基于RFID技术的感应式汽车车位锁设计

2015-12-31翟永杰

机械工程与自动化 2015年3期

翟永杰，李冰，伍洋

（华北电力大学（保定）控制与计算机工程学院，河北保定 071003）

0 引言

随着家用汽车的普及，停车位的需求逐渐增大，车主自用车位被占用的情况频繁发生。为方便车主快捷泊车，也便于有效地利用停车位，减少泊车纠纷，车位锁应运而生。车位锁主要分为手动车位锁和遥控车位锁。手动车位锁需用户下车对车位锁进行手动升降，并将车开进、开出车位，虽价格低廉，但不方便使用；遥控车位锁在手动车位锁的基础上有所改良，利用无线射频技术控制车位锁的升降，目前市场上主要有O、K、X、A型遥控车位锁，其操作方便，但耗能较大，使用220V交流电供电时需要铺设供电电路，使用蓄电池供电时需要及时充电，且价位高，所以没有得到普及。

本文提出了一种新型的感应式汽车车位锁，利用无线射频（RFID）技术进行远距离遥控，避免了手动车位锁在开启和关闭时上、下车的不便；利用重力势能以及存储的弹性势能作为车位锁升降的能量来源，所以耗电量少，使用寿命增长，并达到了环保、价位低廉的目的。

1 新型感应式汽车车位锁主体结构设计

新型感应式汽车车位锁由弹簧、底板、压杆、压板、连接轴、推拉杆、挡杆、滑杆、控制模块、电插销以及遥控器构成。实际使用中底板固定在地面上，压板与底板之间由压杆和弹簧连接。压杆靠近底板的一端由连接轴贯穿，连接轴同时连接推拉杆的一端，推拉杆的另一端连接滑杆与挡杆。压板可以被汽车压下或被弹簧抬起，在此过程中，带动推拉杆前后移动，使挡杆倒下或抬起。控制模块安装在底板内，其控制的插销可插入推拉杆中的插孔内，使推拉杆不能前后移动，这样就锁住了车位锁。压板下的弹簧在汽车驶入车位压下压板时被压缩，储存弹性势能；在汽车驶出车位，推拉杆可自由活动时，弹簧释放势能，抬起压板。车位锁压板、车位锁挡杆、电插锁位置示意图如图1、图2、图3所示。

图1 车位锁压板位置示意图

图2 车位锁挡杆位置示意图

2 控制模块设计

控制模块包括供电单元、无线通信单元、位置检测单元、指示单元、插锁单元和微控单元。供电单元负责提供整个控制模块的电能；无线通信单元负责监听无线信号，并与对码遥控器通信，将数据发送到微控制单元；位置检测单元负责检测车位锁状态，以确定压板是否到位以及插锁是否打开；指示单元负责向用户指示当前车位锁状态；插锁单元负责根据指令打开或关闭，其关闭时，压板被锁住，无法被压下或抬起，打开时，压板可在预订方向自由活动，以完成拉起或推倒挡板的功能。控制模块结构框图如图4所示。控制模块安装在底板内部，可避免遭到物理损伤。

2.1 微控制单元

微控制单元（Micro Control Unit，MCU）采用51系列单片机，型号为STC89C52RC，负责控制其他各单元，以完成控制模块的功能。MCU平时处于待机状态，以降低功耗，当接收到无线通信单元的信号后进入工作状态，读取无线通信单元的数据，进行对码，当对码成功后，向插锁单元发出指令，打开插锁，接着通过位置检测单元检测插锁是否打开，确认插锁打开后，向指示单元发出指令，指示灯转为红色，等待汽车进入车位；此后，MCU通过位置检测单元检测压板状态，当压板完全压下时，MCU发出指令，关闭插锁；最后，MCU使无线通信单元进入监听状态，同时关闭其他不必要的单元，进入待机状态。

图3 电插锁位置示意图

图4 控制模块结构框图

2.2 无线通信单元

无线通信单元采用挪威NORDIC公司的型号为nRF24L01的2.4GHz无线通信芯片。nRF24L01是一款工作在2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，通过SPI总线与MCU交换数据。芯片发射数据，且发射功率为－6dBm时，电流消耗为9.0mA；芯片接收数据时，电流消耗为12.3mA，在掉电状态和待机状态下工作时，电流消耗更低。

本方案采用nRF24L01芯片的一种特殊工作模式，称为ShockBurst模式。在此模式下，nRF24L01和MCU之间以较低的速率通信，而和其他无线芯片之间则以较高的速率通信，中间的转换处理环节由芯片内部的射频协议负责，这样既能降低对MCU在通信速率方面的要求，也能减小发射无线信号所用的时间，进而减小通信的平均能量消耗。ShockBurst模式的具体配置方法，可以参考NORDIC公司的nRF24L01说明手册。

2.3 位置检测单元

位置检测单元由3个位置传感器构成，传感器在底板的位置如图5所示。各传感器分别位于：①压板完全抬起时，连接轴所处位置的下方；②压板完全压下时，连接轴所处位置的下方；③电插锁插销的下方。通过这3个传感器的检测，就可以确定车位锁压板是否压下，插销是否就位。

每个位置传感器由1个反射型光电探测器、1个电压比较芯片和1个三极管组成，探测器型号为RPR220，电压比较芯片为LM339，三极管型号为8550。位置检测单元由供电单元5.0V接口供电。

5.0V电源通过8550三极管接入RPR220工作电路，三极管基极由MCU的一个I/O口控制通断，以此来实现由MCU控制探测器工作或者关闭。RPR220的输出接至电压比较芯片正输入口，与芯片负输入口电压进行比较，电压比较芯片输出接至MCU I/O口，MCU通过读取此I/O口电平的高低，用以判断连接轴和电插锁插销的位置。

图5 传感器的位置示意图

2.4 指示单元

指示单元由高亮度发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）和三极管8550构成。LED灯安装在挡板上部，显示车位锁的运行状态。指示单元由供电单元5.0V接口供电。

LED有红色和绿色两种，分别和三极管T1、T2的射极串联，三极管集电极接5.0V电源，基极接MCU I/O口，LED负极接地。当MCU打开电插锁，压板可以被压下时，MCU输出一定频率方波，打开关闭的三极管T1，红色LED闪烁；当MCU关闭电插锁，压板被锁住后，MCU输出一定频率方波，打开关闭的三极管T2，绿色LED闪烁；30s后MCU关闭T2，LED熄灭。

2.5 插锁单元

插锁单元主要由一块电插锁和一块驱动芯片组成。电插锁安装在底板前端，用来锁住推拉杆，使其不能前后移动，这样，压板便不能被压下或者抬起，达到了通过电插锁锁住压板的目的。驱动芯片用来为电插锁提供驱动电流。

电插锁型号为KT-XL01。电插锁为常闭型，通电后锁销缩进，插锁打开；断电后锁销伸出，插锁闭合。驱动芯片型号为BTS7960，BTS7960芯片电路根据MCU发出的信号，导通或者关断电插锁电源，达到MCU控制电插锁打开或者关闭的目的。插锁单元电源由供电单元的6.0V接口提供。

3 车位锁工作流程

图6为车位锁工作流程。当汽车要驶入车位时，首先，车主按下识别遥控器按钮，发射无线信号，无线通信单元接收到信号后进行无线识别，对码成功后，微控制单元打开插锁，使压板可以被压下，就绪后指示灯转为红色；然后，汽车驶入车位，将压板压下，进而使挡杆倒下，在此过程中，微控制单元检测车位锁状态，一旦压板完全压下，微控制单元发出指令关闭电插锁，这样便锁住了压板，使其不能恢复抬起状态，挡板不能抬起；最后，微控制单元关闭不必要的用电单元，控制电路进入待机状态以节省电能。

图6 车位锁工作流程图

当汽车要驶出车位时，首先，车主按下识别遥控器按钮，发射无线信号，无线通信单元接收到信号后进行无线识别，对码成功后，微控制单元打开插锁，释放压板；然后，压板在弹力装置的作用下，恢复抬起状态，进而拉起挡杆，在此过程中，微控制单元检测车位锁状态，一旦压板完全抬起，微控制单元发出指令关闭电插锁，这样便锁住了压板，使其不能被压下，挡板也就不能倒下；最后，微控制单元关闭不必要的用电单元，控制电路进入待机状态以节省电能。