基于窄帶物聯網技術的車位鎖控制系統設計

戴路 張潔

摘 要：隨著經濟的發展，全國民用汽車保有量越來越高，但我國停車位增幅遠低于汽車增長率，因而導致停車難、停車亂等問題，需要針對該問題提出相應解決方案。為此，提出采用窄帶物聯網技術作為通信方式，以OneNET中國移動物聯網平臺作為服務平臺，并采用MQTT通訊協議，設計一種車位鎖控制系統。系統可通過手機APP實現實時開鎖與遠程開鎖功能，同時還增加了通過手機定位檢測車輛，待車輛進入車位鎖規定范圍后則自動開鎖等功能。該車位鎖具有安裝方便、功耗低、使用便捷等優勢，為車位鎖發展提供了一種新思路，具有一定的經濟與社會效益。

關鍵詞：窄帶物聯網技術;中國移動物聯網平臺;MQTT通訊協議;電子車位鎖

DOI：10. 11907/rjdk. 182880 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）007-0119-04

Design of Parking Lock Control System Based on NB-IoT Technology

DAI Lu，ZHANG Jie

（Information Engineering College， Yango University， Fuzhou 350015， China）

Absrtact： With the development of economy， the number of civil automobiles in China is increasing， but the growth rate of parking space in China is far less than that of automobiles. In view of the above situation， this topic proposes to use narrowband Internet of Things technology as a communication mode， OneNET China Mobile Internet of Things platform as a service platform and MQTT communication protocol. A parking lock control system is designed. The system realizes real-time and remote unlocking through mobile APP， and adds the functions of locating and unlocking vehicles in the specified range of parking locks by mobile positioning detection. The parking lock has the advantages of convenient installation， low power consumption and convenient use. It provides a new idea for the development of parking lock and has certain economic and social benefits.

Key Words：narrow-band Internet of Things technology; China mobile Internet of Things platform; MQTT communication protocol; electronic parking lock

基金項目：福建省虛擬仿真實驗教學中心項目（2017SJSY01）;福建省教育廳科技B類基金項目（JB12259）

作者簡介：戴路（1985-），男，碩士，陽光學院信息工程學院工程師，研究方向為物聯網應用、深度學習;張潔（1980-），女，碩士，陽光學院信息工程學院講師，研究方向為信號系統。

0 引言

據國家統計局數據顯示，2017年全國民用汽車保有量達到21 743萬輛，比上年末增長11.8%，其中私人汽車保有量18 695萬輛，增長12.9%;民用轎車保有量12 185萬輛，增長12.0%，而私人轎車也達到11 416萬輛，增長12.5%。根據保守估計，我國停車位缺口超過5 000萬個，車位已然成為城市的稀缺資源。隨之產生的則是停車難、停車亂等問題，容易引發社會矛盾[1]。

目前已有不少學者針對基于物聯網技術的電子車位鎖控制系統進行了相關研究。其中，霍海波等[2]為了解決廣大市民停車難、停車貴等問題，將Zigbee與WiFi無線通信技術相結合，并引入實時時鐘模塊和繼電器模塊，設計開發了智能車位鎖管理系統。通過測試，采用CC2530模塊與ZStack-CC2530-2.5.1a協議棧組網，但當組建超過20個節點時，會出現節點掉線問題;李淵博[3]針對傳統手動車位鎖使用不便，以及現有智能車位鎖功耗高、安全系數低等弊端，利用低功耗藍牙技術設計一個感應式智能車位鎖。系統主要由控制模塊、藍牙電子標簽、地磁車位檢測模塊、電源管理模塊及手機5部分構成。該方案需要進行藍牙配對，但受到藍牙通信距離的限制，無法進行統一組網。

針對以上情況，本文將物聯網技術、云計算技術、傳感技術等多種技術相結合，設計一種基于物聯網技術的電子車位鎖控制系統，系統可通過手機APP實現實時開鎖與遠程開鎖，同時還增加了通過GPS檢測車輛，待車輛進入車位鎖規定范圍內則自動開鎖等功能，為解決停車難問題提供了一種新思路。

1 系統框架設計

電子車位鎖控制系統結構如圖1所示，系統分為用戶層、車位鎖服務層、NB-IoT通信層與車位鎖感知層共4層。車位鎖感知層由檢測模塊、控制模塊、電源模塊和NB-IoT模塊構成，用于感知車輛并實現遠程開關鎖等功能，其通過檢測模塊獲取當前車位信息，以防出現誤操作，控制模塊可驅動電機進行開關鎖操作[4-5];NB-IoT通信層由不同NB-IoT基站匯聚車位鎖感知層信息，并統一轉發給中國電信IoT平臺;車位鎖服務層通過中國電信IoT核心網將感知層所有數據匯集起來，并轉發給云服務器，云服務器通過相關數據分析為前端提供開鎖、關鎖、位置開鎖等相關應用接口[6-7]。用戶可通過手機APP實現開鎖、關鎖，以及進入預設區域后自動開鎖等功能[8]。

2 窄帶物聯網技術

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是華為在2014年提出的窄帶技術，NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術，具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構優等特點[9]，可采取帶內、保護帶及獨立載波3種部署方式，與現有網絡共存，實現平滑升級。由于車位鎖在室內外都需要部署，要求具有較大的并發量以及較低的功耗與成本，可適用于車位信息的實時獲取，因此系統采用NB-IoT作為系統通信模塊[10-11]。

3 車位鎖硬件設計

車位鎖硬件部分采用MSP430G2553作為車位鎖核心控制器，由于車位鎖需要長期在電池環境下工作，因此需要優先考慮功耗問題。車位鎖長期處于待機模式，MSP430G2553在待機耗模式下的功耗為0.5μA，且能夠在1μs時間內完成從低功耗模式到運行模式的轉換，符合車位鎖運行需求;車輛感知模塊采用高靈敏度的地磁模塊實現車輛感知[12];步進電機作為車位鎖的控制單元，能夠精準控制鎖體開合精度，且不需要其它傳感器輔助，符合車位鎖鎖體的控制需求[13];NB-IoT采用華為海思的BC26模組，該模組體積較小，且具有高性能、低功耗、多頻段等優點，符合車位鎖通信部分的設計需求;電源模塊為節點提供穩定電源，由兩顆標稱容量為13 000mAh、電壓為3.6V的鋰亞電池組成。鋰亞電池工作溫度范圍為-55～+80℃，年自放電率小于2%，符合車位鎖對電源的要求。車位鎖硬件具體設計如圖2所示。

BC28模組][MSP430][電源模塊][步進電機][地磁模塊]

圖2 車位鎖硬件設計

4 車位鎖軟件設計

由于采用電池供電，因此車位鎖軟件部分需要考慮功耗問題。系統啟動后先初始化NB-IoT模塊，之后MCU進入休眠狀態。

系統通過AT指令使模塊注冊入網，處于連接狀態（Connected），該狀態可實現與IoT云平臺的數據交互;當數據交互停止超過預定時間后，模塊將進入空閑狀態（Idle），在空閑模式下執行不連續接收模式（Discontinuous Reception，DRX）。在該模式下，模塊核心會在預設周期內定時激活接收機，用于數據偵聽，當收到數據時，系統將切回連接狀態，并喚醒MCU進行數據處理[14]。

當系統收到指令時，進行數據判斷，若接收到開鎖指令，先通過地磁模塊檢測當前車位是否有車輛停入，若檢測到已有車輛停入，則發送當前車位有車的信號給服務器;若未檢測到車輛停入，則執行開鎖操作，并開啟定時器，同時將開鎖成功的信號發送給數據服務端[15]，之后MCU進入休眠狀態。

定時器會周期性地喚醒MCU，檢測車輛是否離開，若地磁模塊檢測到車輛已離開，則執行關閉車位鎖指令，同時關閉定時器，使MCU再次進入休眠狀態。具體流程如圖3所示。

NB-IoT模塊][開始][NB-IoT接收數據，喚醒MCU][定時器喚醒MCU][喚醒MCU][檢測車輛是否離開][Y][關閉車位鎖][關閉定時器][進入休眠][是否接收到開鎖指令][發送車位有車信號][判斷是否有車停入][進入休眠][開鎖][發送開鎖成功信號][等待車輛停入][啟動定時器][進入休眠][Y][Y][N][N]

圖3 車位鎖軟件設計

5 NB-IoT通信設計

系統中的NB-IoT采用BC26模組，MCU可通過AT指令控制BC26模組，實現與服務端的連接。系統采用OneNET中國移動物聯網平臺作為數據服務層，系統與前端通信協議將采用MQTT接入方式，MQTT是基于TCP/IP的能夠實現低速網絡狀況發布/訂閱范式的消息協議。MQTT協議提供了一對多的消息分發與應用解耦，消息傳輸不需要知道負載內容，并提供了3種不同等級的通信服務，其開銷小，協議交換少，且當連接斷開時能通知相關各方。設備在連接前需要在OneNET中國移動物聯網平臺上注冊設備，平臺會分配產品ID和設備注冊碼，登錄時需根據ID與注冊碼進行設備訪問[16]。

BC26模塊在連接時，CPU通過串口采用AT指令進行操作，首先需要對BC26進行初始化，采用AT+NRB命令重啟BC26模塊;采用AT+CMEE=1命令讓系統報錯，進入簡略報錯模式;利用AT+CGSN=1命令獲取物聯網卡的IMEI碼;使用AT+NBAND？命令查詢物聯網卡運營商，當前運營商為電信則返回+NBAND：5;利用AT+CIMI命令查詢卡號;采用AT+CSQ命令查詢信號，若返回+CSQ：99，99，則當前無窄帶物聯網信號;通過AT+QIOPEN=1，0，“TCP”，“183.230.40.39”，6002，1234，1命令建立與OneNET服務器連接的TCP客戶端，183.230.40.39是MQTT服務器的服務器IP，其端口號為6002，該服務器能將數據上傳到OneNET平臺;最后通過OneNET平臺分配的設備ID與設備注冊碼進行登錄。登錄成功后，即能通過構建MQTT報文實現設備與平臺的通信。模塊與平臺通信流程如圖4所示[17]。

建立一個TCP客戶端，連接OneNET服務器][通過平臺分配的ID和Master-APIkey進行登錄][構建MQTT報文進行數據通信][結束][開始]

圖4 BC26模塊與平臺通信流程

6 數據服務層與用戶層

數據服務層采用OneNET中國移動物聯網平臺，當設備接入時，通過開發者中心的應用開發模塊實現數據服務層開發。開發過程可采用平臺提供的應用模板，能夠很便捷地搭建數據服務，搭建完成后手機端通過HTTP協議進行數據請求，服務端根據需求將數據轉發給用戶層，為用戶層提供相應數據接口。用戶層為用戶提供了兩種開鎖方式：①手動開鎖，可通過手機端相關操作實現開鎖;②自動開鎖，當用戶手機定位進入車輛預設范圍時，車位鎖自動打開，當用戶手機定位離開預設范圍時，車位鎖自動關閉。

用戶層采用HTML5技術開發手機端應用程序[18]。HTML5技術是2014年10月推出的可兼容多種移動平臺的設計語言，可實現設備與服務層的實時連接，使瀏覽器在設備端進行本地資源交互，并支持微信、支付寶等小程序。在為用戶提供最大便利的同時，還可為將來商業行為預留接口[19-20]。

7 結語

本系統與傳統車位鎖相比具有以下創新：①系統采用低功耗設計，利用電池為前端供電，因此在安裝時不需要接入電源，安裝方便、快捷;②具有自動開鎖功能，當車輛進入預設范圍時自動開鎖，當車輛離開預設范圍時，車位鎖自動關閉;③手機端采用HTML5技術，支持微信、支付寶等小程序，可為后期開發共享車位等盈利型模式打下基礎。

隨著我國汽車保有量的不斷攀升，在停車位方面存在極大缺口。如今自動車位鎖已逐漸開始取代手動車位鎖，但目前市面上的智能車位鎖占比仍然較小。本文采用物聯網技術設計的智能車位鎖具有安裝方便、功耗低、使用便捷等優勢，為車位鎖發展提供了一種新思路，具有一定的經濟與社會效益。

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（責任編輯：黃 健）