基于NB-IoT的智能停車監測系統設計與實現

薄曉鳴

（中北大學電氣與控制工程學院，山西太原030051）

0 引言

城市土地資源的日益稀缺以及機動車總量的逐年攀升，使車輛?？抗芾淼碾y度不斷加大。傳統停車位、機械式停車位與車主的信息不對稱，導致停車位的周轉率較低，急需一種融合物聯網、大數據和移動互聯技術于一體的智能停車監控系統來提高城市停車位的周轉率，有效避免停車場排隊時間過長、停車位空置率高等問題。

2014年，NB-IoT技術由我國華為公司最早提出，是一種應用廣泛的窄帶無線通信技術，其成本、功耗低，能同時進行大量的數據連接，在智慧城市建設中得到了大量的運用。該系統可以綜合成本和使用壽命等因素，運用超聲波傳感器與三軸磁場傳感器相結合的方式進行車位數據采集，利用NB-IoT通信技術將返回信息發送至監測系統服務器，由服務器進行信息更新，然后通過移動互聯技術發送至使用者的移動終端，最終實現對停車位的高效管理。

1 智能停車監控系統的總體架構設計

該系統自下而上由數據傳感采集層、NB-IoT數據通信交互層、數據應用存儲層和用戶應用層4層組成。系統總體架構如圖1所示。

圖1 智能停車監控系統架構

最底層為數據傳感采集層，其中，智能云臺圖像傳感器進行圖像采集，超聲波傳感器負責車位距離的測量，而三軸磁場傳感器則用于車位空置數據的收集，最終將各傳感器的數據匯聚至NB-IoT模塊。NB-IoT數據通信交互層的通信發射基站負責接收數據傳感采集層的數據并通過窄帶通信技術將數據傳輸到NB-IoT的核心網絡。在數據進入數據應用存儲層后，監測調度軟件對SQL數據庫中存儲的數據進行分析，最終反饋給用戶應用層。在數據應用存儲層可以利用停車位大數據，給用戶推薦附近空置率較高的停車場，讓空置車位能夠得到有效利用。

2 系統硬件部分設計

該系統的硬件部分主要由嵌入式控制單片機、電源模塊、傳感器模塊、NB-IoT模塊組和NB-IoT基站5個部分組成。系統硬件部分設計如圖2所示。

圖2 系統硬件部分設計

嵌入式控制單片機選用了意法半導體集團的STM32F103增強型芯片系列，具有超低功率、集成多種通信接口、擁有上百個I/O接口等優點，能滿足不同的設計要求。

電源模塊為硬件部分提供低壓電源，保證硬件設備的正常運行。電源模塊的輸出電壓需根據每個模塊的不同需求提供2.16～4.2 V的電壓，以保證硬件部分所有模塊的正常運行。

三軸磁場傳感器使用霍尼韋爾公司的HMC5883L，磁場暴露分辨率達到2 mG，方位角分辨精度可以精確到1°。此傳感器為貼面傳感器，易安裝維護，運用其自帶的集成電路總線通信協議將數據通過單片機傳輸至NB-IoT模塊組進行處理，處理后的數據發送至基站，通過基站傳送給核心網絡。

超聲波傳感器被應用到智能停車監測系統的測距上，其測量數據較為精準，能保證車輛的安全。

NB-IoT模塊組是該系統硬件部分的核心組件，由于該技術由我國華為公司最早提出，所以我國的大多數物聯網設備都采用了以華為海思芯片為設計基礎的BC95模塊。此模塊能直接用于2G、3G、4G移動網絡的連接，將其運用于物聯網可使系統的升級更簡便且成本更低，因此其在窄帶廣域網的通信數據中連接具有很大的優勢，該模塊還具有待機時間較長、能進行高效連接等優點。

NB-IoT基站負責移動通信網絡和UE之間COAP和UDP協議的通信管理。最重要的是其覆蓋能力達到164 dB，能有效覆蓋地下車庫、地下室等GPRS和LTE信號難以覆蓋的地方。

3 軟件功能模塊設計

通過智能停車監控系統需求調研與最終用戶的問卷調查，智能停車監控系統的功能模塊分為五大部分。（1）車位實時地理位置定位模塊，通過實時定位自動搜索周邊的空置車位，選擇合適的停車場后能自動顯示空置車位的編號。在此過程中，要充分運用大數據和數據倉庫技術，使其能夠快速搜集信息并進行高效運算，實現信息實時顯示。（2）人機移動互聯交互模塊，此模塊中需要考慮到當下流行的支付寶/微信小程序，還應根據智能停車監控規模的大小制作手機和平板設備的APP。（3）提供車輛引導的接口模塊，將其與各大地圖軟件進行連接，并謀求與城市智慧引導屏的連接，通過將停車監測系統中的車位空置信息向周邊道路的智慧顯示大屏擴散，來提高車位的周轉率。（4）智能停車收費模塊，該模塊需支持現在主流的各種移動支付方式并與小程序進行有效結合，在實現無感支付的同時也需要保留人工收費的操作界面，讓未開通移動支付的用戶也能享受智能停車監測系統的便利。（5）車輛監測算法模塊，此模塊是NB-IoT智能停車監測系統的核心算法模塊，其主要思想是挑選多個磁場分量或強度，依次計算磁場數據與車位忙閑數據的差值，通過對比差異得知車位是否空置。

4 智能停車監測公有云平臺框架

智能停車監測系統要想在智慧城市的建設過程中發揮更大的作用，需要借助公有云平臺將城市停車位大數據和城市停車需求大數據結合起來，通過實現停車位的錯峰調度，平衡城市停車位空置與停車難之間的矛盾。公有云平臺的建立，一方面需鼓勵各個停車場將各自的數據進行共享，另一方面也要打造誠信、快捷的停車信用和支付系統。同時，鼓勵私家車位將空置車位進行有償租賃，不僅能讓車位擁有者利用車位空置時間獲得收益，還能緩解周邊上班族停車難的問題。各個停車場實時發送停車位使用率至NB-IoT基站，然后匯總發送至云平臺，用戶可以通過云客戶端或者小程序進行實時查詢，并根據計算的最優路徑進行選擇。私家車位的擁有者也能在自家車位安裝智能鎖，設置車位空閑時間并發送至云平臺，提供閑時租賃服務。

5 結語

“讓停車位萬物聯動，讓用戶便捷停車”是基于NB-IoT的智能停車監測系統設計的初衷。在杭州等地，智能停車監測公有云系統已逐步建成，相信在相關人員的不斷努力和探索下，更便捷、更高效、更低廉的智能停車監測系統必將誕生，城市停車難問題將逐步得到緩解。