智能車位鎖的設計與實現

丁蒼璧 陸子堃 殷若宬

摘 要：本項目是以MSP430f149為主控芯片對智能車位鎖進行設計與實現，文章利用相關FRID射頻識別技術，以及TP4056鋰電池充電和XL6009升壓技術，通過太陽能電池板和電磁鐵，在車位鎖外進行太陽能充電，利用RFID射頻識別卡，實現車位鎖的智能升降，將車位鎖全面智能化，使得車主無須時刻帶著車位鎖的鑰匙，實現“隨到隨停、不被占位”，并且省去了車主需要定時向車位鎖充電的煩惱。

關鍵詞：射頻識別；太陽能充電；智能化

由于中國經濟的飛速發展，汽車被越來越普遍的使用，據統計數據顯示，截至2017年6月底，全國機動車保有量達3.04億輛，其中汽車2.05億輛；專家預計2019年中國的汽車保有量將有望超越美國，成為世界第一汽車大國。近幾年，汽車數量的大增導致車位的急劇短缺，“停車難”這個問題也就擺在了大眾面前。為了戶主個人車位不被占有，車位鎖應運而生。市場上的車位鎖按功能可分為兩類：手動車位鎖、遙控車位鎖，當前市場上以機械車位鎖居多，這種車位鎖在車輛進出時，常常需要司機下車把車位鎖的起降桿抬起或放下，使用起來非常不方便，并且影響后面等待車輛的正常行駛，即使現在市場上最先進的車位鎖也要進行遙控和人為對其充電，對車主而言，十分不便。在學校創新精神的引領下，文章展開了對車位鎖的探索實踐。

1 設計方案

1.1 項目概述

相比較于市面上已有的一些車位鎖，我們的設計更加智能化、人性化，并且低碳環保。它主要有如下特點：（1）智能。該車位鎖在安裝之后，車主通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術[1]，刷完卡后，車位鎖的升降桿將自動下降，當車主開車離開時，升降桿將自動地升起，無需像以往的機械車位鎖一樣，需要車主下車進行開鎖和關鎖，這將大大節省車主時間，并且增強用戶使用該車位鎖的好感度。（2）環保。我國政府承諾在“十三五”期間，實現2020年單位GDP碳排放比2005年下降40%～45%的低碳目標，而該產品也以低碳環保的理念而設計，采用太陽能電池板進行充放電，完全可以提供車位鎖的日常供電，積極響應國家“節能減排”政策。（3）方便。該車位鎖采用太陽能供電，一方面低碳環保，與此同時，相比較于市面上的智能車位鎖都需要車主將車位鎖的電源取下進行充電而言，該車位鎖僅需要太陽能供電，無需車主對其進行充電，與同類產品相比經濟方便，有著無可比擬的優勢。

1.2 設計方案

2 硬件設計

車位鎖主要分為以下幾個部分：主控芯片—MSP430f149；電源設計—TP4056鋰電池，繼電器；射頻識別—13.56 MHz讀寫卡，RFID讀卡器；升降部分：電磁鐵。

2.1 CPU模塊

由于整體機械結構和內部電路設計的需要，我們采用了MSP430f149超低功耗單片機[1]作為主控芯片，這樣可以降低車位鎖的系統的功耗[2]，而且149內部資源多樣，處理速度滿足我們項目的要求。其工作電壓為1.8～3.6 V；采用16位精簡指令結構（Reduced Instruction Structure，RISC），只有27 條核心指令，8 MHz 時鐘頻率指令速度可達 8 M/s，大多數指令1個時鐘周期內完成；它還具有豐富的片上圍模塊，如看門狗、模擬比較器A、定時器A、定時器B、串口0和1、硬件乘法器及 A/D 轉換等，在目前所有單片機系列產品中尤為突出，便于方案的實施。

2.2 射頻識別模塊

RFID技術是一種非接觸自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。本系統采用MF RC522[2]芯片，它是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片，是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，其利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。RFID模塊設計如圖2所示。

2.3 電源模塊

電源模塊主要由太陽能板[3]，TP4056鋰電池充電板和XL6009升壓模塊[4]構成，TP4056是一款完整的單節鋰電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。并且適合USB電源和適配器電源工作，當在充電時顯示藍燈，充電結束時顯示綠燈。升壓模塊芯片XL6009調節器是寬入范圍，由功率MOSFET管和固定頻率振蕩器構成，輸入電壓范圍5～32 V，電流模式結構在寬范圍輸入和輸出電壓穩定工作，如圖3所示。

2.4 繼電器模塊

當IC卡第一次接觸RFID讀寫器時，外接電磁鐵將立刻彈起，并且作為指示燈發光二極管也將亮起；當第二次將IC卡接觸RFID讀寫卡時，外接電磁鐵會收回，指示燈也將熄滅，在夜間不可能見度較低的情況下，用戶可以觀察指示燈，了解自己的車位鎖是否升起，如圖4所示。

3 軟件設計

系統的軟件構造如圖5所示。

車位鎖的軟件設計采用模塊化的設計方案，當IC卡接觸RFID讀寫器時，RFID讀寫器將讀出IC卡的編號數組，編號數組傳輸到單片機中，與設定好的編號數組值進行對比，如果吻合，單片機將發出對繼電器的命令，從而將外接電磁鐵的非接地端與5 V電源電壓相貼合，此時電磁鐵就將彈出；如果RFID讀寫器傳輸的編號數組與單片機內設定的編號數組對比后不吻合，單片機將不再執行之后的程序，通過這樣的方法可以實現“一鎖一車”的智能車位鎖功能，并且可以設置一定的時間間隔，防止重復讀卡[3]。

4 調試

在項目設計過程中涉及幾部分調試。

4.1 代碼的調試

主程序寫完后下載到板子上進行了試運行，代碼并沒有設置間隔時間，IC卡接觸RFID模塊如不及時拿開，單片機會使繼電器連續工作，而繼電器在短時間內連續工作過多，會使內部燒斷，于是在主程序中加入了短時間內防止單片機重復向繼電器發出指令的代碼，最后確定在0.5 s內將不得重復刷卡。

4.2 硬件測試

正常工作時的各個模塊數據如表1所示。

太陽能充電時的各個模塊數據如表2所示。

調試中所遇到的問題及解決方法：（1）在電源模塊（XL6009）拿到時，我們發現其輸出電壓并不滿足要求，于是利用模塊自帶的精密電位器對其進行輸出電壓的調試。（2）在調試RFID射頻識別模塊時，因為未關閉電源就進行插拔，導致RFID模塊內部燒斷，不能夠識別有效的IC卡，所以在之后的調試中都會及時關閉電源，并且在RFID模塊中加入了直排插針，保證RFID射頻識別模塊正常工作[4]。如圖6所示。

5 結語

在當下飛速發展的時代中，智能化以及物聯網的發展將是一種必然趨勢，該智能車位鎖以“智能，環保，經濟”為主旨，彌補了當今普通車位鎖單一，繁瑣等缺點，我們設計的車位鎖實現車位鎖的智能化，但是該項目還存在一定的不足，比如升降桿上升和下降的速度過快，還需要在這些方面以及識別距離上多做研究，為已經到來的智能時代添磚加瓦。

[參考文獻]

[1]沈建華.MSP430系統16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]袁樂民.基于RC522的RFID讀卡器電路設計實現[J].數字技術與應用，2014（12）：166-167.

[3]裴云慶.開關穩壓電源的設計和應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[4]王志強.開關電源設計[M].北京：電子工業出版社，2010.