高清識別攝像機的車牌識別系統。關于車牌識別技術的研究，可以追溯到20世紀90年代的交通智能研究，最重要是對于智慧交通中車牌識別的研究。漢王眼是目前國內關于車牌識別十分成熟的系統，是由中國中科院設計開發的一整套智能系統。

近幾年，隨著停車需求的不斷增長，因此停車場管理系統也向大型化、復雜化和高科技化方向發展，停車場的規模也趨于大型化。但其重點多在于發展閘口的進出計費系統，而內部的管理系統多采用圖像識別功能進行車位監控，其耗能、維修成本都較為高昂。

因此，隨著停車場管理系統的下一個發展方向將是智能化、網絡化、集成化、人性化、商業化。提高停車場智能交通系統的信息互動以及運行效率，把相關領域的成果及時并完善的應用到智能停車場的發展和建設中是當前停車場研究領域的重中之重。

而基于藍牙Mesh來實現的智能車位監測解決了用戶無法隨時了解場內的車位信息，提高了城市靜態交通的處理效率，對于城市建設有及其重要的幫助作用。超聲波監測技術與藍牙技術結合的方式相較于傳統的圖像識別進行車位監控有著耗能更低、維修更方便、安裝成本更低廉等優點。

1" 系統設計

1.1" 系統框圖

如圖1所示，傳感節點將檢測每個車位上是否有車輛，然后傳感器的輸出將被發送到單片機并處理數據，然后通過藍牙Mesh網絡，經中轉節點，到達上傳節點，最后通過上傳節點處理數據，并將其上傳至云端服務器以供用戶查看。

1.2" 工作系統設計

圖2中顯示了每個車位上安裝的所有傳感器。每個車位上安裝三個傳感器，利用三個傳感器將能夠準確檢測出車位上是否停靠車輛，也即停車場的車位利用情況。上傳節點會每隔一段時間喚醒中轉節點，當中轉節點被喚醒后，將會向傳感節點發送喚醒信號。當一個空車位有車輛停靠時，被喚醒的傳感節點將會檢測到，在將數據進行處理后，發送給中轉節點，在發送完成后傳感節點進入休眠等待下一次喚醒。中轉節點將數據包再次轉發，直至上傳節點接收到數據。中轉節點在發送過數據后也將會進入休眠狀態，等待下一次喚醒。上傳節點在接收到數據后，對其進行處理，處理完成后，將相關數據上傳到云端服務器。為保證車位信息的及時性，上傳節點的喚醒信息時間可以設置為1～3分鐘/次。可以根據現場調整喚醒時間。

2" 系統硬件設計

如圖3所示，本設計基于STM32主控制器，選用HC-SR04超聲測距模塊為傳感器，JDY-24M藍牙Mesh模塊用于Mesh組網進行通信。節點在硬件上主要按照功能的不同分為三類，一類是加入傳感器模塊用于采集環境數據，一類是簡易型，只用來中轉數據和進行休眠喚醒，最后一類則是加入顯示模塊，要與服務器直接通信。三者在整體電路上類似，均需要收發藍牙Mesh組網數據的射頻電路，不同之處在于部分加入了傳感器模塊的設備需要電池供電，其余設備則是可以根據現場情況選擇電池供電，或者選用直流供電。

2.1" STM32單片機控制器

STM32F103單片機作為主控制器，這款單片機采用32位的Cortex-M3內核，它擁有強大的計算能力和高效的指令執行速度，能夠完成復雜的數據處理和控制任務。同時，STM32F103還具有豐富的外設資源，包括多個通信接口、模擬輸入輸出、定時器、中斷控制器等，能夠滿足多種應用需求。由于它集成度高、程序模塊化、接口簡單、具有豐富的外設資源、性價比高、低功耗等優點[3]，適合于電池供電或功耗敏感的應用。它采用模塊化的設計方式，組成部分包括：1）ARM Cortex-M處理器；2）存儲器系統；3）時鐘系統；4）外設；5）電源管理；6）調試接口。

在本設計中，選用STM32F103C8T6為主控制器，主要用于處理超聲波測距模塊返回的模擬量，將其轉化為數字量，并通過串口輸出，交由藍牙模塊發送到Mesh網絡。

其中超聲波模塊的Trig和Echo接口分別與STM32的PA0和PA1相連，PA0設置為推挽輸出，當輸出持續時間至少為10 μs的脈沖時，就可以激活HC-SR04使其開始測距。

PA1設置為下拉輸入，IO口為低電平，當HC-SR04被激活時，由PA1接收Echo返回的脈沖。當PA1接收到脈沖后會進入定時中斷，每當到達自動加載值后，標志位自動清零同時設定的計數變量加一，如此循環往復直至PA1所接收的脈沖結束。此時計數變量與周期相乘，就是Echo輸出的脈沖時長。設置定時計數器為向上計數模式，在向上計數模式中，計數器從0計數到自動加載值，設定自動加載值為0.000 1 s。

而藍牙模塊是通過串口與STM32通信，即TXD、RXD和PA9、PA10交叉連接。在藍牙模塊接收Mesh網絡內的數據包發送給STM32和STM32向藍牙模塊發送數據包時，由于數據包較大，故使用數組的方式接收和發送數據。

在設置好數據包的格式后，計算數組長度，和接收時的包頭包尾，以保證接收的數據不會出現缺失或混亂。當接收到一條數據，包頭包尾相同，且錄入的數組長度相同時，則可以認為接收的數據是有效的，否則認為無效。通過這種方式來確保接收數據的準確和有效性。

包頭設置為0x41，包尾設置為0x0A，數組長度為10，每個數組存儲兩位十六進制數。

2.2" HC-SR04超聲波測距模塊

在本設計中用于檢測車輛是否入庫的傳感器，采用雙探頭的工作方式。雙探頭的工作方式是指發射超聲波和接收超聲波使用兩個不同的探頭。從單探頭盲區產生的這種層面上來分析，采用雙探頭的工作方式可以徹底消除盲區，并且可以增大測量的距離。但是，在實際應用中，由于發射探頭和接收探頭間的距離很小，并且聲波有衍射的特性，超聲波發射探頭發出的波可能不經過障礙物的反射而直接繞道到接收探頭上，造成了誤報，因此，實際上盲區仍然是存在的，不過雙探頭的盲區比單探頭下的小許多，基本達到工程需要。所以，本文選取了雙探頭的工作方式[4]。故選擇HC-SR04模塊，其有著簡單易用、測距范圍廣、準確度高、功耗低、價格低廉等優點。測量范圍在2～400 cm之間，精度可達到3 mm，足以滿足本設計的要求。而在實際使用中，其高精度和低功耗的特點可以使單個節點的工作時長以及檢測精度都滿足需求。

圖中，Trig引腳用于觸發超聲波脈沖。Echo引腳在接收到反射信號時，引腳產生一個脈沖。脈沖的長度與檢測發射信號所需的時間成正比。當持續時間大于10 μs的脈沖施加到Trig引腳時，傳感器會射八個40 kHz的超聲波脈沖信號，這些超聲波信號使接收器能夠將發射模式與環境超聲噪聲區分開，以此來排除干擾，實現準確測量。在八個超聲波脈沖發出后，Echo引腳變為高電平，開始記錄回聲脈沖，當接收到反射回來的超聲波脈沖后，Echo引腳就會變低。這樣就相當于產生了一改脈沖，其寬度在150 μs至25 ms之間。根據脈沖的長度，即可計算出所測物體的距離。其公式為：

物體距離 = 0.034 cm/μs×脈沖寬度

而如果這些脈沖沒有被反射回來，則回聲脈沖將在38 ms后超時并返回低電平，表示38 ms的脈沖在傳感器范圍內沒有阻塞，即所測量的物體超過最大測量范圍[5]。

2.3" JDY-24M模塊

藍牙Mesh組網作為本地組網網絡的解決方案，原因便是藍牙Mesh協議棧是基于BLE的協議棧基礎上的網絡層協議，其基本包括了BLE在成本、功耗以及安全性等方面上的優點，是作為室內組網的解決方案的優先選項，目前已廣泛應用于燈控市場。可以看到，藍牙 Mesh 有很多加密、解密的過程，所有傳輸的數據包都必須經過各種算法加密和驗證[6]。該規范采用網狀網絡替代傳統的星形網絡，以消息為中心，并引入發布-訂閱機制，從而實現多對多的通信[7]。

在BLE設計中，安全防護是可選的，但是在藍牙Mesh中，安全性不僅僅是單一的設備之間的安全性，而是整個網絡和每個設備的安全性，因此協議規定安全防護是強制執行的[8]。每個節點都會根據所收到的數據的目標地址判別是不是該設備需要的數據，通過這種方式實現設備之間無須網關的直接數據互聯[9]。

基于上述需求與參考，終端節點的主控制器的解決方案可分為低功耗單片機芯片+藍牙Mesh模塊或帶有藍牙Mesh通信單元的芯片。在充分考慮成本和設計方案后，選擇了低功耗單片機芯片+藍牙Mesh模塊的方案。

在本設計中，藍牙Mesh模塊選用為JDY-24M模塊，其Mesh組網數量最大支持65280設備組網，采用多跳無線防碰撞技術，組網通信速度支持50 ms發16字節數據且通過其內置的組網NETID、短路地址，可以實現便捷高效穩定的組網功能。

JDY-24M超級藍牙功能支持主從透傳，iBeacon，BLE探針，iBeacon探測，MESH組網，MESH組網，單模塊支持路由節點與終端節點，路由節點支持數據中繼，終端節點支持低功耗，JDY-24M組網一般只需要配置好組網NETID、短路地址后，模塊將會自動組網[10]。

JDY-24M通過串口和STM32進行通信，將接收或要發送的數據包進行處理，進行數據加密、解密和鑒權認證，同時還處理包括藍牙Mesh好友連接功能相關的心跳和消息，負責應用數據的格式、定義以及為上層傳輸層的加密和解密提供必要的參數，同時還驗證接收到的數據是否為本網絡的數據。表1即為設定的Mesh通信格式。

例1：表示向網絡內所有設備廣播串口數據，網絡內所有設備串口輸出112233445566，完整指令：41 54 2b 4d 45 53 48 00 FFFF 11 22 33 44 55 66 0D0A。

例2：向網絡內0005設備發串口數據，數據內容為1122。

例3：向網絡內0008設備發串口數據有應答，數據內容為88990055。當CMD為01，表示有應答通信發射端可以知道數據是否被接收端接收到。

3" 軟件設計

3.1" 主程序設計

在程序啟動后，各節點首先自檢并初始化，連接進入Mesh網絡，并進入睡眠狀態等待喚醒，只有上傳節點始終處于正常工作狀態，當內部計時器達到喚醒時間后，上傳節點子程序運行，繼而喚醒中轉節點子程序，再由其喚醒傳感節點子程序。在傳感節點檢測完成后，將數據返回給中轉節點子程序，由中轉節點子程序將數據進行檢驗、重新分包后，在將其返回給上傳節點子程序。流程如圖6所示。

3.2" 子程序流程圖

如圖7所示，上傳節點是本系統中唯一不進行休眠的節點，當開機初始化完成后，進入正常運行狀態，主控制器內部的定時器也開始工作，當到達喚醒時間后，會通過Mesh網絡向所有中轉節點發送喚醒信號。待接收完所有數據后，則將數據進行校驗、處理，再發送至云端服務器。發送完成后，內部定時器再次開始工作，開啟下一輪循環。

如圖8所示，中轉節點在開機完成初始化后，進入睡眠狀態，只有在接收到上傳節點發送來的喚醒信號時，才會進入運行狀態，并同時向傳感節點發出喚醒信號。等待管理的傳感節點都將數據返回后，將所有數據進行檢驗、重新分包，并將其發送至上傳節點。在發送完成后，進入睡眠狀態，等待下次喚醒信號的到來。

如圖9所示，傳感節點在初始化后，進入睡眠狀態，在接收到中轉節點的喚醒信號后，進入運行狀態，使用HC-SR04超聲測距模塊進行檢測，若檢測中出現錯誤則重新檢測，若未出錯，則將檢測到的數據進行處理，并將其發送到中轉節點。完成后進入休眠，等待下一次的喚醒信號。

3.3" 云端服務器

在上傳節點將數據重新整理后，將其送至云端服務器，云端服務器根據其數據，更新顯示內容，以便于用戶直觀的查看，界面如圖10所示。

4" 實驗與測試

本研究通過三個階段的測試進行，即正常系統測試、休眠喚醒功能測試、單節點功能測試。

4.1" 正常系統測試

如圖11～14所示，在此階段，將使用的節點進行組網，并傳輸數據進行測試。這樣做是為了查看系統能否正常運行進行。并將測試一系列針對測試睡眠喚醒功能的測試。當設定時間到達后，上傳節點喚醒睡眠的節點，若功能正常則所有節點正常工作。

4.2" 傳感節點運行測試

如圖15～16所示，在此階段，將測試檢測功能的準確性和及時性。如果節點正常運行，那么在檢測到傳感器返回的數據與上次的數據有差別，將會將新返回的數據進行處理，并發送給對應的中轉節點。

4.3" 各節點的續航測試

測試單個電源（1 000 mAh）的最大運行時長，如表2所示。

結合表2數據可得，各節點綜合續航時間（1 000 mAh）在130～329 h之間。

5" 結" 論

為提高停車場的停車效率，本文以STM32作為控制器實現智能車位檢測控制系統的硬件搭建和軟件設計，可以更直觀地了解各車位的情況。整體設計主要由三部分構成：傳感節點、中轉節點、上傳節點，三個節點相互配合完成系統功能。本設計以及應用環境較為簡單，今后將繼續研究在更加復雜的情況下的自適應引路功能。

參考文獻：

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[9] 余勝賢.基于藍牙Mesh和WiFi的智能家居控制系統設計與實現 [D].杭州：杭州電子科技大學，2023.

[10] 李沁霏.基于占空比模式的BLE Mesh協議性能與參數優化研究 [D].西安：西安電子科技大學，2023.