基于无线通信的共享智能车位锁

河北工业大学人工智能与数据科学学院 李维学 潘炫桦 张 萍

0 引言

现今，汽车拥有量的不断增加，导致停车位供不应求。目前传统停车位现状集中表现为缺口大、资源紧张，管理混乱，收费滞后等问题。为此本设计综合运用文献检索、实地观察的方法，对停车位现状、车位基本情况、等进行深入研究，城市的停车难问题主要由停车位供给不够引起的，也存在闲置的停车位没有被充分利用的情况。本文结合物联网技术，设计研究符合用户体验的车位智能硬件，实现车位资源的有效利用，缓解停车难及车位管理缺失的问题[1]。

目前，国内已有学者开展了关于无线通信的智能车位锁，采用的是低功耗蓝牙通讯或RFID射频技术，可实现无线通信，不过上述两种技术在距离上有所限制，无法实现超远距离控制车位锁[2]。经调查，有结合GSM通信技术的车位锁，其通过发送短信的方式来远程控制车位锁，但其在实时性上与可共享性上有所欠缺，无法实现大范围的共享连接。结合上述情况，本文将阐述手机客户端以GPRS网络方式，与服务器和以单片机为核心的硬件控制系统相互连接通信，此通信方式速度快，且运用服务器可实现车位锁共享管理，为车位锁提供了互联网入口，把用户和停车位方便、直观地联系起来，实现车位锁远程控制[3]。该方案能有效解决车位拥有者对远程车位的管理控制，为私有车位向社会开放、商业化运作提供一种可行的技术解决方法。

设计思路——使用STM32系列单片机作为核心控制单元，物联网通信选用GPRS模块G3524，实现车位锁和云服务器间的联网及双方数据实时传输[4]。单片机通过控制由继电器构成的H桥电路驱动直流电机，车位锁锁臂由直流电动机驱动进行升降，其升降位置检测采用对射式红外线光电开关。采用超声波测距传感器检测停车位上车辆状态，检测算法采用间隔脉冲多次采样的方式，确保检测准确的同时，降低检测器的功耗[5]。

1 总体设计方案

1.1 设计目标

本课题研究智能车位锁的控制装置，以实现车位锁的智能开关，即可通过操作手机App来远距离控制车位锁的开关。智能车位锁具有远程通信模块，为智能车位锁提供了互联网入口，实现服务器、移动终端、控制器和车位锁之间的互联。为实现共享车位锁功能，设置车位锁唯一电子标签，在车位锁空闲状态下，不同的手机App均可以通过该电子标签来远程控制智能车位锁[6]。

1.2 系统设计

智能车位锁控制器总体结构如图1所示。主要由6个模块构成，包括主控制单元、GPRS通信模块、红外检测开关、超声波测距模块、继电器、直流电动机等构成。

图1 系统结构框图

本系统的设计通过车位锁联网，既可以实现车位锁远程控制与管理，又实现了车位锁与云端服务器连接，可通过车位锁唯一电子标签完成对外共享，从而有效缓解了车位供需矛盾，提髙城市车位的利用率。

工作流程如下：使用手机App与服务器连接通信，发出相关控制指令与相应的车位锁电子标签，服务器接收到信息后将该信息发送到相对应的车位锁，主控制单元发出动作指令。

由GPRS模块与STM32为核心的硬件控制系统相结合，从而实现用户远程控制车位锁的释放与锁定。通过云端服务器将车位锁与手机App连接起来，实现车位锁的远程管理与共享。

系统包括软件设计和硬件设计两个部分，其中硬件部分包括单片机硬件控制系统的设计，主要工作是实现车位锁远程控制。即根据服务器发出的控制码指令，控制车位锁升降机构的锁定与释放。软件部分包括手机客户端和服务器端的开发。主要功能是根据车位锁的唯一电子标签，发送控制指令并记录车位锁状态，实现用户共享车位锁。用户使用时，只需要用手机App通过移动互联网络接入服务器，查询相关车位状态，获取车位锁的电子标签，即可对智能车位锁进行远程控制。

2 硬件系统设计

2.1 主控制单元

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核，集高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作等特性于一身，同时还保持了集成度高和易于开发的特点[7]。本文选用STM32系列单片机作为智能车位锁的主控制芯片。单片机的输入输出信号及电路连接关系如表1所示：

表1 单片机输入信号及外围电路连接关系

2.2 超声波测距模块

超声波模块采用HC-SR04超声波传感器，可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测量精度可达到3mm[8]。基本工作原理：采用IO口TRIG触发测距，给至少10µs的高电平信号。模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340m/s)/2。单片机为发射控制口提供一个10us以上的高电平，在接收口等待高电平输出。一有输出信号单片机就开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。主要功能是防止人为误操作，引起车位锁异常升起，与停驻车辆造成碰撞。其工作原理图如图2所示：

图2 超声波测距模块工作原理图

2.3 限位开关模块

在车位锁升降过程中，利用红外线发射与接收二极管构成限位开关。当有物体挡在发射与接收二极管之间，接收二极管无法接收红外线，红外线接收二极管关闭，限位开关电路输出高电平[9]。根据此原理，限位开关电路设置两对发射接收二极管，分别检测上升和下降时的车位锁动作极限位置。将此信号作为中断信号输入到单片机，单片机根据输入信号来驱动电机停止动作。

2.4 GPRS模块

在本系统中，要实现车位锁的远程控制，需要寻求一种能进行远距离通信的模块[10]。本系统在工作时对数据流量传输需求较少，因此选用金讯科技G3524系列开发板。配合服务器及客户端软件可构建一种基于GPRS的远程控制系统。该模块适用于全球所有国家频段，产品使用没有地域限制。该模块功耗低，性能可靠，功耗低于1W，可大幅提高产品的续航能力。上行速率2KB/S，下行速率4KB/S，能满足本项目较小数据流量传输的需求。UART速率覆盖2400-115200bps。

在该系统中，要实现通过GPRS模块与服务器进行数据传输的需求，需要建立一条无线传输通道。一般来说，网络应用服务在选择传输层协议时有两大选择，即TCP或UDP。TCP是一种面向连接的、具备可靠传输特性的协议；UDP是一种面向无连接的传输协议。由于TCP传输可靠性上优于DUP，目前TCP仍然是网络流量的较大组成部分。

系统通过配置GPRS模块与服务器建立TCP连接，配置前要给PWON引脚2s低电平将模块开机。配置GPRS模块时，需要使用KINGCOM_DTU配置工具配置其网络参数，其中传输协议配置为TCP传输协议，服务器IP地址配置为202.113.112.10，服务器端口号配置为8080端口。为了防止随机出现的短暂无网络服务情况，设置GPRS模块为自动重连模式，心跳时间60s。此时GPRS模块配置完成。

GPRS模块开机后，先搜索网络服务，获取网络服务后，提取车位锁设备电子标签，通过“DEVICE+电子标签”形式的指令向指定IP的服务器发送车位锁设备的电子标签，当服务器接收“CONNECT OK”指令时，标志着GPRS模块已与服务器建立TCP连接，车位锁设备成功上线。

用户使用手机客户端控制车位锁设备打开时，App通过服务器中保存的TCP连接，向GPRS模块发送“DEVICE+ON”指令，主控制单元从串口接收到该指令时，控制锁臂下降。当用户使用手机客户端执行关闭车位锁设备操作时，手机端向GPRS模块发送“DEVICE+OFF”指令，主控制单元接收指令，控制锁臂上升。

2.5 直流电机驱动模块

单片机无法直接驱动直流电机，由此，采用两个继电器构成H桥电路来驱动直流电机。单片机通过控制两个继电器开关，驱动直流电机正反转。

单片机判断输入信号，控制直流电机的正反转，驱动车位锁升降机构释放与锁定，升降机构动作后触发限位开关，限位信号反馈至主控制器，单片机根据限位信号判断车位锁是否实现正常的起降。

3 软件设计方案

软件部分主要由手机客户端App、云端服务器配置和车位锁远程控制端单片机软件控制系统组成[11]。本文主要介绍软件的主要工作流程。

3.1 手机客户端的软件设计

移动终端应用程序的主要功能有：车位锁状态查询、车位锁远程控制开关。手机客户端软件工作流程图如图3。

图3 手机客户端软件流程图

打开手机App后，配置服务器地址以及服务器端口号，等待手机App与服务器建立连接，发送车位锁电子标签，等待车位锁回复状态信息。如若正常，则发送控制码指令到服务器，服务器将控制码指令发送给车位锁，主控制器根据得到的控制码指令，控制直流电机作出相应动作。其App界面如图4所示。

3.2 嵌入式硬件控制系统的软件设计

嵌人式硬件控制系统实现的主要功能有：与服务器建立连接，接收服务器发送的控制码指令，并执行信息内容指令；若接收到服务器查询状态指令，车位锁控制器驱动超声波测距模块测量上方是否有车，并返回服务器该状态信息；根据控制指令，驱动继电器控制设备启动电机，控制车位锁升降机构动作；根据限位开关返回的信号，控制车位锁升降机构的幅度，确保车位锁正常动作。软件流程如图5所示。

图4 App界面

图5 嵌入式控制系统软件流程图

车位锁上方已有车辆停驻，当主控制器得到发送来的上升控制指令时，会驱动超声波测距模块测量车位锁上方的距离，若距离小于50cm则上方已停驻车辆，单片机不会驱动直流电机动作。反之，上方无车，驱动车位锁上升关闭。这也是车位锁的防止用户误操作的保护功能。

3.3 云端服务器配置

该系统中服务器作为用户与车位锁的连接通道，要求服务器具有较强的处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性。该系统本文采用阿里云作为云计算中心，提供简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务[12]。

服务器功能的实现：

服务器系统主要分为车位锁后台服务和手机客户端服务。车位锁后台服务用于维护车位锁设备与服务器的连接。手机客户端服务提供手机端向车位锁发送指令的接口。

手机客户端与服务器的通信主要通过发送HTTP请求，使用轻量级的JSON数据交换格式实现。服务器为手机客户端提供5个接口：用户注册、用户登录、打开车位锁、关闭车位锁、获取当前车位锁状态。车位锁设备与服务器通过TCP连接，当服务器接收到用户请求时，服务器向车位锁设备发送控制码指令。服务器功能如图6所示。

图6 服务器功能概览

4 总结

随着社会经济的快速发展，我国机动车保有量大幅增加，城市交通问题日益严重。在此状况下，人们开车出行就出现了很多的问题。如停车位难找，车难停，路边停车多。与此相对的是，大部分私人停车位在主人开车出行的时段闲置，停车资源大量的浪费[13]。因此，把闲置的资源利用起来，让价格高昂的固定资产来回报现金，缓解人们的出行停车难问题，减少我们的路边停车数量。

本文设计、研发出一套分为车位锁硬件检测端、服务器端、移动端的智能停车管理系统，用户只需要点击App上的按钮就可以对车位锁进行远程控制。本设计可实现预定车位、出租车位、路线导航、自助停车服务等贴合用户需求，实现对城市停车位集中管理、分散控制，、车位资源的共享，以提高停车位使用率、增加停车场收入、缓解交通问题[14]。

本设计下一步计划实现车位锁自动识别车辆身份，对合法车辆能够做到车来自动开锁，车走自动关锁，用户不必点击手机App即可进入或驶离车位，让车位锁更加智能化，方便用户生活。