基于STC單片機(jī)的M型智能車位鎖設(shè)計(jì)

孫莉莉，陳洪希，張 濤，李忠和

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系，樂山614000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人民生活水平的提高，汽車的保有量逐年增加，“車位少，停車難”的問題日益突顯。經(jīng)常出現(xiàn)公共停車位爆滿，私家車位被占用的情況，車位鎖應(yīng)運(yùn)而生。目前，普遍使用的機(jī)械車位鎖功能單一，上鎖、開鎖都需用戶手動(dòng)操作，如遇惡劣天氣，用戶體驗(yàn)十分糟糕，且機(jī)械鎖多為X型、K 型、A 型、U 型等[1-2]。X 型車位鎖防撞性能弱，K型和A 型車位鎖易劃傷輪胎。本文采用一種新型結(jié)構(gòu)的M 型車位鎖，鎖降下時(shí)相當(dāng)于一小段減速帶，性能穩(wěn)定，不易受損，使用壽命長(zhǎng)。為方便用戶使用設(shè)計(jì)了自動(dòng)上鎖、開鎖，車位出口擁堵警示，停車燈光指引，語(yǔ)音提示等功能。為有效利用私人停車位的空余時(shí)間，實(shí)現(xiàn)車位資源共享，設(shè)計(jì)了業(yè)主停車和分時(shí)租賃兩種工作模式。

1 車位鎖組成及工作原理

本文設(shè)計(jì)的車位鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)采用雙三角形通過(guò)連桿組成的M 型支架，與舵機(jī)連接安裝在底座上。當(dāng)車位閑置時(shí)，M 型支架升起；當(dāng)需要停車時(shí)，支架平置。支架上安裝有紅外測(cè)距傳感器來(lái)檢測(cè)進(jìn)出口是否有障礙物，底座上安裝有紅外對(duì)射傳感器，用來(lái)檢測(cè)車位上是否有車。電源模塊和控制電路設(shè)置在底座內(nèi)部，車位鎖總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 車位鎖總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of parking lock

車位鎖的控制部分分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[3]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。應(yīng)用層主要由單片機(jī)控制電路、監(jiān)控程序和Android 應(yīng)用機(jī)智云App 組成；網(wǎng)絡(luò)層由無(wú)線WiFi 模塊組成；感知層主要由紅外對(duì)射傳感器、紅外測(cè)距傳感器、自動(dòng)上鎖解鎖、語(yǔ)音提示、燈光指引等模塊組成。

圖2 車位鎖控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of parking lock control system

當(dāng)業(yè)主停車時(shí)，通過(guò)手機(jī)App 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開鎖，M型支架降下，語(yǔ)音提示車輛駛?cè)胪＼?。?dāng)紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)車輛駛離車位安全距離后，車位鎖自動(dòng)上鎖。車位進(jìn)出口出現(xiàn)擁堵車輛或擁堵物體時(shí)，車位鎖發(fā)出擁堵語(yǔ)音提示[4]。夜晚或光照不好的情況下發(fā)出停車請(qǐng)求時(shí)，車位鎖會(huì)發(fā)出停車語(yǔ)音提示及燈光指引，方便用戶快速定位，節(jié)省時(shí)間。

當(dāng)車位空閑租賃時(shí)，業(yè)主將車位信息進(jìn)行發(fā)布，如有用戶預(yù)約則接收開鎖命令停車，同時(shí)計(jì)時(shí)。車位使用結(jié)束后進(jìn)行計(jì)費(fèi)，自動(dòng)上鎖。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

車位鎖硬件電路連接如圖3所示。

圖3 硬件電路連接圖Fig.3 Hardware circuit connection diagram

2.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)

為了兼顧設(shè)計(jì)需求及成本考慮，本文選用STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控芯片[5]。該芯片具有使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，損耗低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。主控芯片主要功能是實(shí)現(xiàn)與無(wú)線通信模塊的數(shù)據(jù)傳送，車位相關(guān)信息的采集分析，上鎖/解鎖信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)，燈光指引信號(hào)的產(chǎn)生等功能。

2.2 紅外對(duì)射傳感器

紅外對(duì)射傳感器主要用于檢測(cè)車位上是否停有車輛，防止車位鎖誤動(dòng)作，并將采集的信息傳送到控制系統(tǒng)。本文采用的紅外對(duì)射傳感器工作電壓為5 V；工作電流為15 mA；負(fù)載電流為20 mA。內(nèi)置施密特觸發(fā)器，NPN 晶體管集電極開路輸出，紅外激光照射時(shí)輸出電壓為0 V，遮光時(shí)輸出電壓為5 V。

2.3 紅外測(cè)距傳感器

紅外測(cè)距傳感器將發(fā)射端與接收端集成在同一塊集成電路上，其檢測(cè)距離可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)內(nèi)部電位器旋鈕，具有使用方便，易于安裝，探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，工作電壓為5 V。當(dāng)有障礙物接近時(shí)，輸出端信號(hào)引腳變成低電平，無(wú)障礙物接近時(shí)，引腳輸出一直保持高電平狀態(tài)[6]。為了避免系統(tǒng)在默認(rèn)狀態(tài)下（無(wú)障礙物），高電平信號(hào)會(huì)有所波動(dòng)，在輸出端連接一個(gè)上拉電阻后再接入單片機(jī)，這樣保證了信號(hào)的穩(wěn)定。當(dāng)有車輛駛?cè)胲囄怀隹谝欢〞r(shí)間沒有離開，紅外測(cè)距傳感器輸入一個(gè)低電平信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)控制程序判定車位出口存在擁堵風(fēng)險(xiǎn)，語(yǔ)音提示前方車輛離開。

2.4 語(yǔ)音提示、燈光指引模塊

本設(shè)計(jì)采用WT558D 語(yǔ)音模塊，它是一款集單片機(jī)、語(yǔ)音電路、SPI-Flash 存儲(chǔ)器于一體的可編程語(yǔ)音系統(tǒng)[7]。設(shè)計(jì)時(shí)先通過(guò)Voice Chip 上位機(jī)軟件將音頻文件下載到SPI-Flash 存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址段，做好地址與語(yǔ)音的對(duì)照表，放音時(shí)調(diào)用地址。停車時(shí)語(yǔ)音提示“已解鎖，請(qǐng)駛?cè)胪＼嚒?，?dāng)有障礙物擁堵車位出口時(shí)提示語(yǔ)音“擁堵車位出口，請(qǐng)離開，謝謝！ ”。

燈光指引主要用于車位快速查找，便于停車取車。采用高效節(jié)能的5 W 大功率LED 燈珠。燈珠的工作電流為350 mA～500 mA，而STC12C5A60S2 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電流不超過(guò)25 mA，因此需要利用大功率三極管進(jìn)行電流放大，以提高驅(qū)動(dòng)能力。

2.5 無(wú)線WiFi 模塊

網(wǎng)絡(luò)層由無(wú)線WiFi 模塊ESP8266 組成。ESP8266工作溫度范圍大，性能穩(wěn)定，對(duì)各種操作系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性，僅需很少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能[8]。ESP8266 將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息無(wú)線傳輸至機(jī)智云平臺(tái)，用戶在手機(jī)端即可查看。

2.6 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)

舵機(jī)是車位鎖開鎖與上鎖的動(dòng)力源泉，需要具有足夠的扭力。本文選用高扭矩的直流減速舵機(jī)XD-42GA775 控制車位鎖升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作[9]。該舵機(jī)具有性價(jià)比高，壽命長(zhǎng)，扭矩大，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，其工作電壓為4.8 V～6 V。利用單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)智云平臺(tái)

機(jī)智云是一個(gè)面向智能硬件的開發(fā)平臺(tái)，提供一個(gè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，設(shè)備綁定、推送，設(shè)備分享等基礎(chǔ)功能的一站式智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺(tái)[10]。依托機(jī)智云提供的云端服務(wù)功能，可以降低自建云服務(wù)器的成本和維護(hù)成本。STC12C5A60S2 單片機(jī)系統(tǒng)與ESP8266模塊通過(guò)HTTP 協(xié)議與機(jī)智云服務(wù)器進(jìn)行連接。該平臺(tái)能夠通過(guò)用戶的手機(jī)App 實(shí)時(shí)查看車位信息。再通過(guò)手機(jī)App 和云平臺(tái)向車位鎖發(fā)出控制命令。

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要包括業(yè)主停車模式控制程序設(shè)計(jì)和分時(shí)租賃控制模式程序設(shè)計(jì)。利用成熟的自助開發(fā)的平臺(tái)機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)硬件，在云端創(chuàng)建產(chǎn)品生成通用MCU 平臺(tái)代碼，然后移植到STC12C5A60S2單片機(jī)上。無(wú)線WiFi 模塊ESP8266 固件GAgent 由機(jī)智云提供，直接下載燒錄，手機(jī)App 及相關(guān)功能由機(jī)智云通過(guò)的SDK 二次開發(fā)來(lái)聲明。

業(yè)主停車模式控制程序主要完成發(fā)出解鎖命令，接收和解讀解鎖命令控制碼，車位鎖M 型支架降落完成解鎖動(dòng)作，檢測(cè)車位信息判斷車輛是否離開，如離開自動(dòng)上鎖，未離開繼續(xù)檢測(cè)，業(yè)主停車模式控制流程如圖4所示。

圖4 業(yè)主停車模式控制程序流程Fig.4 Owner parking mode control program flow chart

車位空閑時(shí)，業(yè)主可發(fā)布租賃信息?？蛻艨梢酝ㄟ^(guò)手機(jī)App 實(shí)時(shí)查看目的地周邊可租用的車位并對(duì)空閑車位進(jìn)行預(yù)約[10]。當(dāng)客戶到達(dá)預(yù)約車位后，點(diǎn)擊App 中的開鎖按鈕，就可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)送開鎖指令，完成停車后系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)；客戶結(jié)束停車離開后，系統(tǒng)結(jié)束計(jì)時(shí)進(jìn)行扣費(fèi)，同時(shí)自動(dòng)上鎖，車位租賃模式控制流程如圖5所示。

圖5 車位租賃模式停車控制程序Fig.5 Parking control program in parking space rental mode

4 功能測(cè)試

通過(guò)3D 打印技術(shù)制作了車位鎖的樣機(jī)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)車位鎖的控制功能進(jìn)行檢測(cè)，分別對(duì)車位信息、上鎖動(dòng)作、解鎖動(dòng)作、燈光指引、擁堵報(bào)警、計(jì)費(fèi)功能等功能進(jìn)行了100 次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

測(cè)試結(jié)果表明，車位鎖實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，并具有很高的可靠性。圖6 為解鎖狀態(tài)，M 型支架升起；圖7 為上鎖停車狀態(tài)，M 型支架降落，類似于一小段減速帶；圖8 為燈光指引狀態(tài)；圖9 為擁堵警示狀態(tài)。

圖6 解鎖停車狀態(tài)Fig.6 Unlock parking status

圖7 上鎖狀態(tài)Fig.7 Locked state

圖8 燈光指引狀態(tài)Fig.8 Light guide status

圖9 擁堵報(bào)警狀態(tài)Fig.9 Congestion alarm status

5 結(jié)語(yǔ)

本文以STC12C5A60S2 單片機(jī)為主控制器，結(jié)合WiFi 模塊、傳感器模塊以及機(jī)智云平臺(tái)設(shè)計(jì)出了一種M 型智能車位鎖。較傳統(tǒng)的機(jī)械車位鎖及遙控車位鎖增加了信息采集，提示指引，租賃共享等功能，并且控制性能穩(wěn)定，成功率在96%以上。方便了用戶使用，提高了車位的利用率，實(shí)現(xiàn)車位資源共享，進(jìn)一步解決了停車難的問題，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。