摘 要：為解決因高峰車流集中導(dǎo)致的停車場靜態(tài)交通問題，設(shè)計(jì)了一種基于STM32控制核心的智慧停車車庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過用戶APP平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及車庫管理系統(tǒng)3個(gè)模塊與車庫停車環(huán)境進(jìn)行交互，用戶可以選擇自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式，實(shí)現(xiàn)高峰時(shí)段快速預(yù)約存取車，提高車庫通行效率，助力智慧停車管理向更精細(xì)化、智能化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)交通；智慧停車；STM32；APP；數(shù)據(jù)傳輸；車庫管理；預(yù)約存取車

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-0-05

0 引 言

目前，我國很多中小停車場采用具有車牌識(shí)別功能的自動(dòng)車輛管理系統(tǒng)[1]，在一定程度上提高了停車的智能化程度，減少了人力成本，但這種停車場也存在管理及設(shè)備維護(hù)成本較高、高峰時(shí)期通行效率低下等問題[2-3]。對(duì)此，本文采用嵌入式STM32處理器設(shè)計(jì)了車庫存取車智能控制系統(tǒng)，將車庫系統(tǒng)與設(shè)計(jì)的APP端相結(jié)合，用戶在手機(jī)終端可查看車庫現(xiàn)場監(jiān)控，快速實(shí)現(xiàn)存取車操作。該系統(tǒng)能在減少車庫運(yùn)營成本的基礎(chǔ)上，有效提高進(jìn)現(xiàn)有的車庫智能化水平，提升用戶存取車體驗(yàn)，極大地方便用戶的生活。

1 智慧停車車庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智慧停車車庫系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)的智慧停車車庫系統(tǒng)分為3個(gè)部分：用戶APP平臺(tái)模塊、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模塊、車庫管理系統(tǒng)模塊[4-5]。

車庫管理系統(tǒng)由STM32作為主控，步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)模塊；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以通過4G模塊、藍(lán)牙模塊、云服務(wù)器與車庫管理系統(tǒng)與用戶APP終端實(shí)現(xiàn)信息交互，遠(yuǎn)程獲取車輛存放信息；用戶APP平臺(tái)可以在手機(jī)上直接進(jìn)行操作，在高峰時(shí)段進(jìn)行存取車智能預(yù)約，APP內(nèi)置管理員模式，系統(tǒng)管理員可通過此模式進(jìn)入車庫系統(tǒng)后臺(tái)，實(shí)時(shí)查看各車庫存放車輛情況，用戶忘記取車密碼時(shí)還可以進(jìn)行重置等操作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)的主控模塊采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6，主控芯片原理如圖2所示。該芯片有112個(gè)通用I/O口，通用I/O口用于智能車庫系統(tǒng)連接外設(shè)，多余的I/O口用于后續(xù)智能車庫的更新升級(jí)。該芯片擁有512 KB的FLASH，能夠處理和接收車庫各個(gè)外設(shè)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和更新。系統(tǒng)的4G模塊連接阿里云服務(wù)器，并實(shí)時(shí)更新車庫狀態(tài)信息；超聲波模塊用于判斷是否有車輛停放，并實(shí)時(shí)更新車位信息。由于智慧停車車庫管理系統(tǒng)采用智能化管理模式，除了系統(tǒng)管理員外，不需要其他工作人員，因此在保證安全性方面，通過在車庫安裝粉塵傳感器和空氣質(zhì)量傳感器來判斷車庫是否有大量灰塵或者有害氣體殘留，當(dāng)粉塵或者有害氣體超標(biāo)時(shí)，車庫內(nèi)部風(fēng)扇啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，并且及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

2.2 監(jiān)控模塊

智慧停車車庫管理監(jiān)控系統(tǒng)[6]采用ESP32-CAM攝像頭模組，這款攝像頭成本低、功耗低且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)通過4G模塊將監(jiān)控視頻流傳輸至阿里云服務(wù)器，并連接到開放端口。通過TCP協(xié)議進(jìn)行3次握手，將視頻流以字節(jié)流格式傳輸至云服務(wù)器，再將該端口映射到車庫監(jiān)控網(wǎng)頁，方便用戶在網(wǎng)頁上實(shí)時(shí)觀看車庫錄像。視覺模塊基于視頻圖像處理算法，可自動(dòng)調(diào)節(jié)監(jiān)控圖像清晰度，并隨時(shí)拍照保存至數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)觀看車庫錄像回放。服務(wù)器、網(wǎng)頁和APP都設(shè)有保密措施，以防止視頻流數(shù)據(jù)外傳，極大地保證了車庫錄像的安全性和保密性。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3所示。

2.3 超聲波模塊

系統(tǒng)超聲波模塊采用HY-SRF05超聲波模塊，其有效識(shí)別距離為4.5 m，其能夠通過超聲波傳感器獲取的數(shù)據(jù)來確定車庫中車輛的停放狀態(tài)。超聲波測距傳感器通過發(fā)射器發(fā)射信號(hào)后，根據(jù)超聲波接收器收到回響信號(hào)的時(shí)間間隔來確認(rèn)車輛的距離，還可在車庫超聲波模塊搭載的顯示屏顯示車輛與車庫內(nèi)部傳感器的距離。在接近車庫墻壁時(shí)，通過語音提示用戶注意停車車距，防止磕碰車身[7]。超聲波模塊原理圖如圖4所示。

2.4 粉塵氣體識(shí)別模塊

智慧停車車庫系統(tǒng)使用的是GP2Y1010AU0F傳感器，這是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，可以檢測現(xiàn)場的煙氣、花粉、粉塵等。該傳感器具有體積小、重量輕、便于安裝的特點(diǎn)，輸出值為模擬值，與現(xiàn)場空氣環(huán)境中的粉塵體積分?jǐn)?shù)成正比，其工作原理如圖5所示。主控系統(tǒng)通過讀取傳感器的數(shù)據(jù)，判斷車庫內(nèi)部的空氣質(zhì)量，如果質(zhì)量超過預(yù)先設(shè)置的閾值，將會(huì)啟動(dòng)風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)行車庫的通風(fēng)換氣，直到車庫氣體質(zhì)量恢復(fù)至正常數(shù)值。

2.5 空氣質(zhì)量傳感器模塊

智慧停車車庫系統(tǒng)的空氣質(zhì)量傳感器采用MQ-135傳感器，該傳感器對(duì)空氣質(zhì)量、有害氣體的檢測有較好的靈敏度，其通過模擬值輸出，將當(dāng)前環(huán)境的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的閾值判斷當(dāng)前空氣質(zhì)量情況，若超出閾值，會(huì)進(jìn)行報(bào)警，打開通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行換氣，直至氣體體積分?jǐn)?shù)正常。其工作原理如圖6所示。

2.6 電機(jī)傳動(dòng)裝置

智慧停車車庫系統(tǒng)采用42步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為本系統(tǒng)的電機(jī)傳動(dòng)裝置。42步進(jìn)電機(jī)具有高精度、低噪音、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，符合本系統(tǒng)的高精度控制要求，工作原理如圖7所示。通過DC電源給驅(qū)動(dòng)器直接供電，主控模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共地，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的撥碼開關(guān)進(jìn)行配置，然后通過驅(qū)動(dòng)器上的PUL和DIP接口對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制，PUL控制脈沖信號(hào)，DIP控制電機(jī)方向。通過給驅(qū)動(dòng)器不同的脈沖信號(hào)，可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫電機(jī)的精確控制。電機(jī)傳動(dòng)裝置由主控模塊控制，主控模塊接收到APP的自動(dòng)存取車信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)挪動(dòng)車庫到達(dá)指定位置，待感應(yīng)到車輛存取成功，驅(qū)動(dòng)電機(jī)返回原先位置，從而完成一次電機(jī)移動(dòng)車庫的控制過程。

3 軟件功能

3.1 車輛識(shí)別與監(jiān)控

智慧停車系統(tǒng)能夠利用車庫內(nèi)置的超聲波傳感器來檢測車輛的進(jìn)出情況以及是否已正確停放。車庫的監(jiān)控系統(tǒng)基于TCP協(xié)議運(yùn)作，通過攝像頭捕獲監(jiān)控畫面，并將視頻流實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器。云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫會(huì)將這些視頻流存儲(chǔ)到指定的文件夾中。當(dāng)用戶需要查看時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的視頻流，然后通過云服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)端口將其傳輸至智能車庫的監(jiān)控網(wǎng)頁。用戶無論是在手機(jī)APP上還是在電腦網(wǎng)頁上，都能實(shí)時(shí)觀看停車位的監(jiān)控視頻。

3.2 智慧存取車

圖8為智慧停車車庫系統(tǒng)的用戶APP平臺(tái)存取車流程，用戶進(jìn)入車庫前可通過APP查看停車場是否有剩余車位，如果有剩余車位可提前設(shè)置存車密碼，再行駛至對(duì)應(yīng)位置存車；當(dāng)車位檢測到用戶已經(jīng)停好車輛，APP更新車庫停放狀態(tài)。若用戶取車時(shí)忘記停車車位編號(hào)，可通過APP平臺(tái)內(nèi)置的監(jiān)控系統(tǒng)，查看車輛停放狀態(tài)；若用戶忘記停車密碼，可聯(lián)系車庫管理員查看或重置取車密碼，用戶輸入正確密碼后，即可通過存取車通道完成存取車；待車庫檢測到用戶取車離開，車庫管理系統(tǒng)用戶APP平臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)更新車庫停放狀態(tài)[8]。

4 智慧停車車庫系統(tǒng)測試

4.1 應(yīng)用場景

以雙層平移的5車位小型車庫為例，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的智慧停車車庫系統(tǒng)，具體應(yīng)用場景如圖9所示。

圖中車庫共有5個(gè)車位，采用雙層平移結(jié)構(gòu)，上層車位存取車需先平移下層車位，再下降上層平臺(tái)，完成存取車過程。1～3號(hào)車位為上層車位，停取車只能上下移動(dòng)；4～5號(hào)車位為下層車位，只能左右移動(dòng)[9]；下排車位上的汽車車主在APP輸入正確的密碼，車庫門打開后可以直接開出；上排車位的汽車要想開出，車主應(yīng)在APP選擇相應(yīng)的取車按鈕，并輸入正確密碼，等待下方車位移開，上方車位下降，車庫門打開后再開出車輛。

4.2 存取車終端的實(shí)現(xiàn)

（1）自動(dòng)模式

智慧停車車庫系統(tǒng)APP平臺(tái)是通過APP Inventor編輯工具開發(fā)設(shè)計(jì)的一款管理員和用戶交互的APP。用戶打開智慧停車車庫用戶APP平臺(tái)，在存取車終端的自動(dòng)模式下可以看到的界面如圖10所示。

本文設(shè)計(jì)的存取車APP平臺(tái)內(nèi)置了多種數(shù)據(jù)連接方式，可通過藍(lán)牙、WiFi、4G等與APP進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)和獲取。點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)監(jiān)控”，可以看到車庫監(jiān)控到的實(shí)時(shí)畫面，便于用戶查看是否有空余車位；點(diǎn)擊“取車”鍵，在用戶取車界面輸入存車時(shí)用戶設(shè)置好的密碼，若顯示密碼正確，車庫會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到存取車通道，密碼錯(cuò)誤時(shí)會(huì)彈出密碼錯(cuò)誤警告，此時(shí)可重新輸入或者找管理員重置；點(diǎn)擊“存車”鍵，在用戶存車界面可以查看是否有剩余車位可以停車，如果有剩余車位，可以選擇相應(yīng)的車位，點(diǎn)擊停車，輸入4位密碼，即可設(shè)置成功；在自動(dòng)模式下，車庫會(huì)移動(dòng)至相應(yīng)的存取車通道，等待用戶存車。本款A(yù)PP還設(shè)置了主題切換功能，根據(jù)用戶的喜好可以切換不同的主題，目前系統(tǒng)自帶4款主題，可點(diǎn)擊切換主題按鈕進(jìn)行不同主題的切換。APP設(shè)置的管理員模式可以幫助車庫管理人員了解車輛運(yùn)行狀況，以更高效地管理車庫，在管理員模式下還具備查看、修改及重置密碼等功能。管理員還可以遠(yuǎn)程觀看車庫當(dāng)前環(huán)境情況、遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)、移動(dòng)車庫位置及對(duì)車庫進(jìn)行急停等線上控制。當(dāng)用戶或者管理員使用停車APP平臺(tái)時(shí)，APP會(huì)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給主控模塊，主控模塊接收到數(shù)據(jù)后，按照程序邏輯去處理數(shù)據(jù)，電機(jī)傳動(dòng)裝置則根據(jù)主控模塊的信號(hào)移動(dòng)車庫，并在移動(dòng)到位后給予APP當(dāng)前車庫信息的反饋。

（2）手動(dòng)模式

智慧停車車庫系統(tǒng)還配置了手動(dòng)控制裝置，如圖11所示。手動(dòng)控制裝置采用矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)[10]，通過行列式掃描技術(shù)來檢測每個(gè)按鍵是否被按下。用戶可以通過這個(gè)手動(dòng)控制裝置輸入車位的存取車密碼，并執(zhí)行存取車操作。在管理員模式下，手動(dòng)控制裝置還具備重置取車密碼的功能，并且可以直接控制車庫的移動(dòng)操作及車庫系統(tǒng)內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。

5 結(jié) 語

智慧城市的發(fā)展離不開各項(xiàng)科技的支撐，隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，必然趨向于車輛管理與復(fù)雜環(huán)境感知的深度融合。本文設(shè)計(jì)了一種以STM32為核心控制器的智慧停車車庫系統(tǒng)，并成功將其應(yīng)用于雙層平移式小型車庫中，顯著提升了存取車的效率，為智慧車輛管理領(lǐng)域提供了一種可行的解決方案。未來，智能終端與智慧停車平臺(tái)的緊密結(jié)合必將推動(dòng)城市朝著更加智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的方向邁進(jìn)。

注：本文通訊作者為陳樂珠。

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