基于賽博物理系統(tǒng)的車位共享智慧控制系統(tǒng)

［劉銘 李聽聽 陳劉偉］

1 引言

本系統(tǒng)包括了車位鎖、車位共享智慧控制系統(tǒng)、充電裝置、無線中繼器四部分。其中車位鎖被安裝在車位，由鋰電池供電，并通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)的向車位共享智慧控制系統(tǒng)發(fā)送鋰電池狀態(tài)信息，包括電量、溫度等，當(dāng)車位鎖狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（打開或者關(guān)上），觸發(fā)向中央管理系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)切換信息。中央電源管理系統(tǒng)接到車位鎖發(fā)來的信息后，內(nèi)部進(jìn)行解析并顯示屏上顯示各類狀態(tài)。當(dāng)車位鎖鋰電池電量不足時(shí)，中央管理系統(tǒng)顯示“電量低”，這時(shí)管理人員駕駛充電車或者手持充電裝置對(duì)車位鎖進(jìn)行充電或更換鋰電池。本系統(tǒng)采用藍(lán)牙5.0 低功耗通信技術(shù)，在支持功率控制，有助于在保持連接的情況下降低傳輸功耗，并提高傳輸穩(wěn)定性。

2 共享車位的賽博物理系統(tǒng)構(gòu)建

作為一種包含了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng)，賽博物理系統(tǒng)有機(jī)融合了3C 技術(shù)，通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)物理進(jìn)程的交互，實(shí)現(xiàn)了賽博空間遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)、安全、協(xié)作和智能化的操控物理實(shí)體的目標(biāo)。

本文將車位鎖這一具有物理實(shí)體屬性的機(jī)械產(chǎn)品與控制系統(tǒng)、藍(lán)牙通信技術(shù)、單片機(jī)等技術(shù)相結(jié)合,將停車位、車位鎖、計(jì)算模塊、藍(lán)牙模塊、鋰電池、車輛等物理實(shí)體抽象為虛擬資源并實(shí)現(xiàn)有機(jī)協(xié)作，構(gòu)建賽博虛物理系統(tǒng)[1]～[3]，如圖1 所示。

圖1 車位共享賽博物理系統(tǒng)

2.1 物理環(huán)境

整個(gè)車位共享智慧控制系統(tǒng)的物理空間主要由以下幾個(gè)部分所組成：

（1）停車位：車輛停泊的物理空間，狀態(tài)分為占用和空置兩類。

（2）車位鎖：考慮停車場(chǎng)車位數(shù)量多，電纜布設(shè)難度大等額問題[4]，采用電池供電。車輛進(jìn)入自動(dòng)識(shí)別車輛信息并完成落鎖，支持藍(lán)牙模塊通過串口與計(jì)算實(shí)體連接，通過AT 指令設(shè)置之后藍(lán)牙模塊間支持?jǐn)?shù)據(jù)透?jìng)鬓D(zhuǎn)發(fā)。

（3）繳費(fèi)控制器：車輛識(shí)別與產(chǎn)生費(fèi)用支付。

（4）停車場(chǎng)門禁：進(jìn)出停車場(chǎng)的門禁系統(tǒng)，進(jìn)場(chǎng)識(shí)別自動(dòng)開啟，出場(chǎng)繳費(fèi)完成后自動(dòng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)實(shí)體——藍(lán)牙模塊

本次采樣的藍(lán)牙模塊為5.0 版本的硬件模塊，是一種低功耗的藍(lán)牙模塊，如圖2 所示。由于車位鎖本身需要長(zhǎng)期放在車位上，是需要長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的。藍(lán)牙模塊采用的標(biāo)準(zhǔn)是藍(lán)牙5.0，相較之前版本更安全，成本更低，延遲更低，且傳輸距離更長(zhǎng)，而且能最大程度的防止干擾。藍(lán)牙5.0支持星型拓?fù)涞囊粚?duì)多連接，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整發(fā)射功率，可大幅降低傳輸功耗。

圖2 藍(lán)牙模塊實(shí)物

藍(lán)牙模塊的引腳定義如表1 所示。藍(lán)牙模塊工作電壓為3.3～5 V，為了使其功耗更低，使用3.3 V 作為工作電壓。將其連接在開發(fā)板上的5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電源PIN 腳上。

表1 藍(lán)牙模塊引腳定義

2.3 計(jì)算實(shí)體--單片機(jī)

賽博物理系統(tǒng)的信息處理主體是集運(yùn)算、儲(chǔ)存、控制于一體的單片機(jī)，總的來說就是一臺(tái)微型電腦[5]。單片機(jī)作為嵌入式開發(fā)的工具，其發(fā)展非常迅速，功能也在不斷增強(qiáng)，且單片機(jī)應(yīng)用范圍也越來越廣泛。

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體（ST）公司所推出的STM32 F103ZET6 大容量芯片，芯片內(nèi)核為Cortex-M3，集成了定時(shí)器、UART、ADC、USB、I2C 等多種功能，如表2所示。STM32F103ZET 包含有3 個(gè)ADC，每個(gè)ADC 的轉(zhuǎn)換速率為1 MHz，也就是1μs。STM32 將ADC 分成了兩個(gè)通道，分別為規(guī)則通道組和注入通道組。

表2 軟件各層級(jí)模塊定義

STM32 中ADC 的規(guī)則通道組可以包含最多16 個(gè)轉(zhuǎn)換，而注入通道組只包含4 個(gè)，所以STM32 中的ADC 可以進(jìn)行很多不同的轉(zhuǎn)換模式，但車位鎖中的電池電量檢測(cè)只需要執(zhí)行規(guī)則通道的單次轉(zhuǎn)換。

2.4 軟件架構(gòu)及物理接口交互協(xié)議

2.4.1 軟件程序架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為3 個(gè)層次，分別為底層（驅(qū)動(dòng)層），中間層和應(yīng)用層。其中，驅(qū)動(dòng)層與硬件緊密相連，設(shè)置相關(guān)的GPIO 口以及對(duì)應(yīng)的定時(shí)器，UART 的串口設(shè)置和對(duì)應(yīng)的中斷設(shè)置，CLOCK 模塊的設(shè)置等，并且包括了各個(gè)模塊的初始化。中間層主要是對(duì)串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。應(yīng)用層主要是根據(jù)串口接收到的信息來驅(qū)動(dòng)顯示器顯示對(duì)應(yīng)的信息，而用戶根據(jù)顯示器可以了解到車位目前的狀況。

2.4.2 UART 通信

UART 使用的是異步、串行通信。其中，串行通訊指的是使用一條數(shù)據(jù)線將，每個(gè)字符一位一位的按順序進(jìn)行傳輸。特點(diǎn)是較并行傳輸簡(jiǎn)單，一條線纜就可以實(shí)現(xiàn)通訊，成本低，適用于遠(yuǎn)距離通信，對(duì)于傳輸速度無要求的場(chǎng)合。而異步通信指的是通信中的兩個(gè)字符的時(shí)間間隔是不固定的，而在一個(gè)字符內(nèi)的各位的時(shí)間間隔是固定的，一個(gè)字符通常為8 位。

2.4.3 UART 通信協(xié)議

UART 是異步串行通信協(xié)議的一種，這代表著傳輸數(shù)據(jù)會(huì)將每一個(gè)字符一位接著一位的傳輸，如圖3 所示。以下是各位的功能。

圖3 UART 的數(shù)據(jù)傳輸格式

起始位：首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”，代表了開始傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)位：起始位之后，便是代表字符的位，可以是5～8為的邏輯“0或“1”，構(gòu)成一個(gè)字符。本文使用ASCII碼，也就是7 位。從最低位開始傳輸。

校驗(yàn)位：在數(shù)據(jù)位后加上這一位，可以使數(shù)據(jù)流中“1”的位數(shù)為偶數(shù)（即偶校驗(yàn)）或者奇數(shù)（即奇校驗(yàn)）。

停止位：這一位代表了一個(gè)字符數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。可以是1 位、1.5 位、2 位的高電平。

空閑位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線路中沒有數(shù)據(jù)傳輸。

2.4.4 STM32上的串口設(shè)置

串口是MCU 的重要外部接口，也是調(diào)速軟件的必要手段，如今的所以MCU基本都會(huì)帶有串口，STM32 也不例外。

STM32 的串口非常豐富，其功能也相當(dāng)?shù)膹?qiáng)悍。但是在使用STM32 的串口之前，必須在軟件端進(jìn)行設(shè)置，一般來說，串口的設(shè)置分為以下幾步。

（1）串口時(shí)鐘使能，GPIO 時(shí)鐘使能

（2）串口復(fù)位

（3）GPIO 端口模式設(shè)置

（4）串口參數(shù)初始化

（5）開啟中斷并初始NVIC（如果需要開啟中斷才需要這個(gè)步驟）

（6）使能串口

（7）編寫中斷處理函數(shù)

2.4.5 電池狀態(tài)及動(dòng)態(tài)管理

電池的放電和充電是有規(guī)律的，鋰電池的充電可以分為4 個(gè)階段[6]，分別為：涓流充電、恒流充電、恒壓充電以及充電中止，充電電壓變化如圖4 所示。

圖4 鋰電池充電曲線

鋰電池充電時(shí)，先是保持電流恒定，這個(gè)時(shí)候的電流達(dá)到最大，電池電壓隨著恒流充電逐步升高[7]。當(dāng)電池電壓接近4.2 V 時(shí)，電流大小開始降低，直到電壓達(dá)到4.2 V 時(shí)，電壓保持不變，這時(shí)被稱為恒壓充電，這個(gè)時(shí)候的電流會(huì)持續(xù)減少。當(dāng)充電電流減少到0.02 C至0.07 C 時(shí)，停止充電。

上面的充電曲線并不包括鋰電池過放和鋰電池過充的過程，如果鋰電池過放（電池電壓已經(jīng)低于3 V），需要進(jìn)行恢復(fù)性充電，直到電池電壓達(dá)到3 V 以上，才會(huì)進(jìn)行正常充電流程中的恒流充電。而為了防止過充，一般采用兩種方法，一種如上所示，在充電電流低于0.02 C 至0.07 C 之間時(shí)，停止充電。另一種在恒壓充電開始時(shí)計(jì)時(shí)，持續(xù)充電2 小時(shí)后終止充電過程。鋰電池保護(hù)芯片一般采用前種方法。

電池在剛開始使用時(shí)，電壓會(huì)快速下降，放電的倍率月大，電壓便會(huì)下降的越快[8]。之后，電池電壓會(huì)進(jìn)入一個(gè)較為平緩但仍在下降的階段，這時(shí)被稱為電池的平臺(tái)區(qū)，同樣的，放電倍率越大，平臺(tái)區(qū)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，平臺(tái)電壓越低，電壓下降的越緩慢。當(dāng)電池的電量接近放完時(shí)，電池的負(fù)載電壓開始急劇下降直至達(dá)到截止電壓。

另外，鋰電池的過放對(duì)于電池的損害很大，并且容易造成設(shè)備無法重新啟動(dòng)，所以應(yīng)該保證電池電壓不低于3V。

但是STM32 單片機(jī)的PIN 口僅支持3.3 V 以下的電壓輸入，所以不能將5 V 電壓直接輸入，否則會(huì)燒壞單片機(jī)的主芯片。需要接入電阻降壓或者利用單片機(jī)自帶的降壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器，將5 V 降到3.3 V。

之后將電壓連接到PIN 口，進(jìn)行ADC 采樣，通過得到的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算即可得到鋰電池的電壓，然后根據(jù)放電曲線就可以得到目前電池的剩余容量。

3 車位共享智慧控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)整備

在流程啟動(dòng)前需做好系統(tǒng)整備工作，包括了硬件準(zhǔn)備，需要的物品如下。

（1）PC 機(jī)一臺(tái)安裝有MDK5、XCOM 以及下載器J-link 的驅(qū)動(dòng)

（2）5V 鋰電池一個(gè)，STM32 開發(fā)板與一個(gè)相同芯片的STM32 核心板，J-link 下載器一個(gè)。

（3）代碼通過編譯以后通過J-link 將HEX 文件下載至集成電路中的MCU 中。

（4）單片機(jī)2 通過ad 采樣獲得外部電源的電壓，將百分比對(duì)應(yīng)的字符和鎖的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的字符發(fā)送到單片機(jī)1，單片機(jī)1 的LCD 可以顯示電源百分比和車位鎖狀態(tài)。

將所有模塊連接完成之后，則進(jìn)入工作模式，啟動(dòng)共享車位智慧控制流程。

3.2 共享車位智慧控制流程

（1）各車位的狀態(tài)信息和車位鎖信息經(jīng)車位鎖的低功耗藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)上傳至車位共享智慧控制系統(tǒng)的賽博信息存儲(chǔ)空間；

（2）有車輛進(jìn)入停車區(qū)域后，系統(tǒng)識(shí)別該車輛類型和所需停車位大小等信息，根據(jù)車位、車位鎖的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，規(guī)劃停車位，并通過路徑規(guī)劃最短路徑發(fā)送至車輛導(dǎo)航[9]，引導(dǎo)車輛尋找停車位；

（3）車輛離開停車位，判斷車輛是否使離，若離開，則將車位狀態(tài)變化信息上報(bào)至系統(tǒng)，系統(tǒng)在門禁處進(jìn)行費(fèi)用結(jié)算。

4 總結(jié)

本文基于賽博物理系統(tǒng)構(gòu)建了車位共享智慧控制系統(tǒng)，使用低功耗藍(lán)牙、分布式計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車位共享的動(dòng)態(tài)控制。對(duì)車位鎖的共享模式和控制流程進(jìn)行改進(jìn)，使用云-邊協(xié)同的控制系統(tǒng)，契合了賽博物理系統(tǒng)的理論，可以大幅改善用戶停車體驗(yàn)及簡(jiǎn)化車位管理復(fù)雜度。同時(shí)，本文也是基于賽博物理系統(tǒng)對(duì)物理空間和虛擬空間創(chuàng)新性結(jié)合的一次探索，可為后續(xù)更多關(guān)于傳統(tǒng)產(chǎn)品和系統(tǒng)的智能化研究提供實(shí)踐支撐。