一种自感应共享车位锁的设计与实现

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　　摘 要：随着汽车不断普及到家家户户，车位愈发紧缺。在“共享”概念不断延伸的今天，文章设计并实现了一种基于超声波测距技术的智能自感应车位地锁，通过超声波传感器的应用，实现了一种通过感应汽车来去从而自动控制车位锁的升降。该设计不仅可以解决“停车难”的问题，还可以优化车位锁摆放位置，实现车位共享，给车位主创造经济效益，为未来停车智能化提供了一定的参考意义。
　　关键词：自感应车位锁;超声波传感器;STM32F103单片机;共享停车;车位锁控制;车位管理
　　中图分类号：TP211+.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）06-0-04
　　0 引 言
　　近年来随着汽车数量的激增，车位的供不应求导致了越来越多的问题，停车问题已经成为了人们关注的焦点。尤其是车位难找以及车辆的乱停乱放给车位主带来了很大烦恼。车位的数量愈发紧张，那么对车位的有效管理以及智能化就尤为重要[1]。
　　为了防止出现争抢车位的情况，保障车位主的权益，车位锁随之出现在人们的视线。根据在“淘宝网”对“车位锁”关键词进行搜索，取样100个商品项，发现市面上主要有两类车位锁，根据功能可将其分为手动车位锁和遥控车位锁。其中机械手动车位锁占68款，智能遥控车位锁占32款。由于手动机械车位锁价格低廉，在100个样品中，销量最高的是手动控制车位锁。但是，车主安装手动式车位锁后，就必须在汽车出入时亲自下车操作解锁落锁，浪费车主的时间和精力，尤其是遇到雨雪天气，很不方便。随着车位锁逐渐智能化，市面上的某些短程智能操控车位锁销量可观，如基于蓝牙技术的遥控车位锁和红外车位锁等，但是这些车位锁仍然有种种不足之处。
　　本文基于超声波测距技术，设计了一款短程自动感应的车位锁，结合车位锁的摆放位置，实现车位共享。相对于价格高昂的智能遥控车位锁，本文采用的超声波传感器大大降低了生产成本，弥补了其他车位锁的不足之处，免去了人工操作的过程。既能有效减少因“抢车位”引发的矛盾冲突，又更加方便了车主停车，解决“停车难”的问题。在满足车主自身车位上锁的需求的同时，又能为车位创造经济价值，使闲置的车位高效利用，实现车位的共享，解决“停车难”的问题。
　　1 自感应车位锁设计
　　为了实现车位锁的自感应功能，本文选用超声波传感器作为车辆在位传感器，超声波传感器HC-SR04价格低廉，操作简单。车位锁终端其余部件包括STM32单片机、超声波测距模块、光电传感器、L298N电机驱动、直流步进电机等硬件模块。
　　为了实现车位锁的共享功能，把车位锁放置在车位的前端位置，当使用车位锁时，将车位锁放置于车位入口处，如图1所示。工作流程如下：用户想要停车时，通过扫描二维码知会车位主，车位主发送开锁指令，当车位锁接收到车位主发出的指令时，车位锁打开，用户顺利停入车位后，随即车位锁升起，锁住车位。待用户使用完毕车位并按停车时间付费后，车位主发出指令开锁，车位锁降下，用户离开。时间达到预设值后，车位锁升起，等待下一辆来车。
　　1.1 硬件设计
　　自感应车位锁的核心是STM32单片机，选择STM32单片机为核心控制模块，STM32F103主要分为基础型与增强型。本文使用的STM32F103ZET6属于增强型，模拟/数字（A/D）转换、数字/模拟（D/A）转换是该系列处理的重要功能[2]。
　　单片机通过发送指令给L298N驱动模块来控制车位锁锁臂升降电机的转动。光电传感器用来感应锁臂升降的位置。
　　其余部分由光电感应、步进电机、电机驱动、电源控制、超声波传感器、报警模块和时钟电路等组成。采用超声波测距传感器检测车辆是否有车辆靠近和车辆是否在位，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[3]。报警模块利用蜂鸣器报警，负责强制开锁报警、错误操作报警和电量过低报警，防止人为或意外对车位锁造成损害。时钟模块负责计时。图2为自感应车位锁硬件系统框图。
　　整体工作过程如下：车位锁上电后，给在位传感器和光电传感器供电，首先扫描检测车位上方判断是否有车辆占用车位，检测结果发送给单片机，单片机根据是否有车的信号继续发出指令。
　　若车位有车则开始计时至车辆离开;若车位无车，则发送信号判断是否有车辆靠近车位。若无车辆靠近，車位锁锁臂保持升起状态;若检测到有车靠近，则降下车位锁锁臂，同时扫描光电传感器信号，判断锁臂位置，当下降到指定位置后，调用计时子程序开始计时，计时至预设时间值后，此时车辆应停入车位。在位传感器将检测信号发送至单片机，车辆停入车位后，单片机接收到上升信号，调用上升子程序，控制电机旋转上升，升起锁臂，光电传感器检测锁臂位置，到达指定位置时，停止上升。随后计时至车辆离开。
　　1.1.1 选择超声波传感器测距
　　在自感应车位锁的感应测距设计中，以STM32单片机为控制核心，协调各电路的工作。由于超声波对色彩、光照以及电磁场等外界因素不敏感，因此适应环境恶劣的场所，适应范围广泛;超声波传感器的结构设计简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化[4]。本文选择超声波传感器作为测距工具，以检测车辆是否靠近车位锁和进行车辆在位检测。
　　车位锁处于开机状态时，超声波传感器每隔10 s进行一次距离检测。
　　当检测到车辆不在位时，两组超声波回路并行执行，STM32单片机在两组回路的I/O口同时发送40 kHz的脉冲，并选中每组CD4052的同一通道，向外发送超声波，此时开始计时。遇到有车辆靠近时则发射反射波，进入接收电路，进行简单的处理后，经各自的CD4052通道进入放大滤波电路后进入STM32的ADC通道，从而计算得出车辆至车位的距离，保存测得距离的传感器所在的通路得到车辆的方位，经MAX3485以RS 485通信协议上传给中控板车辆的距离与方位的信息[5]。接收到反射波后停止计时。根据计时器记录时间C和超声波声速计算障碍物距离（s=ct/2，c为超声波声速）时会受温度影响稍有变化，有些超声波测距设备会进行温度补偿设计[5]。 　　超声波测距根据回波时间差值和已知的声速计算，从而测得探头与目的被测物体之间的距离。计算公式如下：
　　H=（?T/2）·C'                                    （1）
　　式中：H为目的距离;C'=340 m/s，为声音在空气中的传播速度;T为超声波探头发出超声波至接收到回波信号所经历的时间。
　　设超声波发射探头到地面的距离为H，当有车辆驶入时，这时候测得超声波发射探头到障碍物的距离为H，把H设定为一个阈值，当H发生一定程度的变化时，方可判断停车位上有车停入[6]。
　　1.1.2 光电传感器电路的设计
　　光电传感器是用来感应车位锁的锁臂位置的传感器。当锁臂上升至指定位置时，光电传感器根据感应到的光的变化判断车位锁锁臂的位置并将该信号发出，随即单片机发出指令，电机停止转动。当锁臂下降至指定位置时，光电传感器向单片机发送信号，单片机控制停止电机运转，锁臂停止下降。其原理是感应光信号的强度变化从而将其转换成电信号的强度变化。车位锁在待机状态下，唯有光电传感器接收电路正常工作。这时不但要求电路具有超低功耗又要能保证其稳定性和灵敏度，从而将车位锁臂的升降信号发出[7]。
　　1.1.3 电机控制电路
　　电机控制电路是由单片机控制锁臂电机进行正转与反转，利用L298N模块作为电机驱动。当接收到升降锁臂信号时，单片机通过L298N驱动模块控制驱动电机的正反转，从而使锁臂升降。
　　1.1.4 声光报警电路设计
　　声光报警模块主要功能是提示报警，具有检测是否存在外力强制掰动车位地锁进行停车的情形而进行报警、错误操作报警和电量过低报警的功能，防止人为或意外对车位锁造成损害，以及不正当停车现象的发生，降低损失。车位锁在没有收到单片机发出的动作信号时，单片机实时检测位置信号，如果发现位置发生连续改变，则开始进行高响度蜂鸣器报警提示车位主[8]。
　　其工作原理为：车位锁设备感应到外力撞击或是电量不足等故障时，电容放电，高音喇叭收到信号后报警，二极管发光变红以提示使用者，采用无源蜂鸣器报警。
　　1.2 软件设计
　　车位锁的程序设计如下：根据主程序要求对各控制升降、超声波感应的子程序各自编码，再依靠主程序将各个模块连接，调试主程序，完成整个程序的编写。车位锁业务流程图如图3所示，单片机上电后，检测车位有无来车，判断用户是否顺利停进车位，顺利停入车位后进行计时计费，从而完成车位共享的过程。
　　1.2.1 锁臂升降流程
　　在单片机扫描子程序时，进行上升检测，传输信号为上升时，电机旋转上升;传输信号为下降时，电机停止转动。程序流程图如图4所示。
　　1.2.2 计时子程序流程
　　为防止车位空闲时被人恶意占用，设定计时子程序以定时关闭车位锁。程序启动后，以运行5 min为节点，当起降杆降落5 min无操作后，起降杆自动升起，关闭车位。
　　2 自感应车位锁的实现
　　2.1 软件实现
　　将程序写入单片机后，锁臂的升起以及下降的子程序能互相调用。通过APP发出指令，单片机接收上升或下降信号，从而控制锁臂的升起和下降。在锁臂上升过程中，若接收到下降的信号，则停止上升。在锁臂下降过程中，若接收到上升信号，则停止下降。车位主和用户均可通过APP发送指令，手机端APP界面（单机版）如图5所示。
　　2.2 硬件实现
　　将程序代码烧录入STM32单片机后，进行实物连接，图6为组装完成的自感应车位锁样机。
　　固定端硬件连接如图7所示，将硬件逐一按步骤连接，步进电机由STM32核心板上的三个端口PA0，PF0，PF1控制;PA0与L298N电机驱动模块上的IN3相连，GND与L298N电机驱动模块上的IN4相连，L298N电机驱动模块上的OUT3，OUT4与步进电机相连接，用以控制电机的正反转。
　　超声波模块HC-SR04具有VCC，GND，TRIG，Echo四个端口。TRIG接PF1，Echo接PA0，VCC接5 V端口，GND接GND。
　　2.3 实物检测
　　2.3.1 电压测试
　　根据12 V直流电机、超声波传感器等模块供电需求，综合考虑采用1.5 V 一号铅酸电池8节组成供电源，共计12 V，满电电压在13 V左右。如果检测到电量低于10 V，在一段时间后不能维持车位锁继续工作的情况下，则报警示意提示该处车位锁需要更换电池。
　　2.3.2 测距实验
　　超声波传感器水平测距实验的数据如表1所示，表格中的实际距离是通过卷尺测量的从超声波探头到墙壁之间的距离，测量距离就是用超声波测距量的距离。从这几组数据可以看出来最大相对误差为1.50%，应用于车位锁时满足水平方向障碍物检测要求。
　　3 结 语
　　车位共享是共享经济热潮的持續发展，是进入现代化社会的新契机[9]。将私家车位的闲置时段进行对外出租，这种共享模式为解决停车难的问题提供了一种新思路[10]。本文设计的基于超声波测距技术的自感应共享车位锁与特殊的车位锁摆放位置相结合，可实现全方位提供智能化停车服务和车位闲置时的共享功能，与市面上已经出现的车位锁比较，更加方便快捷;同时有效地解决了社会上停车难的问题和实现了闲置资源的高效利用，也保证了私家车位的个人所有性质，给车主带来优良的停车体验，对未来的智能化停车形式奠定了物质基础。
　　注：本文通讯作者为严李强。
　　参考文献
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