基于無(wú)線通信的共享智能車位鎖

河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院 李維學(xué) 潘炫樺 張 萍

0 引言

現(xiàn)今，汽車擁有量的不斷增加，導(dǎo)致停車位供不應(yīng)求。目前傳統(tǒng)停車位現(xiàn)狀集中表現(xiàn)為缺口大、資源緊張，管理混亂，收費(fèi)滯后等問(wèn)題。為此本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用文獻(xiàn)檢索、實(shí)地觀察的方法，對(duì)停車位現(xiàn)狀、車位基本情況、等進(jìn)行深入研究，城市的停車難問(wèn)題主要由停車位供給不夠引起的，也存在閑置的停車位沒(méi)有被充分利用的情況。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)研究符合用戶體驗(yàn)的車位智能硬件，實(shí)現(xiàn)車位資源的有效利用，緩解停車難及車位管理缺失的問(wèn)題[1]。

目前，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于無(wú)線通信的智能車位鎖，采用的是低功耗藍(lán)牙通訊或RFID射頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，不過(guò)上述兩種技術(shù)在距離上有所限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離控制車位鎖[2]。經(jīng)調(diào)查，有結(jié)合GSM通信技術(shù)的車位鎖，其通過(guò)發(fā)送短信的方式來(lái)遠(yuǎn)程控制車位鎖，但其在實(shí)時(shí)性上與可共享性上有所欠缺，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍的共享連接。結(jié)合上述情況，本文將闡述手機(jī)客戶端以GPRS網(wǎng)絡(luò)方式，與服務(wù)器和以單片機(jī)為核心的硬件控制系統(tǒng)相互連接通信，此通信方式速度快，且運(yùn)用服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)車位鎖共享管理，為車位鎖提供了互聯(lián)網(wǎng)入口，把用戶和停車位方便、直觀地聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)車位鎖遠(yuǎn)程控制[3]。該方案能有效解決車位擁有者對(duì)遠(yuǎn)程車位的管理控制，為私有車位向社會(huì)開(kāi)放、商業(yè)化運(yùn)作提供一種可行的技術(shù)解決方法。

設(shè)計(jì)思路——使用STM32系列單片機(jī)作為核心控制單元，物聯(lián)網(wǎng)通信選用GPRS模塊G3524，實(shí)現(xiàn)車位鎖和云服務(wù)器間的聯(lián)網(wǎng)及雙方數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸[4]。單片機(jī)通過(guò)控制由繼電器構(gòu)成的H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，車位鎖鎖臂由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行升降，其升降位置檢測(cè)采用對(duì)射式紅外線光電開(kāi)關(guān)。采用超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)停車位上車輛狀態(tài)，檢測(cè)算法采用間隔脈沖多次采樣的方式，確保檢測(cè)準(zhǔn)確的同時(shí)，降低檢測(cè)器的功耗[5]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本課題研究智能車位鎖的控制裝置，以實(shí)現(xiàn)車位鎖的智能開(kāi)關(guān)，即可通過(guò)操作手機(jī)App來(lái)遠(yuǎn)距離控制車位鎖的開(kāi)關(guān)。智能車位鎖具有遠(yuǎn)程通信模塊，為智能車位鎖提供了互聯(lián)網(wǎng)入口，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、移動(dòng)終端、控制器和車位鎖之間的互聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)共享車位鎖功能，設(shè)置車位鎖唯一電子標(biāo)簽，在車位鎖空閑狀態(tài)下，不同的手機(jī)App均可以通過(guò)該電子標(biāo)簽來(lái)遠(yuǎn)程控制智能車位鎖[6]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能車位鎖控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由6個(gè)模塊構(gòu)成，包括主控制單元、GPRS通信模塊、紅外檢測(cè)開(kāi)關(guān)、超聲波測(cè)距模塊、繼電器、直流電動(dòng)機(jī)等構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)車位鎖聯(lián)網(wǎng)，既可以實(shí)現(xiàn)車位鎖遠(yuǎn)程控制與管理，又實(shí)現(xiàn)了車位鎖與云端服務(wù)器連接，可通過(guò)車位鎖唯一電子標(biāo)簽完成對(duì)外共享，從而有效緩解了車位供需矛盾，提髙城市車位的利用率。

工作流程如下：使用手機(jī)App與服務(wù)器連接通信，發(fā)出相關(guān)控制指令與相應(yīng)的車位鎖電子標(biāo)簽，服務(wù)器接收到信息后將該信息發(fā)送到相對(duì)應(yīng)的車位鎖，主控制單元發(fā)出動(dòng)作指令。

由GPRS模塊與STM32為核心的硬件控制系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程控制車位鎖的釋放與鎖定。通過(guò)云端服務(wù)器將車位鎖與手機(jī)App連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)車位鎖的遠(yuǎn)程管理與共享。

系統(tǒng)包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，其中硬件部分包括單片機(jī)硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要工作是實(shí)現(xiàn)車位鎖遠(yuǎn)程控制。即根據(jù)服務(wù)器發(fā)出的控制碼指令，控制車位鎖升降機(jī)構(gòu)的鎖定與釋放。軟件部分包括手機(jī)客戶端和服務(wù)器端的開(kāi)發(fā)。主要功能是根據(jù)車位鎖的唯一電子標(biāo)簽，發(fā)送控制指令并記錄車位鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)用戶共享車位鎖。用戶使用時(shí)，只需要用手機(jī)App通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器，查詢相關(guān)車位狀態(tài)，獲取車位鎖的電子標(biāo)簽，即可對(duì)智能車位鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控制單元

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核，集高性能、實(shí)時(shí)功能、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗與低電壓操作等特性于一身，同時(shí)還保持了集成度高和易于開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)[7]。本文選用STM32系列單片機(jī)作為智能車位鎖的主控制芯片。單片機(jī)的輸入輸出信號(hào)及電路連接關(guān)系如表1所示：

表1 單片機(jī)輸入信號(hào)及外圍電路連接關(guān)系

2.2 超聲波測(cè)距模塊

超聲波模塊采用HC-SR04超聲波傳感器，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)量精度可達(dá)到3mm[8]?；竟ぷ髟恚翰捎肐O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs的高電平信號(hào)。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s)/2。單片機(jī)為發(fā)射控制口提供一個(gè)10us以上的高電平，在接收口等待高電平輸出。一有輸出信號(hào)單片機(jī)就開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離。主要功能是防止人為誤操作，引起車位鎖異常升起，與停駐車輛造成碰撞。其工作原理圖如圖2所示：

圖2 超聲波測(cè)距模塊工作原理圖

2.3 限位開(kāi)關(guān)模塊

在車位鎖升降過(guò)程中，利用紅外線發(fā)射與接收二極管構(gòu)成限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)有物體擋在發(fā)射與接收二極管之間，接收二極管無(wú)法接收紅外線，紅外線接收二極管關(guān)閉，限位開(kāi)關(guān)電路輸出高電平[9]。根據(jù)此原理，限位開(kāi)關(guān)電路設(shè)置兩對(duì)發(fā)射接收二極管，分別檢測(cè)上升和下降時(shí)的車位鎖動(dòng)作極限位置。將此信號(hào)作為中斷信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止動(dòng)作。

2.4 GPRS模塊

在本系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)車位鎖的遠(yuǎn)程控制，需要尋求一種能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信的模塊[10]。本系統(tǒng)在工作時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)流量傳輸需求較少，因此選用金訊科技G3524系列開(kāi)發(fā)板。配合服務(wù)器及客戶端軟件可構(gòu)建一種基于GPRS的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該模塊適用于全球所有國(guó)家頻段，產(chǎn)品使用沒(méi)有地域限制。該模塊功耗低，性能可靠，功耗低于1W，可大幅提高產(chǎn)品的續(xù)航能力。上行速率2KB/S，下行速率4KB/S，能滿足本項(xiàng)目較小數(shù)據(jù)流量傳輸?shù)男枨?。UART速率覆蓋2400-115200bps。

在該系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)通過(guò)GPRS模塊與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，需要建立一條無(wú)線傳輸通道。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)在選擇傳輸層協(xié)議時(shí)有兩大選擇，即TCP或UDP。TCP是一種面向連接的、具備可靠傳輸特性的協(xié)議；UDP是一種面向無(wú)連接的傳輸協(xié)議。由于TCP傳輸可靠性上優(yōu)于DUP，目前TCP仍然是網(wǎng)絡(luò)流量的較大組成部分。

系統(tǒng)通過(guò)配置GPRS模塊與服務(wù)器建立TCP連接，配置前要給PWON引腳2s低電平將模塊開(kāi)機(jī)。配置GPRS模塊時(shí)，需要使用KINGCOM_DTU配置工具配置其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，其中傳輸協(xié)議配置為T(mén)CP傳輸協(xié)議，服務(wù)器IP地址配置為202.113.112.10，服務(wù)器端口號(hào)配置為8080端口。為了防止隨機(jī)出現(xiàn)的短暫無(wú)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)情況，設(shè)置GPRS模塊為自動(dòng)重連模式，心跳時(shí)間60s。此時(shí)GPRS模塊配置完成。

GPRS模塊開(kāi)機(jī)后，先搜索網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)后，提取車位鎖設(shè)備電子標(biāo)簽，通過(guò)“DEVICE+電子標(biāo)簽”形式的指令向指定IP的服務(wù)器發(fā)送車位鎖設(shè)備的電子標(biāo)簽，當(dāng)服務(wù)器接收“CONNECT OK”指令時(shí)，標(biāo)志著GPRS模塊已與服務(wù)器建立TCP連接，車位鎖設(shè)備成功上線。

用戶使用手機(jī)客戶端控制車位鎖設(shè)備打開(kāi)時(shí)，App通過(guò)服務(wù)器中保存的TCP連接，向GPRS模塊發(fā)送“DEVICE+ON”指令，主控制單元從串口接收到該指令時(shí)，控制鎖臂下降。當(dāng)用戶使用手機(jī)客戶端執(zhí)行關(guān)閉車位鎖設(shè)備操作時(shí)，手機(jī)端向GPRS模塊發(fā)送“DEVICE+OFF”指令，主控制單元接收指令，控制鎖臂上升。

2.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

單片機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，由此，采用兩個(gè)繼電器構(gòu)成H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。單片機(jī)通過(guò)控制兩個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

單片機(jī)判斷輸入信號(hào)，控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)車位鎖升降機(jī)構(gòu)釋放與鎖定，升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作后觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，限位信號(hào)反饋至主控制器，單片機(jī)根據(jù)限位信號(hào)判斷車位鎖是否實(shí)現(xiàn)正常的起降。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件部分主要由手機(jī)客戶端App、云端服務(wù)器配置和車位鎖遠(yuǎn)程控制端單片機(jī)軟件控制系統(tǒng)組成[11]。本文主要介紹軟件的主要工作流程。

3.1 手機(jī)客戶端的軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端應(yīng)用程序的主要功能有：車位鎖狀態(tài)查詢、車位鎖遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)。手機(jī)客戶端軟件工作流程圖如圖3。

圖3 手機(jī)客戶端軟件流程圖

打開(kāi)手機(jī)App后，配置服務(wù)器地址以及服務(wù)器端口號(hào)，等待手機(jī)App與服務(wù)器建立連接，發(fā)送車位鎖電子標(biāo)簽，等待車位鎖回復(fù)狀態(tài)信息。如若正常，則發(fā)送控制碼指令到服務(wù)器，服務(wù)器將控制碼指令發(fā)送給車位鎖，主控制器根據(jù)得到的控制碼指令，控制直流電機(jī)作出相應(yīng)動(dòng)作。其App界面如圖4所示。

3.2 嵌入式硬件控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

嵌人式硬件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：與服務(wù)器建立連接，接收服務(wù)器發(fā)送的控制碼指令，并執(zhí)行信息內(nèi)容指令；若接收到服務(wù)器查詢狀態(tài)指令，車位鎖控制器驅(qū)動(dòng)超聲波測(cè)距模塊測(cè)量上方是否有車，并返回服務(wù)器該狀態(tài)信息；根據(jù)控制指令，驅(qū)動(dòng)繼電器控制設(shè)備啟動(dòng)電機(jī)，控制車位鎖升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作；根據(jù)限位開(kāi)關(guān)返回的信號(hào)，控制車位鎖升降機(jī)構(gòu)的幅度，確保車位鎖正常動(dòng)作。軟件流程如圖5所示。

圖4 App界面

圖5 嵌入式控制系統(tǒng)軟件流程圖

車位鎖上方已有車輛停駐，當(dāng)主控制器得到發(fā)送來(lái)的上升控制指令時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)超聲波測(cè)距模塊測(cè)量車位鎖上方的距離，若距離小于50cm則上方已停駐車輛，單片機(jī)不會(huì)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)動(dòng)作。反之，上方無(wú)車，驅(qū)動(dòng)車位鎖上升關(guān)閉。這也是車位鎖的防止用戶誤操作的保護(hù)功能。

3.3 云端服務(wù)器配置

該系統(tǒng)中服務(wù)器作為用戶與車位鎖的連接通道，要求服務(wù)器具有較強(qiáng)的處理能力、穩(wěn)定性、可靠性、安全性、可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)本文采用阿里云作為云計(jì)算中心，提供簡(jiǎn)單高效、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)[12]。

服務(wù)器功能的實(shí)現(xiàn)：

服務(wù)器系統(tǒng)主要分為車位鎖后臺(tái)服務(wù)和手機(jī)客戶端服務(wù)。車位鎖后臺(tái)服務(wù)用于維護(hù)車位鎖設(shè)備與服務(wù)器的連接。手機(jī)客戶端服務(wù)提供手機(jī)端向車位鎖發(fā)送指令的接口。

手機(jī)客戶端與服務(wù)器的通信主要通過(guò)發(fā)送HTTP請(qǐng)求，使用輕量級(jí)的JSON數(shù)據(jù)交換格式實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器為手機(jī)客戶端提供5個(gè)接口：用戶注冊(cè)、用戶登錄、打開(kāi)車位鎖、關(guān)閉車位鎖、獲取當(dāng)前車位鎖狀態(tài)。車位鎖設(shè)備與服務(wù)器通過(guò)TCP連接，當(dāng)服務(wù)器接收到用戶請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器向車位鎖設(shè)備發(fā)送控制碼指令。服務(wù)器功能如圖6所示。

圖6 服務(wù)器功能概覽

4 總結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量大幅增加，城市交通問(wèn)題日益嚴(yán)重。在此狀況下，人們開(kāi)車出行就出現(xiàn)了很多的問(wèn)題。如停車位難找，車難停，路邊停車多。與此相對(duì)的是，大部分私人停車位在主人開(kāi)車出行的時(shí)段閑置，停車資源大量的浪費(fèi)[13]。因此，把閑置的資源利用起來(lái)，讓價(jià)格高昂的固定資產(chǎn)來(lái)回報(bào)現(xiàn)金，緩解人們的出行停車難問(wèn)題，減少我們的路邊停車數(shù)量。

本文設(shè)計(jì)、研發(fā)出一套分為車位鎖硬件檢測(cè)端、服務(wù)器端、移動(dòng)端的智能停車管理系統(tǒng)，用戶只需要點(diǎn)擊App上的按鈕就可以對(duì)車位鎖進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)預(yù)定車位、出租車位、路線導(dǎo)航、自助停車服務(wù)等貼合用戶需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市停車位集中管理、分散控制，、車位資源的共享，以提高停車位使用率、增加停車場(chǎng)收入、緩解交通問(wèn)題[14]。

本設(shè)計(jì)下一步計(jì)劃實(shí)現(xiàn)車位鎖自動(dòng)識(shí)別車輛身份，對(duì)合法車輛能夠做到車來(lái)自動(dòng)開(kāi)鎖，車走自動(dòng)關(guān)鎖，用戶不必點(diǎn)擊手機(jī)App即可進(jìn)入或駛離車位，讓車位鎖更加智能化，方便用戶生活。