基于STC單片機的M型智能車位鎖設計

孫莉莉，陳洪希，張 濤，李忠和

（成都理工大學工程技術學院 自動化工程系，樂山614000）

隨著社會經濟的發展及人民生活水平的提高，汽車的保有量逐年增加，“車位少，停車難”的問題日益突顯。經常出現公共停車位爆滿，私家車位被占用的情況，車位鎖應運而生。目前，普遍使用的機械車位鎖功能單一，上鎖、開鎖都需用戶手動操作，如遇惡劣天氣，用戶體驗十分糟糕，且機械鎖多為X型、K 型、A 型、U 型等[1-2]。X 型車位鎖防撞性能弱，K型和A 型車位鎖易劃傷輪胎。本文采用一種新型結構的M 型車位鎖，鎖降下時相當于一小段減速帶，性能穩定，不易受損，使用壽命長。為方便用戶使用設計了自動上鎖、開鎖，車位出口擁堵警示，停車燈光指引，語音提示等功能。為有效利用私人停車位的空余時間，實現車位資源共享，設計了業主停車和分時租賃兩種工作模式。

1 車位鎖組成及工作原理

本文設計的車位鎖機械結構采用雙三角形通過連桿組成的M 型支架，與舵機連接安裝在底座上。當車位閑置時，M 型支架升起；當需要停車時，支架平置。支架上安裝有紅外測距傳感器來檢測進出口是否有障礙物，底座上安裝有紅外對射傳感器，用來檢測車位上是否有車。電源模塊和控制電路設置在底座內部，車位鎖總體結構示意如圖1所示。

圖1 車位鎖總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of parking lock

車位鎖的控制部分分為感知層、網絡層和應用層[3]，結構如圖2所示。應用層主要由單片機控制電路、監控程序和Android 應用機智云App 組成；網絡層由無線WiFi 模塊組成；感知層主要由紅外對射傳感器、紅外測距傳感器、自動上鎖解鎖、語音提示、燈光指引等模塊組成。

圖2 車位鎖控制系統框圖Fig.2 Block diagram of parking lock control system

當業主停車時，通過手機App 實現自動開鎖，M型支架降下，語音提示車輛駛入停車。當紅外測距傳感器檢測車輛駛離車位安全距離后，車位鎖自動上鎖。車位進出口出現擁堵車輛或擁堵物體時，車位鎖發出擁堵語音提示[4]。夜晚或光照不好的情況下發出停車請求時，車位鎖會發出停車語音提示及燈光指引，方便用戶快速定位，節省時間。

當車位空閑租賃時，業主將車位信息進行發布，如有用戶預約則接收開鎖命令停車，同時計時。車位使用結束后進行計費，自動上鎖。

2 硬件電路設計

車位鎖硬件電路連接如圖3所示。

圖3 硬件電路連接圖Fig.3 Hardware circuit connection diagram

2.1 STC12C5A60S2 單片機

為了兼顧設計需求及成本考慮，本文選用STC12C5A60S2 單片機作為主控芯片[5]。該芯片具有使用壽命長，性能穩定，損耗低，抗干擾能力強等優點。主控芯片主要功能是實現與無線通信模塊的數據傳送，車位相關信息的采集分析，上鎖/解鎖信號，語音信號，燈光指引信號的產生等功能。

2.2 紅外對射傳感器

紅外對射傳感器主要用于檢測車位上是否停有車輛，防止車位鎖誤動作，并將采集的信息傳送到控制系統。本文采用的紅外對射傳感器工作電壓為5 V；工作電流為15 mA；負載電流為20 mA。內置施密特觸發器，NPN 晶體管集電極開路輸出，紅外激光照射時輸出電壓為0 V，遮光時輸出電壓為5 V。

2.3 紅外測距傳感器

紅外測距傳感器將發射端與接收端集成在同一塊集成電路上，其檢測距離可根據實際需求調節內部電位器旋鈕，具有使用方便，易于安裝，探測距離遠等優點，工作電壓為5 V。當有障礙物接近時，輸出端信號引腳變成低電平，無障礙物接近時，引腳輸出一直保持高電平狀態[6]。為了避免系統在默認狀態下（無障礙物），高電平信號會有所波動，在輸出端連接一個上拉電阻后再接入單片機，這樣保證了信號的穩定。當有車輛駛入車位出口一定時間沒有離開，紅外測距傳感器輸入一個低電平信號給單片機，單片機控制程序判定車位出口存在擁堵風險，語音提示前方車輛離開。

2.4 語音提示、燈光指引模塊

本設計采用WT558D 語音模塊，它是一款集單片機、語音電路、SPI-Flash 存儲器于一體的可編程語音系統[7]。設計時先通過Voice Chip 上位機軟件將音頻文件下載到SPI-Flash 存儲器的相應地址段，做好地址與語音的對照表，放音時調用地址。停車時語音提示“已解鎖，請駛入停車”，當有障礙物擁堵車位出口時提示語音“擁堵車位出口，請離開，謝謝！ ”。

燈光指引主要用于車位快速查找，便于停車取車。采用高效節能的5 W 大功率LED 燈珠。燈珠的工作電流為350 mA～500 mA，而STC12C5A60S2 單片機驅動電流不超過25 mA，因此需要利用大功率三極管進行電流放大，以提高驅動能力。

2.5 無線WiFi 模塊

網絡層由無線WiFi 模塊ESP8266 組成。ESP8266工作溫度范圍大，性能穩定，對各種操作系統具有很好的適應性，僅需很少的外圍電路即可實現相應的功能[8]。ESP8266 將傳感器采集到的數據信息無線傳輸至機智云平臺，用戶在手機端即可查看。

2.6 舵機驅動

舵機是車位鎖開鎖與上鎖的動力源泉，需要具有足夠的扭力。本文選用高扭矩的直流減速舵機XD-42GA775 控制車位鎖升降機構動作[9]。該舵機具有性價比高，壽命長，扭矩大，運行穩定的特點，其工作電壓為4.8 V～6 V。利用單片機定時器中斷產生的PWM 信號控制舵機轉動。

3 軟件設計

3.1 機智云平臺

機智云是一個面向智能硬件的開發平臺，提供一個設備發現，設備綁定、推送，設備分享等基礎功能的一站式智能硬件開發及云服務平臺[10]。依托機智云提供的云端服務功能，可以降低自建云服務器的成本和維護成本。STC12C5A60S2 單片機系統與ESP8266模塊通過HTTP 協議與機智云服務器進行連接。該平臺能夠通過用戶的手機App 實時查看車位信息。再通過手機App 和云平臺向車位鎖發出控制命令。

3.2 程序設計

程序設計主要包括業主停車模式控制程序設計和分時租賃控制模式程序設計。利用成熟的自助開發的平臺機智云物聯網硬件，在云端創建產品生成通用MCU 平臺代碼，然后移植到STC12C5A60S2單片機上。無線WiFi 模塊ESP8266 固件GAgent 由機智云提供，直接下載燒錄，手機App 及相關功能由機智云通過的SDK 二次開發來聲明。

業主停車模式控制程序主要完成發出解鎖命令，接收和解讀解鎖命令控制碼，車位鎖M 型支架降落完成解鎖動作，檢測車位信息判斷車輛是否離開，如離開自動上鎖，未離開繼續檢測，業主停車模式控制流程如圖4所示。

圖4 業主停車模式控制程序流程Fig.4 Owner parking mode control program flow chart

車位空閑時，業主可發布租賃信息。客戶可以通過手機App 實時查看目的地周邊可租用的車位并對空閑車位進行預約[10]。當客戶到達預約車位后，點擊App 中的開鎖按鈕，就可以通過服務器發送開鎖指令，完成停車后系統開始計時；客戶結束停車離開后，系統結束計時進行扣費，同時自動上鎖，車位租賃模式控制流程如圖5所示。

圖5 車位租賃模式停車控制程序Fig.5 Parking control program in parking space rental mode

4 功能測試

通過3D 打印技術制作了車位鎖的樣機，并搭建實驗平臺對車位鎖的控制功能進行檢測，分別對車位信息、上鎖動作、解鎖動作、燈光指引、擁堵報警、計費功能等功能進行了100 次測試，測試結果如表1所示。

表1 測試結果Tab.1 Test results

測試結果表明，車位鎖實現了預期的功能，并具有很高的可靠性。圖6 為解鎖狀態，M 型支架升起；圖7 為上鎖停車狀態，M 型支架降落，類似于一小段減速帶；圖8 為燈光指引狀態；圖9 為擁堵警示狀態。

圖6 解鎖停車狀態Fig.6 Unlock parking status

圖7 上鎖狀態Fig.7 Locked state

圖8 燈光指引狀態Fig.8 Light guide status

圖9 擁堵報警狀態Fig.9 Congestion alarm status

5 結語

本文以STC12C5A60S2 單片機為主控制器，結合WiFi 模塊、傳感器模塊以及機智云平臺設計出了一種M 型智能車位鎖。較傳統的機械車位鎖及遙控車位鎖增加了信息采集，提示指引，租賃共享等功能，并且控制性能穩定，成功率在96%以上。方便了用戶使用，提高了車位的利用率，實現車位資源共享，進一步解決了停車難的問題，具有一定的現實意義和應用價值。