基于NB-IoT技術和地磁傳感器的路邊停車檢測系統＊

梁振奇，陳文釗，張雨晨，唐少虎

（1.北方工業大學 城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100144；2.北京城市系統工程研究中心，北京 100035）

隨著我國城市汽車保有量的急劇增加，除了道路擁堵外，停車難的問題也日益凸顯。據統計，北京每天有35%的車輛在尋找車位，這樣就不可避免地帶來了油耗的增加。與現有的各種各樣的車庫停車技術不同，由于車位零散，分布區域廣等，路邊停車的智能化程度一直很低。技術缺失帶來了一系列的管理問題，人工管理成本高、效率低，停車費“跑冒滴漏”現象嚴重。由于路邊停車位零散，空車位無法及時被發現，車位周轉率低。

對于解決停車難的問題，僅僅依靠不斷增加路邊停車位和提高路邊停車價格，不能從根本上解決問題。對于駕駛者來說，讓他們快速找到一個可用停車位，才是最關鍵的解決辦法。因此，為了緩解停車難的問題，提高路邊停車的智能化勢在必行。

結合市場上已有的路邊停車方案，綜合考慮無線標準、耗電情況、傳輸準確率及實際應用環境等方面，本設計使用了NB-IoT（窄帶寬物聯網）技術，該技術支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，并結合地磁檢測技術，設計了以停車位檢測為核心的停車系統。該系統與現有系統相比組網方式簡單，數據管理方便。這些優勢對于有效利用路邊的零散車位，提高停車位使用率，建立良好的交通環境和秩序有著重要的意義。

1 NB-IoT技術

傳統的物聯網通信技術主要分為兩類：一類是短距離通信，比如ZigBee、Z-wave及藍牙等通信；另一類則是傳統3G/4G等長距離通信。短距離通信方式具有低功耗、低成本等優勢，但由于其傳輸距離較短，長距離傳輸需要部署多個中繼節點，因此網絡拓撲復雜、穩定性較差；長距離通信方式則具有通信覆蓋面廣、傳輸速率高等優勢，然而其對設備能量消耗大，不適合作為底層物聯網通信方式。為了解決現有物聯網通信技術傳輸距離與能量消耗之間的矛盾，低功耗廣域網（LPWA）通信技術應運而生。

NB-IoT是IoT領域一種新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。據說，NB-IoT設備電池壽命至少可以延長10年，同時還能提供非常全面的室內蜂窩數據連接覆蓋。NB-IoT最核心的技術就是實現數據在搭建的云平臺上進行傳輸（云透傳），連接云平臺透

傳結構如圖1所示，用戶通過UDP、TCP等通信協議連接云平臺，經過規定的指令實現數據上發及數據讀取，上發的數據一律存儲在NB-IoT云平臺的數據庫中。

圖1 云平臺透傳結構圖

與目前傳統的智能停車方案相比，NB-IoT解決方案使用運營商網絡覆蓋，無需額外增加網絡設備，在建網成本上具有領先優勢。在空曠、難以布線、立桿等區域，NB-IoT技術的廣覆蓋、深覆蓋等特點很好地解決了基建帶來的額外成本問題。同時，由于NB-IoT使用授權頻段，免去了使用公共頻段技術帶來的網絡干擾問題。

2 系統總體結構設計

系統總體結構如圖2所示，由終端節點、NB-IoT云平臺和外部應用軟件組成。由NB-IoT、地磁檢測器和MCU組成的終端節點部署在停車位中，實時檢測停車位的使用狀態；同時，車位狀態信息通過UDP、TCP等通信協議傳到NB-IoT云平臺；通過NB-IoT云平臺的API將數據提供給應用軟件。

圖2 系統總體結構

3 系統硬件設計

本系統的硬件設計如圖3所示，主要由MCU MSP430F5438A、地磁傳感器HMC5883、NB-IoT模塊BC95-B5組成。地磁傳感器HMC5883用來檢測車位的使用情況，通過IIC接口與MCU MSP430F5438A通信；NB-IoT模塊BC95-B5通過RS232與MCU MSP430F5438A通信，并將接收到的數據通過NB-IoT技術傳送到NB-IoT云平臺。

圖3 硬件設計

4 系統軟件設計

該系統的軟件部分主要包括終端節點的軟件設計、NB-IoT通信協議及應用軟件的設計。

4.1 終端節點軟件設計

終端節點程序主要在MCU上完成，地磁傳感器與MCU之間通過IIC通信，NB-IoT模塊與MCU之間采用RS232通信。MCU采用睡眠—喚醒—睡眠的循環工作模式，從而達到降低功耗的目的。時間間隔設置為1 s，喚醒后進行系統自檢，與此同時檢測地磁傳感器收集的數據是否發生變化。若發生變化，則將數據通過NB-IoT模塊發送到云平臺；否則，繼續轉入睡眠狀態，等待再一次被喚醒。軟件流程如圖4所示。

圖4 終端節點軟件流程圖

4.2 NB-IoT通信協議

本設計通過COPA協議實現NB-IoT模塊與云平臺之間的通信。COAP協議由NB-IoT模塊自動發送，NB-IoT模塊在首次發送數據時，會先上報一條攜帶NB-IoT模塊的IMEI號注冊包到平臺。所以NB-IoT模組使用COAP接入平臺時，必須以模塊IMEI號來創建設備。

4.3 應用軟件設計

NB-IoT云平臺設置了開放的API，可以根據需求開發例如自助繳費、誘導停車等不同功能的應用軟件，進而更好地滿足運營者的差異化要求。

5 測試與分析

選取一實際停車場，隨機選擇5個停車位，將終端節點放入車位中，并給這5個停車位編上序號，在每個車位中實驗100次，記錄數據如表1所示。實驗結果表明，數據傳輸穩定性高達99%.

表1 丟包率

隨機選擇一個停車位，單獨拿出地磁感應裝置進行測試。將地磁感應裝置按照一定的方向放在停車位中，當車駛入時記錄磁場的變化量，得到的變化數據如表2所示。實驗結果表明，汽車與地磁感應裝置距離保持在0.35 m內，且閾值設為1.4 gauss，可以保證車輛被有效檢測到。

表2 磁場變化量

6 結論

本文將NB-IoT技術與MSP430F5438A單片機系統相結合，完成了基于NB-IoT技術和地磁傳感器的路邊停車檢測系統的設計，實現了對路邊停車位的實時檢測。本設計主要通過NB-IoT技術將停車位信息實時上傳到云平臺。NB-IoT技術拓撲簡單，部署成本低。由于NB-IoT網絡由電信運營商經營，無需額外部署集中器或網關，大大降低了設備升級和系統部署成本。應用NB-IoT技術將車位信息接入云端，實現停車信息的實時發布，相比3G/4G技術具有實時、準確、可靠等優勢。本設計為NB-IoT技術應用于交通領域提供了一種思路，實現了零散停車位信息的實時檢測，提高了停車位的利用率，在一定程度上緩解了停車難的現象，解決了目前傳統智能停車系統信息錯誤率高等問題，不僅為解決我國現行公共交通問題提出了一種實際有效的產品，還為其他需要組網的通訊產品提供了一種行之有效的思路。

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