李淵博，張紅雨，牛嘉祥

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

基于藍(lán)牙的智能車位鎖設(shè)計(jì)

李淵博，張紅雨，牛嘉祥

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

針對(duì)傳統(tǒng)手動(dòng)車位鎖使用不便以及現(xiàn)有智能車位鎖功耗大、安全系數(shù)低等弊端，本文旨在利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)感應(yīng)式智能車位鎖。整個(gè)系統(tǒng)主要有控制模塊、藍(lán)牙電子標(biāo)簽、地磁車位檢測(cè)模塊、電源管理模塊和手機(jī)五部分構(gòu)成。其中藍(lán)牙電子標(biāo)簽和控制模塊主要由低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822組成，實(shí)現(xiàn)車位鎖密鑰發(fā)送、識(shí)別以及對(duì)車位鎖的控制；地磁車位檢測(cè)模塊主要由HMC1021S組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)車位狀況的檢測(cè)；電源管理模塊主要負(fù)責(zé)工作電壓轉(zhuǎn)換和電量檢測(cè)。

藍(lán)牙；電子標(biāo)簽；車位鎖；地磁車位檢測(cè)模塊

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)攀升，但是相應(yīng)的公共配套服務(wù)并沒有得到完善，因私有車位被占而引起的糾紛屢見不鮮，車位鎖為這一社會(huì)熱點(diǎn)問題提供了良好的解決方案[1]。傳統(tǒng)車位鎖由于其使用不便，安全性低，智能化較低等特點(diǎn)并沒有得到廣大車主和車位管理方的一致認(rèn)可。

智能車位鎖正是針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上各種車位鎖功能上的弊端，面向廣大車主的需求而設(shè)計(jì)的一款科技含量高、智能化程度大，安全系數(shù)高，可操作性強(qiáng)的產(chǎn)品。本智能車位鎖的設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了“不下車開鎖”，有效解決了傳統(tǒng)車位鎖在使用便利性方面的不足，而且通過手機(jī)APP還可以將臨時(shí)密鑰分享給車主的親朋好友或者租客，極大提高車位了利用率，為解決停車難這一社會(huì)問題也提供了一種新的思路[2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該感應(yīng)式智能車位鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過手機(jī)或者安裝在車輛上的藍(lán)牙電子標(biāo)簽與智能車位鎖的藍(lán)牙通信，MCU nRF51822可以根據(jù)具體場(chǎng)景控制驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)車位鎖做出上鎖或者解鎖的動(dòng)作。地磁車位檢測(cè)模塊不僅可以檢測(cè)車位當(dāng)前狀況，防止用戶手機(jī)端誤操作，還可以通過在有車時(shí)關(guān)閉MCU nRF51822的藍(lán)牙來(lái)降低系統(tǒng)功耗。報(bào)警模塊負(fù)責(zé)外界碰撞報(bào)警、誤操作報(bào)警和低電量報(bào)警。由于芯片和電機(jī)的供電電壓不同，電源模塊則負(fù)責(zé)MCU nRF51822和驅(qū)動(dòng)模塊之間的電壓轉(zhuǎn)換，并將采集的電量信息送交MCU以進(jìn)行電量指示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

藍(lán)牙電子標(biāo)簽作為一個(gè)處于主機(jī)狀態(tài)的藍(lán)牙通信模塊，主要負(fù)責(zé)在與處于從機(jī)狀態(tài)的車位鎖控制端建立藍(lán)牙通信連接后向車位鎖控制端發(fā)送相應(yīng)的密鑰。車位鎖控制端識(shí)別判斷之后進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

由于控制模塊不僅作為整個(gè)系統(tǒng)的CPU負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算處理及任務(wù)調(diào)度，還作為藍(lán)牙通信的從機(jī)與作為藍(lán)牙通信主機(jī)的藍(lán)牙電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，為滿足此綜合需求，本項(xiàng)目采用Nordic Semiconductor公司的低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822作為控制模塊和藍(lán)牙電子標(biāo)簽的MCU。

2.1 藍(lán)牙電子標(biāo)簽

低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822不僅集成了Nordic Semiconductor公司領(lǐng)先的2.4 GHz收發(fā)機(jī)技術(shù)，還內(nèi)含一顆基于ARM○R CortexTM-M0架構(gòu)的CPU，擁有256 kB flash+16kB RAM，不僅適用于Bluetooth○R低功耗和2.4 GHz超低功耗無(wú)線應(yīng)用，而且其豐富的外設(shè)及存儲(chǔ)單元也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便[3]。因此，nRF51822為低功耗藍(lán)牙產(chǎn)品應(yīng)用提供了性價(jià)比最高的單芯片解決方案，是超低功耗與高性能的完美結(jié)合。其最大發(fā)射功率為+4 dBm，接收靈敏度為-96dBm@250 kbps[4]。

藍(lán)牙電子標(biāo)簽僅需要在建立連接之后向控制模塊發(fā)送相應(yīng)的密鑰信息，并不需要進(jìn)行相關(guān)的外設(shè)控制，其電路圖如圖2所示。藍(lán)牙電子標(biāo)簽包括一個(gè)16 MHz的主時(shí)鐘，用于射頻發(fā)射接收以及MCU部分的高速時(shí)鐘，另有一個(gè)可選地32.768 kHz低頻時(shí)鐘，主要是為RTC提供時(shí)鐘（當(dāng)使用內(nèi)部32.768 kHz時(shí)鐘時(shí)），在PCB設(shè)計(jì)時(shí)候需要注意，應(yīng)避免讓時(shí)鐘引腳串入干擾及噪聲信號(hào)[5]。

圖2 藍(lán)牙電子標(biāo)簽電路圖

2.2 控制模塊

由圖1可知，控制模塊主要由MCU、驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊和電源模塊構(gòu)成。本設(shè)計(jì)由于藍(lán)牙通信的需要，控制模塊MCU采用和藍(lán)牙電子標(biāo)簽相同的MCU，其電路圖在上邊已經(jīng)介紹過，在此不再贅述。

MCU通過I/O引腳 P0.09、P0.10和P0.11輸出相應(yīng)的高低電平控制驅(qū)動(dòng)模塊和報(bào)警模塊。驅(qū)動(dòng)模塊和報(bào)警模塊如圖3所示。同時(shí)，為防止搖臂受到阻力時(shí)電機(jī)電流過大而燒毀，在此通過將相應(yīng)電壓信息送進(jìn)MCU的ADC引腳進(jìn)行過流檢測(cè)。

圖3 驅(qū)動(dòng)模塊和報(bào)警模塊電路圖

控制車位鎖搖臂升降需要較大的扭矩，普通的直流電機(jī)無(wú)法滿足需求，故采用6 V直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過配備齒輪減速箱并調(diào)節(jié)其減速比，可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩[6]。

由于直流減速電機(jī)需要6 V供電，而nRF51822的供電電壓為3.3 V，故需要通過線性穩(wěn)壓器件LM1117將6 V供電電壓將為3.3 V。

2.3 地磁車位監(jiān)測(cè)模塊

地磁車位檢測(cè)模塊是根據(jù)車輛對(duì)大地磁場(chǎng)的擾動(dòng)來(lái)判別當(dāng)前車位有無(wú)車輛的[7]。由于在本設(shè)計(jì)中只需要檢測(cè)車輛存在與否，而不需要檢測(cè)車輛的行駛方向、速度、車型等參數(shù)，美國(guó)霍尼韋爾公司的單軸磁阻傳感器HMC1021S即可滿足應(yīng)用需求。

HMC1021S型磁阻傳感器是一維磁阻微電路集成芯片，是一種單邊封裝的磁場(chǎng)傳感器，感應(yīng)與管腳平行方向的磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋。如圖4所示。其中供電電壓為Vbridge，在電阻器中有電流流過。在電橋上施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H，使得2個(gè)相對(duì)放置的電阻器的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值增大；另外2個(gè)相對(duì)放置的電阻器的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值減小。這樣就將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)輸出的電壓，該輸出電壓

其中：R為薄膜電阻；ΔR/R為阻值的相對(duì)變化量；Vbridge為傳感器的工作電壓[8]。

圖4 傳感器的惠斯通電橋

圖5 地磁車位檢測(cè)模塊框圖

地磁車位檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，主要由置位/復(fù)位電路、傳感器模塊、放大濾波電路、比較電路組成[9]。

由于小磁場(chǎng)傳感器的性能在較大的外加磁場(chǎng)下（4-20Gauss）都會(huì)使得輸出信號(hào)的質(zhì)量嚴(yán)重下降，置位/復(fù)位電路通過產(chǎn)生一個(gè)沖擊電流來(lái)施加一個(gè)瞬態(tài)的強(qiáng)恢復(fù)磁場(chǎng)以恢復(fù)或保持傳感器特性[10]。HMC1021S磁阻傳感器按4元件惠斯通電橋配置，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成差分輸出電壓，并能傳感強(qiáng)度低至30μG的磁場(chǎng)。放大濾波電路主要實(shí)現(xiàn)HMC1021S差分輸出小信號(hào)的放大，以供比較電路使用。比較電路主要由比較器構(gòu)成，其主要通過與車位有車時(shí)的閾值電壓進(jìn)行比較，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸出信號(hào)供控制模塊判斷處理[11]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能感應(yīng)車位鎖系統(tǒng)軟件由手機(jī)客戶端APP應(yīng)用程序和車位鎖MCU任務(wù)調(diào)度控制程序組成[12]。

手機(jī)客戶端APP應(yīng)用程序的主要功能是開關(guān)鎖、電量查詢以及向車主的親朋好友或者租客分享臨時(shí)密鑰。

系統(tǒng)MCU主程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、車位監(jiān)測(cè)、藍(lán)牙通信和搖臂升降等功能的整體調(diào)度[13]，其流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電之后，先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)主程序。

進(jìn)入主程序之后，先對(duì)車位狀況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)車位上無(wú)車時(shí)，控制車位鎖進(jìn)行上鎖，然后開啟藍(lán)牙通信。此時(shí)，由于車位上無(wú)車，不需要進(jìn)行防誤操作判斷，為了降低系統(tǒng)功耗，將地磁車位檢測(cè)模塊關(guān)閉，然后進(jìn)入判斷車輛是否到來(lái)的循環(huán)等待程序。在等待程序中，還要對(duì)車位鎖是否遭到外力強(qiáng)制按下進(jìn)行判斷，如若有外力，則進(jìn)入報(bào)警程序進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)車輛到來(lái)，車位鎖控制端收到手機(jī)端或者藍(lán)牙電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，并進(jìn)行密碼驗(yàn)證之后，開啟定時(shí)器0和地磁車位監(jiān)測(cè)模塊，然后控制車位鎖開鎖。當(dāng)?shù)卮跑囄粰z測(cè)模塊檢測(cè)到車位為空時(shí)，本車位鎖將會(huì)自動(dòng)完成上鎖。為防止在車位鎖自動(dòng)上鎖之前車主還沒有將車輛停放到位，在此延時(shí)5min再進(jìn)入車位檢測(cè)程序[14]。在此期間，為防止車主臨時(shí)改變停車意圖而導(dǎo)致車位被占，增加藍(lán)牙連接斷開判斷。當(dāng)藍(lán)牙連接斷開時(shí)，說(shuō)明車主車輛離開，不論5 min延時(shí)是否到達(dá)，都進(jìn)入車位檢測(cè)程序。

停車之后，定時(shí)器開始0開始計(jì)時(shí)，為降低功耗和防止車主在停車之后查詢車位鎖電量信息，在停車30 min后關(guān)閉藍(lán)牙通信。在此30 min中內(nèi)，如果車主誤按動(dòng)車位鎖上鎖開關(guān)，則會(huì)進(jìn)行誤操作報(bào)警。30 min到達(dá)之后，關(guān)閉藍(lán)牙，每5 s檢測(cè)一次車位狀況，當(dāng)車離開時(shí)，進(jìn)入上鎖程序，否則繼續(xù)檢測(cè)車位狀況[15]。

圖6 系統(tǒng)MCU工作流程

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于藍(lán)牙的智能感應(yīng)車位鎖的設(shè)計(jì)方案，以低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822為核心進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)，通過密鑰算法來(lái)實(shí)現(xiàn)車主身份的識(shí)別，有效的解決了傳統(tǒng)手動(dòng)車位鎖使用不便和遙控車位鎖安全系數(shù)低的弊端，給車主帶來(lái)了良好的停車體驗(yàn)。其遠(yuǎn)程分享密鑰的功能也給解決停車難這一社會(huì)性問題提供了良好的解決思路。

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Intelligent parking Lot barrier design based on BLE

LI Yuan-bo，ZHANG Hong-yu，NIU Jia-xiang
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Aim at the inconvenience of the traditional manual operation parking lot barrier and the high power consumption，unsafe of the current intelligent parking lot barrier，this paper aims to design an inductive and intelligent parking lot barrier.The whole system is composed of the electronic tag of Bluetooth，the geomagnetic detection module of carport，the module of power management and system control and mobile.The electronic tag of Bluetooth and the module of system control is mainly composed of nRF51822，and implement the secret key sending and recognition，and the parking lot barrier control.The geomagnetic detection module of carport is mainly consist of HMC1021S，and realize the detection of carport condition.The module of power management is mainly in charge of the conversion of work voltage and electric quantity detection.

BLE；electronic tag；parking lot barrier；the geomagnetic detection module of carport

TN409

：A

：1674－6236（2017）13-0126-04

2016-05-26稿件編號(hào)：201605251

李淵博（1990—），男，河南登封人，碩士研究生。研究方向：嵌入式應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)。