智能车位锁的设计与实现

丁苍璧 陆子堃 殷若宬

摘 要：本项目是以MSP430f149为主控芯片对智能车位锁进行设计与实现，文章利用相关FRID射频识别技术，以及TP4056锂电池充电和XL6009升压技术，通过太阳能电池板和电磁铁，在车位锁外进行太阳能充电，利用RFID射频识别卡，实现车位锁的智能升降，将车位锁全面智能化，使得车主无须时刻带着车位锁的钥匙，实现“随到随停、不被占位”，并且省去了车主需要定时向车位锁充电的烦恼。

关键词：射频识别；太阳能充电；智能化

由于中国经济的飞速发展，汽车被越来越普遍的使用，据统计数据显示，截至2017年6月底，全国机动车保有量达3.04亿辆，其中汽车2.05亿辆；专家预计2019年中国的汽车保有量将有望超越美国，成为世界第一汽车大国。近几年，汽车数量的大增导致车位的急剧短缺，“停车难”这个问题也就摆在了大众面前。为了户主个人车位不被占有，车位锁应运而生。市场上的车位锁按功能可分为两类：手动车位锁、遥控车位锁，当前市场上以机械车位锁居多，这种车位锁在车辆进出时，常常需要司机下车把车位锁的起降杆抬起或放下，使用起来非常不方便，并且影响后面等待车辆的正常行驶，即使现在市场上最先进的车位锁也要进行遥控和人为对其充电，对车主而言，十分不便。在学校创新精神的引领下，文章展开了对车位锁的探索实践。

1 设计方案

1.1 项目概述

相比较于市面上已有的一些车位锁，我们的设计更加智能化、人性化，并且低碳环保。它主要有如下特点：（1）智能。该车位锁在安装之后，车主通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术[1]，刷完卡后，车位锁的升降杆将自动下降，当车主开车离开时，升降杆将自动地升起，无需像以往的机械车位锁一样，需要车主下车进行开锁和关锁，这将大大节省车主时间，并且增强用户使用该车位锁的好感度。（2）环保。我国政府承诺在“十三五”期间，实现2020年单位GDP碳排放比2005年下降40%～45%的低碳目标，而该产品也以低碳环保的理念而设计，采用太阳能电池板进行充放电，完全可以提供车位锁的日常供电，积极响应国家“节能减排”政策。（3）方便。该车位锁采用太阳能供电，一方面低碳环保，与此同时，相比较于市面上的智能车位锁都需要车主将车位锁的电源取下进行充电而言，该车位锁仅需要太阳能供电，无需车主对其进行充电，与同类产品相比经济方便，有着无可比拟的优势。

1.2 设计方案

2 硬件设计

车位锁主要分为以下几个部分：主控芯片—MSP430f149；电源设计—TP4056锂电池，继电器；射频识别—13.56 MHz读写卡，RFID读卡器；升降部分：电磁铁。

2.1 CPU模块

由于整体机械结构和内部电路设计的需要，我们采用了MSP430f149超低功耗单片机[1]作为主控芯片，这样可以降低车位锁的系统的功耗[2]，而且149内部资源多样，处理速度满足我们项目的要求。其工作电压为1.8～3.6 V；采用16位精简指令结构（Reduced Instruction Structure，RISC），只有27 条核心指令，8 MHz 时钟频率指令速度可达 8 M/s，大多数指令1个时钟周期内完成；它还具有丰富的片上围模块，如看门狗、模拟比较器A、定时器A、定时器B、串口0和1、硬件乘法器及 A/D 转换等，在目前所有单片机系列产品中尤为突出，便于方案的实施。

2.2 射频识别模块

RFID技术是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。本系统采用MF RC522[2]芯片，它是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，是一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，其利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。RFID模块设计如图2所示。

2.3 电源模块

电源模块主要由太阳能板[3]，TP4056锂电池充电板和XL6009升压模块[4]构成，TP4056是一款完整的单节锂电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。并且适合USB电源和适配器电源工作，当在充电时显示蓝灯，充电结束时显示绿灯。升压模块芯片XL6009调节器是宽入范围，由功率MOSFET管和固定频率振荡器构成，输入电压范围5～32 V，电流模式结构在宽范围输入和输出电压稳定工作，如图3所示。

2.4 继电器模块

当IC卡第一次接触RFID读写器时，外接电磁铁将立刻弹起，并且作为指示灯发光二极管也将亮起；当第二次将IC卡接触RFID读写卡时，外接电磁铁会收回，指示灯也将熄灭，在夜间不可能见度较低的情况下，用户可以观察指示灯，了解自己的车位锁是否升起，如图4所示。

3 软件设计

系统的软件构造如图5所示。

车位锁的软件设计采用模块化的设计方案，当IC卡接触RFID读写器时，RFID读写器将读出IC卡的编号数组，编号数组传输到单片机中，与设定好的编号数组值进行对比，如果吻合，单片机将发出对继电器的命令，从而将外接电磁铁的非接地端与5 V电源电压相贴合，此时电磁铁就将弹出；如果RFID读写器传输的编号数组与单片机内设定的编号数组对比后不吻合，单片机将不再执行之后的程序，通过这样的方法可以实现“一锁一车”的智能车位锁功能，并且可以设置一定的时间间隔，防止重复读卡[3]。

4 调试

在项目设计过程中涉及几部分调试。

4.1 代码的调试

主程序写完后下载到板子上进行了试运行，代码并没有设置间隔时间，IC卡接触RFID模块如不及时拿开，单片机会使继电器连续工作，而继电器在短时间内连续工作过多，会使内部烧断，于是在主程序中加入了短时间内防止单片机重复向继电器发出指令的代码，最后确定在0.5 s内将不得重复刷卡。

4.2 硬件测试

正常工作时的各个模块数据如表1所示。

太阳能充电时的各个模块数据如表2所示。

调试中所遇到的问题及解决方法：（1）在电源模块（XL6009）拿到时，我们发现其输出电压并不满足要求，于是利用模块自带的精密电位器对其进行输出电压的调试。（2）在调试RFID射频识别模块时，因为未關闭电源就进行插拔，导致RFID模块内部烧断，不能够识别有效的IC卡，所以在之后的调试中都会及时关闭电源，并且在RFID模块中加入了直排插针，保证RFID射频识别模块正常工作[4]。如图6所示。

5 结语

在当下飞速发展的时代中，智能化以及物联网的发展将是一种必然趋势，该智能车位锁以“智能，环保，经济”为主旨，弥补了当今普通车位锁单一，繁琐等缺点，我们设计的车位锁实现车位锁的智能化，但是该项目还存在一定的不足，比如升降杆上升和下降的速度过快，还需要在这些方面以及识别距离上多做研究，为已经到来的智能时代添砖加瓦。

[参考文献]

[1]沈建华.MSP430系统16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]袁乐民.基于RC522的RFID读卡器电路设计实现[J].数字技术与应用，2014（12）：166-167.

[3]裴云庆.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]王志强.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2010.