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一、引言

（一）研究背景及意义

随着城市化进程加快和家庭汽车保有量持续增长，“停车难、管理乱、体验差”成为困扰车主的一大痛点。传统车库管理依赖物理钥匙和人工判断，存在便捷性低、安全性不足、无法远程管理等弊端。智能车库系统通过融合射频识别（RFID）、超声波探测、物联网（IoT）和环境传感技术，旨在实现车库管理的无人化、自动化和智能化。本项目基于STM32单片机，构建一个集智能门禁、车位监测、环境调控与远程控制于一体的综合性解决方案，极大提升车辆存取的便捷性、车库空间利用率和安防水平，是现代智慧家庭和物业管理的的重要组成部分。

（二）国内外研究现状

目前，智能车库技术正从单一功能向集成化、平台化方向发展。独立的车牌识别系统、RFID门禁系统已有应用，但多系统间相互独立，形成“数据孤岛”。将身份识别、车位检测、环境感知与设备控制通过一个低成本、高可靠性的主控进行深度融合，并接入统一的云平台实现远程监控，是当前技术应用的前沿。本设计不仅实现了基本功能，更通过传感器联动创造了智能、舒适、安全的车库环境，具有显著的创新性和实用价值。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用“感知-决策-执行-云控”的四层架构。

  • 感知层：由RC522（身份识别）、HC-SR04（车位检测）、DHT11（环境温湿度）、BH1750（环境光照）传感器组成，全方位采集车库状态信息。

  • 决策层：STM32主控制器作为系统大脑，处理所有传感器数据，执行核心逻辑判断（如权限验证、自动照明），并生成控制指令。

  • 执行层：包括继电器（控制门锁/门电机、通风设备、照明灯），负责完成具体的物理操作。

  • 云控层：基于ESP8266 Wi-Fi模块与云平台连接，实现手机App远程状态监控和设备控制，打破地域限制。

（二）功能模块划分

  1. 智能门禁模块：RC522 RFID读卡器 + 继电器（门锁）。

  2. 车位监测模块：HC-SR04超声波传感器。

  3. 环境监测与调控模块：DHT11 + BH1750 + 继电器（通风设备、照明灯）。

  4. 人机交互模块：OLED显示屏。

  5. 数据通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块。

  6. 主控与电源模块：STM32单片机 + 电源电路。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

  • STM32F103C8T6 (主控核心)

  • RC522 RFID模块 (SPI接口)：SDA接 PA4, SCK接 PA5, MOSI接 PA7, MISO接 PA6, RST接 PC0

  • HC-SR04超声波模块：Trig接 PA1, Echo接 PA0

  • DHT11温湿度传感器：数据线接 PC1

  • BH1750光照传感器 (I2C接口)：SCL接 PB6, SDA接 PB7

  • OLED (SSD1306) (I2C接口)：与BH1750共享I2C总线，SCL接 PB6, SDA接 PB7

  • 继电器模块 x 3：接 PC13(车库门锁), PC14(通风设备), PC15(照明灯)

  • ESP-01S (ESP8266)：接USART2 PA2(TX), PA3(RX)

（二）主控模块选型及介绍

主控芯片选用STM32F103C8T6。其资源丰富且成本低廉：

  • SPI接口：用于驱动RC522 RFID模块。

  • 多定时器/GPIO：用于产生超声波模块所需的脉冲和测量回波时间，以及控制继电器。

  • I2C接口：可同时挂载BH1750和OLED显示屏。

  • UART接口：用于与Wi-Fi模块通信。
    其性能完全满足多任务处理和外设控制的需求。

（三）传感器模块选型及电路设计

  1. RC522 RFID读卡器：13.56MHz频率，用于识别授权的IC卡（M1卡）。安装于车库门外侧，方便车主刷卡。SPI通信方式稳定可靠。

  2. HC-SR04超声波传感器：用于检测车库内是否停有车辆。安装于车库内部正中央或对准车位，通过测量传感器到障碍物（车辆）的距离来判断车位状态（例如，距离 < 100cm 有车，距离 > 200cm 无车）。

  3. DHT11温湿度传感器：监测车库内部环境。高湿环境易导致车辆和设备受潮锈蚀。

  4. BH1750光照传感器：数字型环境光强度传感器，通过I2C直接输出光照度值（lux），比光敏电阻精度更高、更稳定。用于实现照明灯的自动控制。

（四）通信模块选型及配置

选用ESP-01S模块。配置其连接家庭Wi-Fi，并通过MQTT协议与云平台（如Home Assistant、阿里云IoT、涂鸦智能）通信。MQTT的轻量级和发布/订阅模式非常适合本系统的状态上报和远程指令接收。

（五）执行模块选型及驱动电路

（核心：强电控制，安全第一！）

  1. 继电器模块：用于控制各类220VAC设备。

    • 车库门锁/电机：控制车库门升降电机或电插锁的电源。

    • 通风设备：控制排风扇或除湿机的电源。

    • 照明灯：控制车库顶棚LED灯的电源。

    • 重要警告：继电器输出端连接的均为220V强电，必须与STM32的3.3V弱电电路物理隔离，接线需规范并使用绝缘保护。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

  • IDE: Keil uVision5

  • 库: STM32HAL库 + RC522驱动 + BH1750驱动

  • 协议: cJSON库（用于MQTT数据打包）

（二）系统软件流程图

（三）系统初始化（代码片段）

// main.c
#include "rc522.h"
#include "hc-sr04.h"
#include "dht11.h"
#include "bh1750.h"
#include "ssd1306.h"
#include "esp8266_mqtt.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
UART_HandleTypeDef huart2; // For ESP8266

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART2_UART_Init();

  OLED_Init();
  BH1750_Init();
  RC522_Init();
  DHT11_Init();
  ESP8266_MQTT_Init();

  while (1) {
      Main_Task();
      HAL_Delay(1000); // 主循环周期1秒
  }
}

（四）传感器数据采集与处理

void Sensor_ReadTask(void) {
    // 1. 读取超声波测距值，判断车位状态
    float distance = ULTRASONIC_GetDistance();
    is_car_present = (distance < CAR_PRESENCE_THRESHOLD) ? 1 : 0;

    // 2. 读取温湿度
    DHT11_Read(&temperature, &humidity);

    // 3. 读取光照强度
    light_level = BH1750_ReadLightLevel();
}

// 超声波测距函数
float ULTRASONIC_GetDistance(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1); // 持续10us以上高电平
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);

    // 等待回波引脚变高并计时
    while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port, ECHO_Pin) == GPIO_PIN_RESET);
    uint32_t start_time = HAL_GetTick();
    while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port, ECHO_Pin) == GPIO_PIN_SET);
    uint32_t end_time = HAL_GetTick();

    float time_elapsed = (end_time - start_time) * 1.0; // 单位: ms
    // 计算距离 (声音速度 340m/s, 除以2因为是往返距离)
    float distance_cm = (time_elapsed * 34000.0) / 2.0 / 1000.0;
    return distance_cm;
}

（五）控制功能实现

void Control_Task(void) {
    // 1. 环境智能联动 (自动模式)
    // 自动照明: 光照暗且有人/车活动（或门打开）时开灯
    if (light_level < LIGHT_THRESHOLD_LOW && (is_door_open || is_car_present)) {
        HAL_GPIO_WritePin(LIGHT_RELAY_GPIO_Port, LIGHT_RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
    } else if (light_level > LIGHT_THRESHOLD_HIGH || !(is_door_open || is_car_present)) {
        // 光照充足或无活动时关灯
        HAL_GPIO_WritePin(LIGHT_RELAY_GPIO_Port, LIGHT_RELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }

    // 自动通风除湿
    if (humidity > HUMIDITY_THRESHOLD) {
        HAL_GPIO_WritePin(FAN_RELAY_GPIO_Port, FAN_RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(FAN_RELAY_GPIO_Port, FAN_RELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    }

    // 2. RFID门禁控制
    uint8_t card_id[4];
    if (RC522_FindCard(card_id) == MI_OK) {
        // 将卡号转换为字符串便于比较
        char card_str[9];
        sprintf(card_str, "%02X%02X%02X%02X", card_id[0], card_id[1], card_id[2], card_id[3]);
        // 检查卡号是否在授权列表中 (列表可存储在STM32 Flash或从云端获取)
        if (IsCardAuthorized(card_str)) {
            // 执行开门操作
            HAL_GPIO_WritePin(DOOR_RELAY_GPIO_Port, DOOR_RELAY_Pin, GPIO_PIN_SET);
            HAL_Delay(500); // 维持一段时间高电平以触发开门动作
            HAL_GPIO_WritePin(DOOR_RELAY_GPIO_Port, DOOR_RELAY_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            is_door_open = !is_door_open; // 切换门状态标志
            OLED_ShowMessage("Access Granted!");
            Buzzer_Beep(1); // 提示音
        } else {
            OLED_ShowMessage("Access Denied!");
            Buzzer_Beep(3); // 错误提示音
        }
    }
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

  1. 功能测试：

    • 门禁测试：使用授权卡和未授权卡测试开门功能。

    • 车位检测测试：将车辆驶入/驶出车库，测试超声波传感器判断是否准确。

    • 环境联动测试：遮挡BH1750传感器模拟夜晚，测试灯是否自动打开；向DHT11哈气模拟高湿，测试风扇是否启动。

    • 远程控制测试：通过手机App测试远程开门和状态查看功能。

  2. 可靠性测试：

    • 压力测试：模拟频繁刷卡开门，测试系统稳定性。

    • 网络测试：模拟Wi-Fi中断和恢复，测试系统的重连机制和数据缓存能力。

  3. 环境测试：在真实车库环境中测试，评估超声波传感器对不同车型的适应性，以及环境传感器数据的准确性。

（二）测试结果与分析

预计测试中，超声波车位检测的准确性和抗干扰能力（如车库内杂物、墙壁反射）是主要挑战。RFID读卡距离和角度也需要优化以确保良好的用户体验。强电控制的稳定性和安全性是测试的重中之重。

（三）系统优化

  1. 算法优化：

    • 数据滤波：对超声波测距数据进行中位值平均滤波，剔除偶然误差。

    • 防误判逻辑：连续多次检测到有车/无车才改变状态，防止因瞬间干扰导致的误判。

  2. 用户体验优化：

    • 语音反馈：增加语音播报模块，在开门、关门、报警时提供语音提示。

    • LED指示灯：在车库内外增加LED状态指示灯，直观显示门状态和车位状态。

  3. 安全性强化：

    • 双鉴探测：可增加一个红外热释电传感器（PIR） 与超声波传感器共同判断车位状态，形成“双鉴”探测，极大提高判断准确性，防止误报。

    • 开门超时报警：如果门开启超过设定时间（如5分钟），自动报警并通知用户。

六、结论与展望

（一）未来展望

  1. 车牌识别融合：升级为小型摄像头，集成车牌识别（LPR） 功能，实现“RFID + 车牌”双因子认证，安全性更高，并可自动为特定车辆开门。

  2. 车辆引导系统：增加LED灯带或屏幕指示，引导车主将车辆停入车库最佳位置。

  3. 能源管理：与家庭光伏系统联动，在阳光充足时自动启动通风设备为车库降温；统计照明和通风能耗。

  4. AIoT赋能：在云平台端利用AI分析用户使用习惯，实现预测性控制（如下班前提前开启通风）。

如有侵权，或需要完整代码，请及时联系博主。

# stm32 # 嵌入式硬件 # 单片机
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