原创 基于机智云平台+STC单片机的M型智能车位锁设计

2021-9-27 18:26 187 0 分类: 物联网 文集: 机智云
该车位锁具有自动上锁、开锁,停车位进出口拥堵警示,夜间停车灯光指示,分时租赁等功能。通过系统硬件电路的设计和控制程序的编写与调试,搭建了样机平台,并进行了相关功能的测试。结果显示车位锁设计技术路线切实可行,工作性能良好。



随着社会经济的发展及人民生活水平的提高,汽车的保有量逐年增加,“车位少,停车难”的问题日益突显。经常出现公共停车位爆满,私家车位被占用的情况,车位锁应运而生。


目前,普遍使用的机械车位锁功能单一,上锁、开锁都需用户手动操作,如遇恶劣天气,用户体验十分糟糕,且机械锁多为X型、K型、A型、U型等[1-2]。X型车位锁防撞性能弱,K型和A型车位锁易划伤轮胎。设计了一款基于STC12C5A60S2单片机的M型智能车位锁。


本文采用一种新型结构的M型车位锁,锁降下时相当于一小段减速带,性能稳定,不易受损,使用寿命长。为方便用户使用设计了自动上锁、开锁,车位出口拥堵警示,停车灯光指引,语音提示等功能。为有效利用私人停车位的空余时间,实现车位资源共享,设计了业主停车和分时租赁两种工作模式。


1 车位锁组成及工作原理

本文设计的车位锁机械结构采用双三角形通过连杆组成的M型支架,与舵机连接安装在底座上。当车位闲置时,M型支架升起;当需要停车时,支架平置。支架上安装有红外测距传感器来检测进出口是否有障碍物,底座上安装有红外对射传感器,用来检测车位上是否有车。电源模块和控制电路设置在底座内部,车位锁总体结构示意如图1所示。


图一车位锁总体结构示意图


车位锁的控制部分分为感知层、网络层和应用层[3],结构如图2所示。应用层主要由单片机控制电路、监控程序和Android应用机智云App组成;网络层由无线Wi Fi模块组成;感知层主要由红外对射传感器、红外测距传感器、自动上锁解锁、语音提示、灯光指引等模块组成。

图二车位锁控制系统框架图


当业主停车时,通过手机App实现自动开锁,M型支架降下,语音提示车辆驶入停车。当红外测距传感器检测车辆驶离车位安全距离后,车位锁自动上锁。车位进出口出现拥堵车辆或拥堵物体时,车位锁发出拥堵语音提示[4]。夜晚或光照不好的情况下发出停车请求时,车位锁会发出停车语音提示及灯光指引,方便用户快速定位,节省时间。

当车位空闲租赁时,业主将车位信息进行发布,如有用户预约则接收开锁命令停车,同时计时。车位使用结束后进行计费,自动上锁。


2 硬件电路设计


车位锁硬件电路连接如图3所示。


2.1 STC12C5A60S2单片机

为了兼顾设计需求及成本考虑,本文选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片[5]。该芯片具有使用寿命长,性能稳定,损耗低,抗干扰能力强等优点。主控芯片主要功能是实现与无线通信模块的数据传送,车位相关信息的采集分析,上锁/解锁信号,语音信号,灯光指引信号的产生等功能。


2.2 红外对射传感器

红外对射传感器主要用于检测车位上是否停有车辆,防止车位锁误动作,并将采集的信息传送到控制系统。本文采用的红外对射传感器工作电压为5 V;工作电流为15 m A;负载电流为20 m A。内置施密特触发器,NPN晶体管集电极开路输出,红外激光照射时输出电压为0 V,遮光时输出电压为5 V。


2.3 红外测距传感器

红外测距传感器将发射端与接收端集成在同一块集成电路上,其检测距离可根据实际需求调节内部电位器旋钮,具有使用方便,易于安装,探测距离远等优点,工作电压为5 V。当有障碍物接近时,输出端信号引脚变成低电平,无障碍物接近时,引脚输出一直保持高电平状态[6]。


为了避免系统在默认状态下(无障碍物),高电平信号会有所波动,在输出端连接一个上拉电阻后再接入单片机,这样保证了信号的稳定。当有车辆驶入车位出口一定时间没有离开,红外测距传感器输入一个低电平信号给单片机,单片机控制程序判定车位出口存在拥堵风险,语音提示前方车辆离开。


2.4 语音提示、灯光指引模块

本设计采用WT558D语音模块,它是一款集单片机、语音电路、SPI-Flash存储器于一体的可编程语音系统[7]。设计时先通过Voice Chip上位机软件将音频文件下载到SPI-Flash存储器的相应地址段,做好地址与语音的对照表,放音时调用地址。停车时语音提示“已解锁,请驶入停车”,当有障碍物拥堵车位出口时提示语音“拥堵车位出口,请离开,谢谢!”。


灯光指引主要用于车位快速查找,便于停车取车。采用高效节能的5W大功率LED灯珠。灯珠的工作电流为350 m A~500 m A,而STC12C5A60S2单片机驱动电流不超过25 m A,因此需要利用大功率三极管进行电流放大,以提高驱动能力。


2.5 无线Wi Fi模块
网络层由无线Wi Fi模块esp8266组成。ESP8266工作温度范围大,性能稳定,对各种操作系统具有很好的适应性,仅需很少的**电路即可实现相应的功能[8]。ESP8266将传感器采集到的数据信息无线传输至机智云物联网平台,用户在手机端即可查看。


2.6 舵机驱动

舵机是车位锁开锁与上锁的动力源泉,需要具有足够的扭力。本文选用高扭矩的直流减速舵机XD-42GA775控制车位锁升降机构动作[9]。该舵机具有性价比高,寿命长,扭矩大,运行稳定的特点,其工作电压为4.8 V~6 V。利用单片机定时器中断产生的PWM信号控制舵机转动。


3 软件设计
3.1 机智云物联网平台


机智云是一个面向智能硬件的Aiot开发平台,提供一个设备发现,设备绑定、推送,设备分享等基础功能的一站式智能硬件开发及云服务平台[10]。依托机智云提供的云端服务功能,可以降低自建云服务器的成本和维护成本。STC12C5A60S2单片机系统与ESP8266模块通过HTTP协议与机智云服务器进行连接。该平台能够通过用户的手机App实时查看车位信息。再通过手机App和云平台向车位锁发出控制命令。


3.2 程序设计

程序设计主要包括业主停车模式控制程序设计和分时租赁控制模式程序设计。利用成熟的自助开发的平台机智云物联网硬件,在云端创建产品生成通用MCU平台代码,然后移植到STC12C5A60S2单片机上。无线Wi Fi模块ESP8266固件GAgent由机智云提供,直接下载烧录,手机App及相关功能由机智云通过的SDK二次开发来说明。


业主停车模式控制程序主要完成发出解锁命令,接收和解读解锁命令控制码,车位锁M型支架降落完成解锁动作,检测车位信息判断车辆是否离开,如离开自动上锁,未离开继续检测,业主停车模式控制流程如图4所示。
图四业主停车模式控制程序流程


车位空闲时,业主可发布租赁信息。客户可以通过手机App实时查看目的地周边可租用的车位并对空闲车位进行预约[10]。当客户到达预约车位后,点击App中的开锁按钮,就可以通过服务器发送开锁指令,完成停车后系统开始计时;客户结束停车离开后,系统结束计时进行扣费,同时自动上锁,车位租赁模式控制流程如图5所示。


4 功能测试

通过3D打印技术制作了车位锁的样机,并搭建实验平台对车位锁的控制功能进行检测,分别对车位信息、上锁动作、解锁动作、灯光指引、拥堵报警、计费功能等功能进行了100次测试,测试结果如表1所示。
图五车位租赁模式停车控制程序


表1 测试结果


测试结果表明,车位锁实现了预期的功能,并具有很高的可靠性。图6为解锁状态,M型支架升起;图7为上锁停车状态,M型支架降落,类似于一小段减速带;图8为灯光指引状态;图9为拥堵警示状态。
图六解锁停车状态


图8灯光指引状态

图9拥堵报警状态


本文以STC12C5A60S2单片机为主控制器,结合Wi Fi模块、传感器模块以及机智云平台设计出了一种M型智能车位锁。较传统的机械车位锁及遥控车位锁增加了信息采集,提示指引,租赁共享等功能,并且控制性能稳定,成功率在96%以上。方便了用户使用,提高了车位的利用率,实现车位资源共享,进一步解决了停车难的问题,具有一定的现实意义和应用价值。

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