基于移動支付的自助停車控制系統(tǒng)

張海濤，陳向東

（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都611756）

隨著我國經(jīng)濟的高速增長，人民可支配收入提高以及汽車價格的下降，大城市私人汽車的保有數(shù)量近幾年來快速增加。汽車的增多不但加劇了交通堵塞，同時也帶來了日益嚴峻的“停車難”問題[1]，如找尋停車場困難、停車位供給不足、繳費效率低等?，F(xiàn)有的智能停車系統(tǒng)存在一些不盡人意的地方，如車輛需要刷卡才能進入停車場，造成排隊時間長的問題；有些停車場出口的計費結(jié)算依賴人工操作，效率低下且容易出差錯[2]。

為了提高停車效率，彌補傳統(tǒng)停車場的不足，基于Android和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了可自助停車的車位檢測與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)運用超聲波測距技術(shù)檢測停車位使用情況，ZigBee實現(xiàn)停車位節(jié)點的局域組網(wǎng)，通過停車場協(xié)調(diào)器可以對停車場中所有停車位進行高效方便的無線管理。停車場協(xié)調(diào)器在局域組網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過GPRS通信技術(shù)完成互聯(lián)網(wǎng)的接入，連接到系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)和Android客戶端App之間的命令交互和數(shù)據(jù)通信。

1 停車位檢測原理

車位鎖控制電路采用超聲波測距技術(shù)來實現(xiàn)停車位檢測[3]，超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波信號[4-5]，可以通過空氣進行傳播，具備方向性和良好的反射性[6]。模塊通過超聲波發(fā)射探頭T發(fā)射超聲波信號，信號在空氣介質(zhì)中直線傳播，當遇到障礙物或者被測物體時，產(chǎn)生反射，超聲波接收探頭R感應(yīng)到反射信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號[7]。

已知超聲波在空氣中的傳播速度為V，假設(shè)超聲波信號的發(fā)射時間為t1，接收時間為t2，可根公式1求出被測距離S[8]。

車位鎖控制器采用HC-SR04超聲波模塊實現(xiàn)測距，模塊安裝在電路板上，其探頭方向向上。設(shè)定一個閾值，當測距結(jié)果小于該閾值時認為有車輛存在，即停車位被占用，否則認為沒有車輛存在，停車位處于空閑狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為4個部分：車位鎖控制器、停車場協(xié)調(diào)器、Android客戶端App、系統(tǒng)服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

車位鎖控制器采用STM32單片機作為主控MCU，通過超聲波模塊探測停車位的使用情況，驅(qū)動步進電機模擬車位鎖翻轉(zhuǎn)臂升起和落下[9]。車位鎖控制器通過ZigBee無線組網(wǎng)，每個車位鎖作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點[10]。停車場協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡(luò)的組建和維護，管理車位鎖控制器節(jié)點，通過GPRS數(shù)據(jù)通信作為接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。Android客戶端App可以實現(xiàn)對停車場中車位鎖的升降控制和停車費用支付，系統(tǒng)服務(wù)器作為TCP Server來實現(xiàn)Android客戶端和停車場協(xié)調(diào)器之間的命令交互和數(shù)據(jù)通信，同時存儲停車場數(shù)據(jù)和用戶信息。

系統(tǒng)的工作流程：

1）用戶登錄手機終端App，通過地圖搜索附近的停車場，查看停車場內(nèi)停車位的使用情況。

2）用戶進入停車場，找到某個未使用停車位，通過App解鎖該車位上的車位鎖，待車位鎖翻轉(zhuǎn)臂落下后，駛?cè)胲囄煌＼嚕珹pp開始計時。

3）當用戶離開停車位時，通過App支付本次停車費用并生成歷史停車記錄，車位鎖控制電路檢測到車輛離開的狀態(tài)，車位鎖升起，等待下一個用戶的到來。

4）車位鎖將停車位的使用信息反饋給停車場協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器更新停車位狀態(tài)表。

5）停車場協(xié)調(diào)器將停車位狀態(tài)更新數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器向離開的用戶App發(fā)送消息提醒，用戶可以通過App查看最新的停車位使用情況。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路分為2部分：車位鎖控制器、停車場協(xié)調(diào)器。

3.1 車位鎖控制器的設(shè)計和實現(xiàn)

車位鎖控制器主要包括STM32單片機最小系統(tǒng)、超聲波檢測模塊、ZigBee模塊、步進電機驅(qū)動電路、OLDE顯示電路、和按鍵電路，通過驅(qū)動步進電機控制撐桿的翻轉(zhuǎn)來模擬車位鎖的上鎖和解鎖動作，其電路框圖如圖2所示。

圖2 車位鎖控制器電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)STM32單片機采用的具體型號是STM32F103RCT6，是一款高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機[11]，具備64個IO引腳和豐富的外設(shè)，功能強大，STM32的最小系統(tǒng)，主要包括復(fù)位電路，時鐘電路，啟動模式設(shè)置電路。

超聲波測距使用HC-SR04模塊，該模塊包含超聲波發(fā)射電路、接收電路和信號處理電路[12]，工作電壓3～5 V，測距范圍2～400 mm，誤差在2 mm，完全可以滿足系統(tǒng)需求。HC-SR04模塊具有4個外接引腳VCC、GND、TRIG、ECHO，TRIG 引腳連接 STM32的PB0引腳，PB0配置為普通推挽輸出IO，ECHO引腳連接STM32的PB1引腳，PB1配置成外部中斷觸發(fā)模式。

ZigBee無線組網(wǎng)采用了TI的CC2530芯片，CC2530內(nèi)置51內(nèi)核，配合Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)局域組網(wǎng)[13]。CC2530和STM32的串口2進行通信，當ZigBee模塊接收到數(shù)據(jù)時，將該數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給STM32；當STM32需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過串口2發(fā)送給ZigBee模塊，ZigBee模塊自動將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。

3.2 停車場協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計

停車場協(xié)調(diào)器主要包括STM32單片機最小系統(tǒng)、ZigBee模塊、GPRS模塊、OLDE顯示屏、和按鍵電路，電路框圖如圖3所示。

圖3 停車場協(xié)調(diào)器電路框圖

GPRS模塊采用了SIMcom公司的SIM900A芯片[14]，支持GSM和GPRS的850 MHz、900 MHz、1 800 MHz、1 900 MHz四頻的語音、短信、數(shù)據(jù)和傳真。STM32通過串口給SIM900A發(fā)送AT指令請求建立TCP連接[15]，停車場協(xié)調(diào)器作為TCP Client連接到服務(wù)器實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)通信。

圖4是系統(tǒng)的硬件電路實物圖，左邊是停車場協(xié)調(diào)器的電路板，右邊是車位鎖控制器的電路板。

圖4 硬件電路實物圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 車位鎖控制器的軟件設(shè)計

車位鎖控制器[16-18]采用STM32作為主控MCU，使用Keil開發(fā)環(huán)境配合STM32庫函數(shù)進行STM32的C程序設(shè)計。車位鎖控制器的工作主要是實現(xiàn)停車位檢測，車位鎖升降控制，加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收停車場協(xié)調(diào)器的控制命令并反饋狀態(tài)信息，車位鎖控制器的程序流程如圖5所示。

4.2 停車場協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

停車場協(xié)調(diào)器的MCU同樣采用STM32，協(xié)調(diào)器的主要功能有：實現(xiàn)底層ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建和維護，管理停車場內(nèi)的車位鎖，通過GPRS和系統(tǒng)服務(wù)器建立TCP長連接，STM32發(fā)送AT指令的部分代碼如下：

圖5 車位鎖控制器程序流程圖

4.3 Android客戶端App

系統(tǒng)的Android客戶端App采用Android Studio作為開發(fā)環(huán)境?？蛻舳薃pp主要功能包括用戶注冊、登錄，個人信息管理，地圖定位和搜索，停車位狀態(tài)查看，預(yù)約車位，自助停車，停車費用支付、停車歷史記錄查看等功能。

客戶端App設(shè)計了用戶管理系統(tǒng)，用戶需要注冊登錄后才能使用相應(yīng)的服務(wù)。App內(nèi)置高德地圖提供的Android地圖SDK和定位SDK，實現(xiàn)實時定位和附近停車場的搜索功能，以用戶位置為中心設(shè)定搜索半徑，App當前的搜索結(jié)果使用了模擬數(shù)據(jù)，用圖6中氣球樣，熱點進行標識，其界面效果如圖6所示。

圖6 App地圖和停車位狀態(tài)查看界面

停車場對每個停車位進行編號，用戶通過App可以查看停車場中所有的車位的使用狀況，界面如圖6所示，車位的狀態(tài)分為：可用、不可用、已預(yù)約3種狀態(tài)，用戶可以使用狀態(tài)為未使用的車位，點擊“我要停車”按鈕，即可控制相應(yīng)停車位的車位鎖解鎖，用戶駛?cè)胲囄煌＼?，App開始計時。

當用戶離開停車位后，App根據(jù)本次停車時長，計算停車費用，圖7為支付界面，用戶可以選擇支付寶、微信或者賬號余額3種方式進行費用結(jié)算。支付寶和微信支付的官方API接口調(diào)用需要商戶資質(zhì)認證，所以本系統(tǒng)App采用Bmob后端云提供的移動支付SDK來實現(xiàn)支付寶和微信支付功能的接入，Bmob對這2個主流的支付渠道進行了封裝，且支持個人開發(fā)者接入。

用戶支付完停車費用，App自動生成一條新的歷史停車記錄，其界面如圖7所示，顯示了模擬自助停車過程中產(chǎn)生的歷史記錄。用戶可以在這個界面查看正在使用中的停車情況和歷史停車記錄，每一條記錄包括使用的停車場名字、停車位編號、停車時間和支付的費用。

圖7 App停車費用結(jié)算和停車記錄查看界面

4.4 系統(tǒng)服務(wù)器

系統(tǒng)服務(wù)器的運行環(huán)境為win7系統(tǒng)，服務(wù)器是在Eclipse開發(fā)環(huán)境下用基于Socket（套接字）的java網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)實現(xiàn)的一個TCP Server。

系統(tǒng)服務(wù)器創(chuàng)建一個ServerSocket實例，綁定20006端口，手機客戶端App和停車場協(xié)調(diào)器作為Socket Client向服務(wù)器發(fā)起TCP連接請求。客戶端連接進來以后，服務(wù)器先為每個客戶端新建1個子線程專門負責和該客戶端之間的數(shù)據(jù)通信，之后服務(wù)器獲取客戶端發(fā)送的身份標識UserID，將該客戶端的Socket實例以鍵值對形式保存到HashMap中，其中key是客戶端的UserID，value是客戶端的Socket實例。

服務(wù)器讀取每個客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)命令的具體含義直接向該客戶端返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，或者將該數(shù)據(jù)重新組合后將其轉(zhuǎn)發(fā)給其他客戶端。

5 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)測試環(huán)境包括一個停車場協(xié)調(diào)器，3個車位鎖控制器，分別代表編號為1，2，3的停車位，系統(tǒng)服務(wù)器運行在一臺接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦，客戶端App運行在Android手機。測試時候需要注意，如果服務(wù)器運行的電腦是在局域網(wǎng)內(nèi)，沒有唯一的外網(wǎng)IP地址，建議使用花生殼軟件進行內(nèi)網(wǎng)端口映射。經(jīng)測試，通過Android手機App可以實現(xiàn)對停車位使用狀態(tài)信息的采集以及遠程控制車位鎖的升起和落下，成功模擬自助停車流程，并實現(xiàn)移動支付停車費，當車輛離開停車位后App發(fā)送消息提醒，并生成一條歷史停車記錄。

6 結(jié) 論

基于移動支付的自助停車控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對停車場停車位便捷高效的管理，用戶通過手機客戶端App實現(xiàn)自助停車和移動支付費用。借助移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升了對停車位資源的利用率，該系統(tǒng)具備低成本、智能化、高效安全的特點，不僅適用于各種大中型停車場，而且適用于小型和路側(cè)停車場的管理，具有很好的應(yīng)用推廣價值。

參考文獻：

[1]肖燕.基于ZigBee的大城市停車場管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2016，24（9）:51-53.

[2]劉軍.基于ZigBee的智能停車場管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[3]耿寸召.基于ZigBee技術(shù)的停車場車位檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].烏魯木齊：內(nèi)蒙古大學(xué)，2013.

[4]魏振亞.基于超聲波車位探測系統(tǒng)的自動泊車方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[5]譚寶成，馬騰.基于超聲波測距的泊車引導(dǎo)系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計工程，2015，（18）:96-99.

[6]吳若偉.大型停車場智能泊車引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

[7]夏繼強，鄭昆，鄭健峰等.基于STM32的收發(fā)一體式超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014，（8）:43-45，52.

[8]杜新珂.超聲波測距在智能導(dǎo)盲系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[9]李玲，陳惠濱.基于KEELOQ的無線遙控車位鎖系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，（12）:52-54.

[10]黨蟒.一種露天停車場管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[11]陳致遠，朱葉承，周卓泉，等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）:138-140.

[12]張婷.超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計[D].西安：長安大學(xué)，2014.

[13]張藝粟，李鴻彬，賈軍營，等.物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2013（6）:34-38.

[14]隋俊杰，肖詩滿，邵偉恒，等.基于SIM900A的基站無線監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016（3）:51-54.

[15]李馳，段智敏，叢培田，等.基于STM32和SIM900A的網(wǎng)絡(luò)多點遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2016（24）:105-108.

[16]甘勇，徐珂，賈春利，等.基于ZigBee的智能停車場系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（2）:74-77.

[17]蔡世雷，孫劉杰.基于ZigBee與Web的移動支付充電樁設(shè)計[J].電子科技，2017（2）：126-129.

[18]宋玉琴，姬引飛，段俊瑞，等.基于Android和ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2015（4）：442-446.