趙迎 嚴李強 馮郅皓

摘 要：隨著汽車不斷普及到家家戶戶，車位愈發(fā)緊缺。在“共享”概念不斷延伸的今天，文章設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于超聲波測距技術(shù)的智能自感應車位地鎖，通過超聲波傳感器的應用，實現(xiàn)了一種通過感應汽車來去從而自動控制車位鎖的升降。該設(shè)計不僅可以解決“停車難”的問題，還可以優(yōu)化車位鎖擺放位置，實現(xiàn)車位共享，給車位主創(chuàng)造經(jīng)濟效益，為未來停車智能化提供了一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：自感應車位鎖;超聲波傳感器;STM32F103單片機;共享停車;車位鎖控制;車位管理

中圖分類號：TP211+.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-0-04

0 引 言

近年來隨著汽車數(shù)量的激增，車位的供不應求導致了越來越多的問題，停車問題已經(jīng)成為了人們關(guān)注的焦點。尤其是車位難找以及車輛的亂停亂放給車位主帶來了很大煩惱。車位的數(shù)量愈發(fā)緊張，那么對車位的有效管理以及智能化就尤為重要[1]。

為了防止出現(xiàn)爭搶車位的情況，保障車位主的權(quán)益，車位鎖隨之出現(xiàn)在人們的視線。根據(jù)在“淘寶網(wǎng)”對“車位鎖”關(guān)鍵詞進行搜索，取樣100個商品項，發(fā)現(xiàn)市面上主要有兩類車位鎖，根據(jù)功能可將其分為手動車位鎖和遙控車位鎖。其中機械手動車位鎖占68款，智能遙控車位鎖占32款。由于手動機械車位鎖價格低廉，在100個樣品中，銷量最高的是手動控制車位鎖。但是，車主安裝手動式車位鎖后，就必須在汽車出入時親自下車操作解鎖落鎖，浪費車主的時間和精力，尤其是遇到雨雪天氣，很不方便。隨著車位鎖逐漸智能化，市面上的某些短程智能操控車位鎖銷量可觀，如基于藍牙技術(shù)的遙控車位鎖和紅外車位鎖等，但是這些車位鎖仍然有種種不足之處。

本文基于超聲波測距技術(shù)，設(shè)計了一款短程自動感應的車位鎖，結(jié)合車位鎖的擺放位置，實現(xiàn)車位共享。相對于價格高昂的智能遙控車位鎖，本文采用的超聲波傳感器大大降低了生產(chǎn)成本，彌補了其他車位鎖的不足之處，免去了人工操作的過程。既能有效減少因“搶車位”引發(fā)的矛盾沖突，又更加方便了車主停車，解決“停車難”的問題。在滿足車主自身車位上鎖的需求的同時，又能為車位創(chuàng)造經(jīng)濟價值，使閑置的車位高效利用，實現(xiàn)車位的共享，解決“停車難”的問題。

1 自感應車位鎖設(shè)計

為了實現(xiàn)車位鎖的自感應功能，本文選用超聲波傳感器作為車輛在位傳感器，超聲波傳感器HC-SR04價格低廉，操作簡單。車位鎖終端其余部件包括STM32單片機、超聲波測距模塊、光電傳感器、L298N電機驅(qū)動、直流步進電機等硬件模塊。

為了實現(xiàn)車位鎖的共享功能，把車位鎖放置在車位的前端位置，當使用車位鎖時，將車位鎖放置于車位入口處，如圖1所示。工作流程如下：用戶想要停車時，通過掃描二維碼知會車位主，車位主發(fā)送開鎖指令，當車位鎖接收到車位主發(fā)出的指令時，車位鎖打開，用戶順利停入車位后，隨即車位鎖升起，鎖住車位。待用戶使用完畢車位并按停車時間付費后，車位主發(fā)出指令開鎖，車位鎖降下，用戶離開。時間達到預設(shè)值后，車位鎖升起，等待下一輛來車。

1.1 硬件設(shè)計

自感應車位鎖的核心是STM32單片機，選擇STM32單片機為核心控制模塊，STM32F103主要分為基礎(chǔ)型與增強型。本文使用的STM32F103ZET6屬于增強型，模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換是該系列處理的重要功能[2]。

單片機通過發(fā)送指令給L298N驅(qū)動模塊來控制車位鎖鎖臂升降電機的轉(zhuǎn)動。光電傳感器用來感應鎖臂升降的位置。

其余部分由光電感應、步進電機、電機驅(qū)動、電源控制、超聲波傳感器、報警模塊和時鐘電路等組成。采用超聲波測距傳感器檢測車輛是否有車輛靠近和車輛是否在位，檢測算法采用間隔脈沖多次采樣的方式，確保檢測準確的同時，降低檢測器的功耗[3]。報警模塊利用蜂鳴器報警，負責強制開鎖報警、錯誤操作報警和電量過低報警，防止人為或意外對車位鎖造成損害。時鐘模塊負責計時。圖2為自感應車位鎖硬件系統(tǒng)框圖。

整體工作過程如下：車位鎖上電后，給在位傳感器和光電傳感器供電，首先掃描檢測車位上方判斷是否有車輛占用車位，檢測結(jié)果發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)是否有車的信號繼續(xù)發(fā)出指令。

若車位有車則開始計時至車輛離開;若車位無車，則發(fā)送信號判斷是否有車輛靠近車位。若無車輛靠近，車位鎖鎖臂保持升起狀態(tài);若檢測到有車靠近，則降下車位鎖鎖臂，同時掃描光電傳感器信號，判斷鎖臂位置，當下降到指定位置后，調(diào)用計時子程序開始計時，計時至預設(shè)時間值后，此時車輛應停入車位。在位傳感器將檢測信號發(fā)送至單片機，車輛停入車位后，單片機接收到上升信號，調(diào)用上升子程序，控制電機旋轉(zhuǎn)上升，升起鎖臂，光電傳感器檢測鎖臂位置，到達指定位置時，停止上升。隨后計時至車輛離開。

1.1.1 選擇超聲波傳感器測距

在自感應車位鎖的感應測距設(shè)計中，以STM32單片機為控制核心，協(xié)調(diào)各電路的工作。由于超聲波對色彩、光照以及電磁場等外界因素不敏感，因此適應環(huán)境惡劣的場所，適應范圍廣泛;超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化[4]。本文選擇超聲波傳感器作為測距工具，以檢測車輛是否靠近車位鎖和進行車輛在位檢測。

車位鎖處于開機狀態(tài)時，超聲波傳感器每隔10 s進行一次距離檢測。

當檢測到車輛不在位時，兩組超聲波回路并行執(zhí)行，STM32單片機在兩組回路的I/O口同時發(fā)送40 kHz的脈沖，并選中每組CD4052的同一通道，向外發(fā)送超聲波，此時開始計時。遇到有車輛靠近時則發(fā)射反射波，進入接收電路，進行簡單的處理后，經(jīng)各自的CD4052通道進入放大濾波電路后進入STM32的ADC通道，從而計算得出車輛至車位的距離，保存測得距離的傳感器所在的通路得到車輛的方位，經(jīng)MAX3485以RS 485通信協(xié)議上傳給中控板車輛的距離與方位的信息[5]。接收到反射波后停止計時。根據(jù)計時器記錄時間C和超聲波聲速計算障礙物距離（s=ct/2，c為超聲波聲速）時會受溫度影響稍有變化，有些超聲波測距設(shè)備會進行溫度補償設(shè)計[5]。

超聲波測距根據(jù)回波時間差值和已知的聲速計算，從而測得探頭與目的被測物體之間的距離。計算公式如下：

H=（?T/2）·C'? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：H為目的距離;C'=340 m/s，為聲音在空氣中的傳播速度;T為超聲波探頭發(fā)出超聲波至接收到回波信號所經(jīng)歷的時間。

設(shè)超聲波發(fā)射探頭到地面的距離為H，當有車輛駛?cè)霑r，這時候測得超聲波發(fā)射探頭到障礙物的距離為H，把H設(shè)定為一個閾值，當H發(fā)生一定程度的變化時，方可判斷停車位上有車停入[6]。

1.1.2 光電傳感器電路的設(shè)計

光電傳感器是用來感應車位鎖的鎖臂位置的傳感器。當鎖臂上升至指定位置時，光電傳感器根據(jù)感應到的光的變化判斷車位鎖鎖臂的位置并將該信號發(fā)出，隨即單片機發(fā)出指令，電機停止轉(zhuǎn)動。當鎖臂下降至指定位置時，光電傳感器向單片機發(fā)送信號，單片機控制停止電機運轉(zhuǎn)，鎖臂停止下降。其原理是感應光信號的強度變化從而將其轉(zhuǎn)換成電信號的強度變化。車位鎖在待機狀態(tài)下，唯有光電傳感器接收電路正常工作。這時不但要求電路具有超低功耗又要能保證其穩(wěn)定性和靈敏度，從而將車位鎖臂的升降信號發(fā)出[7]。

1.1.3 電機控制電路

電機控制電路是由單片機控制鎖臂電機進行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，利用L298N模塊作為電機驅(qū)動。當接收到升降鎖臂信號時，單片機通過L298N驅(qū)動模塊控制驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)，從而使鎖臂升降。

1.1.4 聲光報警電路設(shè)計

聲光報警模塊主要功能是提示報警，具有檢測是否存在外力強制掰動車位地鎖進行停車的情形而進行報警、錯誤操作報警和電量過低報警的功能，防止人為或意外對車位鎖造成損害，以及不正當停車現(xiàn)象的發(fā)生，降低損失。車位鎖在沒有收到單片機發(fā)出的動作信號時，單片機實時檢測位置信號，如果發(fā)現(xiàn)位置發(fā)生連續(xù)改變，則開始進行高響度蜂鳴器報警提示車位主[8]。

其工作原理為：車位鎖設(shè)備感應到外力撞擊或是電量不足等故障時，電容放電，高音喇叭收到信號后報警，二極管發(fā)光變紅以提示使用者，采用無源蜂鳴器報警。

1.2 軟件設(shè)計

車位鎖的程序設(shè)計如下：根據(jù)主程序要求對各控制升降、超聲波感應的子程序各自編碼，再依靠主程序?qū)⒏鱾€模塊連接，調(diào)試主程序，完成整個程序的編寫。車位鎖業(yè)務(wù)流程圖如圖3所示，單片機上電后，檢測車位有無來車，判斷用戶是否順利停進車位，順利停入車位后進行計時計費，從而完成車位共享的過程。

1.2.1 鎖臂升降流程

在單片機掃描子程序時，進行上升檢測，傳輸信號為上升時，電機旋轉(zhuǎn)上升;傳輸信號為下降時，電機停止轉(zhuǎn)動。程序流程圖如圖4所示。

1.2.2 計時子程序流程

為防止車位空閑時被人惡意占用，設(shè)定計時子程序以定時關(guān)閉車位鎖。程序啟動后，以運行5 min為節(jié)點，當起降桿降落5 min無操作后，起降桿自動升起，關(guān)閉車位。

2 自感應車位鎖的實現(xiàn)

2.1 軟件實現(xiàn)

將程序?qū)懭雴纹瑱C后，鎖臂的升起以及下降的子程序能互相調(diào)用。通過APP發(fā)出指令，單片機接收上升或下降信號，從而控制鎖臂的升起和下降。在鎖臂上升過程中，若接收到下降的信號，則停止上升。在鎖臂下降過程中，若接收到上升信號，則停止下降。車位主和用戶均可通過APP發(fā)送指令，手機端APP界面（單機版）如圖5所示。

2.2 硬件實現(xiàn)

將程序代碼燒錄入STM32單片機后，進行實物連接，圖6為組裝完成的自感應車位鎖樣機。

固定端硬件連接如圖7所示，將硬件逐一按步驟連接，步進電機由STM32核心板上的三個端口PA0，PF0，PF1控制;PA0與L298N電機驅(qū)動模塊上的IN3相連，GND與L298N電機驅(qū)動模塊上的IN4相連，L298N電機驅(qū)動模塊上的OUT3，OUT4與步進電機相連接，用以控制電機的正反轉(zhuǎn)。

超聲波模塊HC-SR04具有VCC，GND，TRIG，Echo四個端口。TRIG接PF1，Echo接PA0，VCC接5 V端口，GND接GND。

2.3 實物檢測

2.3.1 電壓測試

根據(jù)12 V直流電機、超聲波傳感器等模塊供電需求，綜合考慮采用1.5 V 一號鉛酸電池8節(jié)組成供電源，共計12 V，滿電電壓在13 V左右。如果檢測到電量低于10 V，在一段時間后不能維持車位鎖繼續(xù)工作的情況下，則報警示意提示該處車位鎖需要更換電池。

2.3.2 測距實驗

超聲波傳感器水平測距實驗的數(shù)據(jù)如表1所示，表格中的實際距離是通過卷尺測量的從超聲波探頭到墻壁之間的距離，測量距離就是用超聲波測距量的距離。從這幾組數(shù)據(jù)可以看出來最大相對誤差為1.50%，應用于車位鎖時滿足水平方向障礙物檢測要求。

3 結(jié) 語

車位共享是共享經(jīng)濟熱潮的持續(xù)發(fā)展，是進入現(xiàn)代化社會的新契機[9]。將私家車位的閑置時段進行對外出租，這種共享模式為解決停車難的問題提供了一種新思路[10]。本文設(shè)計的基于超聲波測距技術(shù)的自感應共享車位鎖與特殊的車位鎖擺放位置相結(jié)合，可實現(xiàn)全方位提供智能化停車服務(wù)和車位閑置時的共享功能，與市面上已經(jīng)出現(xiàn)的車位鎖比較，更加方便快捷;同時有效地解決了社會上停車難的問題和實現(xiàn)了閑置資源的高效利用，也保證了私家車位的個人所有性質(zhì)，給車主帶來優(yōu)良的停車體驗，對未來的智能化停車形式奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為嚴李強。

參考文獻

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