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摘要：本项目设计了一种基于无线射频识别的车位锁装置，通过无线射频（RFID）技术进行车辆远距离自动识别。该装置以STC89C51RC单片机作为控制核心，采用NRF24L01射频芯片和有源电子标签交互射频信号，对车位锁系统进行智能控制，并且可与无线射频门禁系统相结合，实现车位地智能管理。
关键词：车位锁；无线射频识别；智能控制；物联网
Abstract：This project designs a kind of car location locking device based on radio frequency identification（RFID），and uses radio frequency（RFID）technology to identify vehicles at long distance automatically. The device uses STC89C51RC single chip microcomputer as the control core，uses NRF24L01 radio frequency chip and active electronic tag interactive radio frequency signal to carry out intelligent control of parking lot locking system，and can be combined with radio frequency access control system to achieve intelligent parking place management.
Key words：Parking lock；Radio frequency identification；intelligent control；Internet of things
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[1]。目前市场上有手动车位锁和遥控车位锁两种，手动车位锁为纯机械结构，不方便使用；遥控车位锁相对方便，但需要供电电路，若使用电池供电，3个月就必须再充电，而且遥控车位锁价格高，没有得到普及。本项目提出的基于无线射频识别的车位锁，利用无线射频（RFID）技术进行智能识别，避免了手动和遥控车位锁工作时的不便，节能高效。
方案设计
系统分为硬件和软件两大部分。硬件部分包括车载模块、机械装置、开关电压调节器、阅读器、单片机、液晶显示屏和锂电池等。软件部分包括射频芯片和单片机。
硬件设计
硬件部分分为四大模块：车载模块、机械模块、控制和显示模块以及电源模块。
车载模块 车载单元负责射频信号的发送，由无线射频发射模块，锂电池和锂电池数显模块组成。射频发射模块为NRF24L01射频芯片和电路组成的射频标签，以聚合物锂电池作为车载单元的电源，标称电压：3.7v，满电电压：4.2v 容量：6000mah。
机械模块 机械模块包括底板，翻转臂，固定杆，翻转臂托，金属罩。底板用来放置和固定各个电子模块，支撑翻转臂，通过膨胀螺丝固定在地面。翻转臂是由三根钢管和接头拼接成的U型管架。固定杆连接在翻转臂上，用来加固翻转臂，使它不发生形变。翻转臂托用来支撑落下的翻转臂。金属罩保护电子模块和电路，同时起到防水和防压的作用。
控制和显示模块
用舵机执行控制指令，其工作原理是：由阅读器发出信号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动马达开始转动，通过齿轮将动力传至翻转臂，同时由工作时间，转速和角度控制翻转臂位置。
通过LM2596S开关电压调节器管理集成电路，输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件只需4个外接元件，极大地简化了电路的设计。
NRF24L01是新型射频收发器件，工作在ISM频段：2.4～2.524GHz。且内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能，并融合增强型ShockBurst技术。NRF24L01 无线收发模块接口连接采用标准双列直插式，方便与处理器系统硬件连接[2]。与目前的蓝牙技术相比，在提供更高速率的同时功耗更小。
STC89C51单片机是8位单片机处理芯片。该单片机机构简单，价格低廉，使用方便，能够反复写入或擦除程序达几万次[3]。具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，速度更快。
显示模块采用LCD12864液晶屏，其显示分辨率为128×64，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，显示车位锁工作状态和电量。
电源模块 采用12V2800mah，18650电芯锂电池，试用标称300w以内，持续工作电流小于24A，瞬间启动电流小于48A的电路。
软件设计
单片机程序 单片机程序实现翻转臂的升起和降落，程序功能包括舵机的转速控制，角度控制和定时器启用。
NRF24L01射频芯片程序 射频芯片用来发射和接收信号，它将接收到的信号进行滤波调解，译码还原后再与相关信息进行匹配，用来确定接收到的编码信息是否与本车位锁相匹配，如果信息匹配，执行相关程序。
工作流程
当车辆距离停车位较远时，电子标签在阅读器工作范围之外，整个电路处于休眠状态，保持较低的功耗[4]。当车辆驶近停车位（10米）时，阅读器收到车辆携带的电子标签发回的射频信号对接收到的反馈信息解调，解码。判断该车辆是否为车位的拥有者。配比成功，单片机发送命令信息，开启舵机，自动降落车位锁翻转臂，停车完成。当车辆驶出车位时，超出阅读器的工作范围，智能车位锁感应不到车载单元发回的信号，启动定时器延时15S，定时器超时后，车位锁自动升起，开始保护车位，等待车辆下次停靠。
性能分析
本装置采用无线射频识别技术，避免了传统机械式车位锁需要车主下车手动开锁的弊端，实现装置自动化，可以结合无线射频识别门禁系统，实现车辆管理的一体化。
车辆每天进出停车两次，车辆在位八小时，不在位十六小时，停车杆上升时电流约为750mA，上升时间约为6s，在停车杆下降时电流约为10mA，下降时间约为3s，车位锁一天内的功耗约为：7.2642mah，正常使用可满足1年以上的使用寿命要求。
该车位锁采用无线射频识别技术，安全可靠；由单片机控制，抗干扰能力强；舵机和控制电路功耗较低；机械装置灵活、稳定。适用于家庭，也适用于各医院、政府机构和学校等公共单位，应用前景广阔。
参考文献：
[1] 翟永杰，李冰，伍洋. 基于RFID技术的感应式汽车车位锁设计[J].机械工程与自动化，2015，（3）：111.
[2] 刘振江.基于NRF24L01的无線数据采集系统设计[J].山西科技，2016，（6）：105.
[3] 陈慧琴.基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计[J].山东工业术，2016，（18），187.
[4] 李伟，门佳，鲁华栋.基于无线射频识别技术的住宅区智能车位锁设计[J].温州职业技术学院学报，2014，（4）：52.
资助项目：
国家自然联合基金（U1731121）；国家自然基金（41401384）
关键词：车位锁；无线射频识别；智能控制；物联网
Abstract：This project designs a kind of car location locking device based on radio frequency identification（RFID），and uses radio frequency（RFID）technology to identify vehicles at long distance automatically. The device uses STC89C51RC single chip microcomputer as the control core，uses NRF24L01 radio frequency chip and active electronic tag interactive radio frequency signal to carry out intelligent control of parking lot locking system，and can be combined with radio frequency access control system to achieve intelligent parking place management.
Key words：Parking lock；Radio frequency identification；intelligent control；Internet of things
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[1]。目前市场上有手动车位锁和遥控车位锁两种，手动车位锁为纯机械结构，不方便使用；遥控车位锁相对方便，但需要供电电路，若使用电池供电，3个月就必须再充电，而且遥控车位锁价格高，没有得到普及。本项目提出的基于无线射频识别的车位锁，利用无线射频（RFID）技术进行智能识别，避免了手动和遥控车位锁工作时的不便，节能高效。
方案设计
系统分为硬件和软件两大部分。硬件部分包括车载模块、机械装置、开关电压调节器、阅读器、单片机、液晶显示屏和锂电池等。软件部分包括射频芯片和单片机。
硬件设计
硬件部分分为四大模块：车载模块、机械模块、控制和显示模块以及电源模块。
车载模块 车载单元负责射频信号的发送，由无线射频发射模块，锂电池和锂电池数显模块组成。射频发射模块为NRF24L01射频芯片和电路组成的射频标签，以聚合物锂电池作为车载单元的电源，标称电压：3.7v，满电电压：4.2v 容量：6000mah。
机械模块 机械模块包括底板，翻转臂，固定杆，翻转臂托，金属罩。底板用来放置和固定各个电子模块，支撑翻转臂，通过膨胀螺丝固定在地面。翻转臂是由三根钢管和接头拼接成的U型管架。固定杆连接在翻转臂上，用来加固翻转臂，使它不发生形变。翻转臂托用来支撑落下的翻转臂。金属罩保护电子模块和电路，同时起到防水和防压的作用。
控制和显示模块
用舵机执行控制指令，其工作原理是：由阅读器发出信号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动马达开始转动，通过齿轮将动力传至翻转臂，同时由工作时间，转速和角度控制翻转臂位置。
通过LM2596S开关电压调节器管理集成电路，输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件只需4个外接元件，极大地简化了电路的设计。
NRF24L01是新型射频收发器件，工作在ISM频段：2.4～2.524GHz。且内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能，并融合增强型ShockBurst技术。NRF24L01 无线收发模块接口连接采用标准双列直插式，方便与处理器系统硬件连接[2]。与目前的蓝牙技术相比，在提供更高速率的同时功耗更小。
STC89C51单片机是8位单片机处理芯片。该单片机机构简单，价格低廉，使用方便，能够反复写入或擦除程序达几万次[3]。具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，速度更快。
显示模块采用LCD12864液晶屏，其显示分辨率为128×64，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，显示车位锁工作状态和电量。
电源模块 采用12V2800mah，18650电芯锂电池，试用标称300w以内，持续工作电流小于24A，瞬间启动电流小于48A的电路。
软件设计
单片机程序 单片机程序实现翻转臂的升起和降落，程序功能包括舵机的转速控制，角度控制和定时器启用。
NRF24L01射频芯片程序 射频芯片用来发射和接收信号，它将接收到的信号进行滤波调解，译码还原后再与相关信息进行匹配，用来确定接收到的编码信息是否与本车位锁相匹配，如果信息匹配，执行相关程序。
工作流程
当车辆距离停车位较远时，电子标签在阅读器工作范围之外，整个电路处于休眠状态，保持较低的功耗[4]。当车辆驶近停车位（10米）时，阅读器收到车辆携带的电子标签发回的射频信号对接收到的反馈信息解调，解码。判断该车辆是否为车位的拥有者。配比成功，单片机发送命令信息，开启舵机，自动降落车位锁翻转臂，停车完成。当车辆驶出车位时，超出阅读器的工作范围，智能车位锁感应不到车载单元发回的信号，启动定时器延时15S，定时器超时后，车位锁自动升起，开始保护车位，等待车辆下次停靠。
性能分析
本装置采用无线射频识别技术，避免了传统机械式车位锁需要车主下车手动开锁的弊端，实现装置自动化，可以结合无线射频识别门禁系统，实现车辆管理的一体化。
车辆每天进出停车两次，车辆在位八小时，不在位十六小时，停车杆上升时电流约为750mA，上升时间约为6s，在停车杆下降时电流约为10mA，下降时间约为3s，车位锁一天内的功耗约为：7.2642mah，正常使用可满足1年以上的使用寿命要求。
该车位锁采用无线射频识别技术，安全可靠；由单片机控制，抗干扰能力强；舵机和控制电路功耗较低；机械装置灵活、稳定。适用于家庭，也适用于各医院、政府机构和学校等公共单位，应用前景广阔。
参考文献：
[1] 翟永杰，李冰，伍洋. 基于RFID技术的感应式汽车车位锁设计[J].机械工程与自动化，2015，（3）：111.
[2] 刘振江.基于NRF24L01的无線数据采集系统设计[J].山西科技，2016，（6）：105.
[3] 陈慧琴.基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计[J].山东工业术，2016，（18），187.
[4] 李伟，门佳，鲁华栋.基于无线射频识别技术的住宅区智能车位锁设计[J].温州职业技术学院学报，2014，（4）：52.
资助项目：
国家自然联合基金（U1731121）；国家自然基金（41401384）