基于赛博物理系统的车位共享智慧控制系统

［刘铭 李听听 陈刘伟］

1 引言

本系统包括了车位锁、车位共享智慧控制系统、充电装置、无线中继器四部分。其中车位锁被安装在车位，由锂电池供电，并通过蓝牙实时的向车位共享智慧控制系统发送锂电池状态信息，包括电量、温度等，当车位锁状态发生变化时（打开或者关上），触发向中央管理系统发送状态切换信息。中央电源管理系统接到车位锁发来的信息后，内部进行解析并显示屏上显示各类状态。当车位锁锂电池电量不足时，中央管理系统显示“电量低”，这时管理人员驾驶充电车或者手持充电装置对车位锁进行充电或更换锂电池。本系统采用蓝牙5.0 低功耗通信技术，在支持功率控制，有助于在保持连接的情况下降低传输功耗，并提高传输稳定性。

2 共享车位的赛博物理系统构建

作为一种包含了计算、网络、物理实体的复杂系统，赛博物理系统有机融合了3C 技术，通过人机交互接口实现物理进程的交互，实现了赛博空间远程、可靠、实时、安全、协作和智能化的操控物理实体的目标。

本文将车位锁这一具有物理实体属性的机械产品与控制系统、蓝牙通信技术、单片机等技术相结合,将停车位、车位锁、计算模块、蓝牙模块、锂电池、车辆等物理实体抽象为虚拟资源并实现有机协作，构建赛博虚物理系统[1]～[3]，如图1 所示。

图1 车位共享赛博物理系统

2.1 物理环境

整个车位共享智慧控制系统的物理空间主要由以下几个部分所组成：

（1）停车位：车辆停泊的物理空间，状态分为占用和空置两类。

（2）车位锁：考虑停车场车位数量多，电缆布设难度大等额问题[4]，采用电池供电。车辆进入自动识别车辆信息并完成落锁，支持蓝牙模块通过串口与计算实体连接，通过AT 指令设置之后蓝牙模块间支持数据透传转发。

（3）缴费控制器：车辆识别与产生费用支付。

（4）停车场门禁：进出停车场的门禁系统，进场识别自动开启，出场缴费完成后自动。

2.2 网络实体——蓝牙模块

本次采样的蓝牙模块为5.0 版本的硬件模块，是一种低功耗的蓝牙模块，如图2 所示。由于车位锁本身需要长期放在车位上，是需要长时间续航的。蓝牙模块采用的标准是蓝牙5.0，相较之前版本更安全，成本更低，延迟更低，且传输距离更长，而且能最大程度的防止干扰。蓝牙5.0支持星型拓扑的一对多连接，同时可以根据实际需求调整发射功率，可大幅降低传输功耗。

图2 蓝牙模块实物

蓝牙模块的引脚定义如表1 所示。蓝牙模块工作电压为3.3～5 V，为了使其功耗更低，使用3.3 V 作为工作电压。将其连接在开发板上的5 V 转3.3 V 电源PIN 脚上。

表1 蓝牙模块引脚定义

2.3 计算实体--单片机

赛博物理系统的信息处理主体是集运算、储存、控制于一体的单片机，总的来说就是一台微型电脑[5]。单片机作为嵌入式开发的工具，其发展非常迅速，功能也在不断增强，且单片机应用范围也越来越广泛。

本系统采用意法半导体（ST）公司所推出的STM32 F103ZET6 大容量芯片，芯片内核为Cortex-M3，集成了定时器、UART、ADC、USB、I2C 等多种功能，如表2所示。STM32F103ZET 包含有3 个ADC，每个ADC 的转换速率为1 MHz，也就是1μs。STM32 将ADC 分成了两个通道，分别为规则通道组和注入通道组。

表2 软件各层级模块定义

STM32 中ADC 的规则通道组可以包含最多16 个转换，而注入通道组只包含4 个，所以STM32 中的ADC 可以进行很多不同的转换模式，但车位锁中的电池电量检测只需要执行规则通道的单次转换。

2.4 软件架构及物理接口交互协议

2.4.1 软件程序架构设计

系统软件架构分为3 个层次，分别为底层（驱动层），中间层和应用层。其中，驱动层与硬件紧密相连，设置相关的GPIO 口以及对应的定时器，UART 的串口设置和对应的中断设置，CLOCK 模块的设置等，并且包括了各个模块的初始化。中间层主要是对串口接收到的数据进行解释。应用层主要是根据串口接收到的信息来驱动显示器显示对应的信息，而用户根据显示器可以了解到车位目前的状况。

2.4.2 UART 通信

UART 使用的是异步、串行通信。其中，串行通讯指的是使用一条数据线将，每个字符一位一位的按顺序进行传输。特点是较并行传输简单，一条线缆就可以实现通讯，成本低，适用于远距离通信，对于传输速度无要求的场合。而异步通信指的是通信中的两个字符的时间间隔是不固定的，而在一个字符内的各位的时间间隔是固定的，一个字符通常为8 位。

2.4.3 UART 通信协议

UART 是异步串行通信协议的一种，这代表着传输数据会将每一个字符一位接着一位的传输，如图3 所示。以下是各位的功能。

图3 UART 的数据传输格式

起始位：首先发出一个逻辑“0”，代表了开始传输数据。

数据位：起始位之后，便是代表字符的位，可以是5～8为的逻辑“0或“1”，构成一个字符。本文使用ASCII码，也就是7 位。从最低位开始传输。

校验位：在数据位后加上这一位，可以使数据流中“1”的位数为偶数（即偶校验）或者奇数（即奇校验）。

停止位：这一位代表了一个字符数据传输结束。可以是1 位、1.5 位、2 位的高电平。

空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路中没有数据传输。

2.4.4 STM32上的串口设置

串口是MCU 的重要外部接口，也是调速软件的必要手段，如今的所以MCU基本都会带有串口，STM32 也不例外。

STM32 的串口非常丰富，其功能也相当的强悍。但是在使用STM32 的串口之前，必须在软件端进行设置，一般来说，串口的设置分为以下几步。

（1）串口时钟使能，GPIO 时钟使能

（2）串口复位

（3）GPIO 端口模式设置

（4）串口参数初始化

（5）开启中断并初始NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤）

（6）使能串口

（7）编写中断处理函数

2.4.5 电池状态及动态管理

电池的放电和充电是有规律的，锂电池的充电可以分为4 个阶段[6]，分别为：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电中止，充电电压变化如图4 所示。

图4 锂电池充电曲线

锂电池充电时，先是保持电流恒定，这个时候的电流达到最大，电池电压随着恒流充电逐步升高[7]。当电池电压接近4.2 V 时，电流大小开始降低，直到电压达到4.2 V 时，电压保持不变，这时被称为恒压充电，这个时候的电流会持续减少。当充电电流减少到0.02 C至0.07 C 时，停止充电。

上面的充电曲线并不包括锂电池过放和锂电池过充的过程，如果锂电池过放（电池电压已经低于3 V），需要进行恢复性充电，直到电池电压达到3 V 以上，才会进行正常充电流程中的恒流充电。而为了防止过充，一般采用两种方法，一种如上所示，在充电电流低于0.02 C 至0.07 C 之间时，停止充电。另一种在恒压充电开始时计时，持续充电2 小时后终止充电过程。锂电池保护芯片一般采用前种方法。

电池在刚开始使用时，电压会快速下降，放电的倍率月大，电压便会下降的越快[8]。之后，电池电压会进入一个较为平缓但仍在下降的阶段，这时被称为电池的平台区，同样的，放电倍率越大，平台区持续时间越长，平台电压越低，电压下降的越缓慢。当电池的电量接近放完时，电池的负载电压开始急剧下降直至达到截止电压。

另外，锂电池的过放对于电池的损害很大，并且容易造成设备无法重新启动，所以应该保证电池电压不低于3V。

但是STM32 单片机的PIN 口仅支持3.3 V 以下的电压输入，所以不能将5 V 电压直接输入，否则会烧坏单片机的主芯片。需要接入电阻降压或者利用单片机自带的降压DC/DC 转换器，将5 V 降到3.3 V。

之后将电压连接到PIN 口，进行ADC 采样，通过得到的数值进行计算即可得到锂电池的电压，然后根据放电曲线就可以得到目前电池的剩余容量。

3 车位共享智慧控制系统

3.1 系统整备

在流程启动前需做好系统整备工作，包括了硬件准备，需要的物品如下。

（1）PC 机一台安装有MDK5、XCOM 以及下载器J-link 的驱动

（2）5V 锂电池一个，STM32 开发板与一个相同芯片的STM32 核心板，J-link 下载器一个。

（3）代码通过编译以后通过J-link 将HEX 文件下载至集成电路中的MCU 中。

（4）单片机2 通过ad 采样获得外部电源的电压，将百分比对应的字符和锁的状态对应的字符发送到单片机1，单片机1 的LCD 可以显示电源百分比和车位锁状态。

将所有模块连接完成之后，则进入工作模式，启动共享车位智慧控制流程。

3.2 共享车位智慧控制流程

（1）各车位的状态信息和车位锁信息经车位锁的低功耗蓝牙模块实时上传至车位共享智慧控制系统的赛博信息存储空间；

（2）有车辆进入停车区域后，系统识别该车辆类型和所需停车位大小等信息，根据车位、车位锁的实时状态信息，规划停车位，并通过路径规划最短路径发送至车辆导航[9]，引导车辆寻找停车位；

（3）车辆离开停车位，判断车辆是否使离，若离开，则将车位状态变化信息上报至系统，系统在门禁处进行费用结算。

4 总结

本文基于赛博物理系统构建了车位共享智慧控制系统，使用低功耗蓝牙、分布式计算等技术，实现车位共享的动态控制。对车位锁的共享模式和控制流程进行改进，使用云-边协同的控制系统，契合了赛博物理系统的理论，可以大幅改善用户停车体验及简化车位管理复杂度。同时，本文也是基于赛博物理系统对物理空间和虚拟空间创新性结合的一次探索，可为后续更多关于传统产品和系统的智能化研究提供实践支撑。