基于NB-IoT的共享停車(chē)位云系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張衡 王莉 王志祥 謝慧雯

摘要：借助萬(wàn)物互聯(lián)（IoT）時(shí)代物與物、人與物之間能進(jìn)行信息交互的特性，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用，文章設(shè)計(jì)了一款基于NB-IoT的共享停車(chē)位控制系統(tǒng)。它能整合所獲得的停車(chē)位數(shù)據(jù)信息，依據(jù)車(chē)位的使用情況實(shí)時(shí)智能提供該停車(chē)位的使用情況給用戶，使相關(guān)信息傳達(dá)給有需求的車(chē)主。并且用戶能通過(guò)微信小程序客戶端（ParkingTrading288）直接控制停車(chē)鎖的開(kāi)啟和關(guān)閉，十分方便。本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)有助于停車(chē)位的共享，提高了停車(chē)位的有效利用率，讓車(chē)主能隨時(shí)了解到車(chē)位信息，出行再也不用為停車(chē)而煩惱。通過(guò)停車(chē)鎖確保了停車(chē)位的安全，同時(shí)也更方便地掌握車(chē)位信息。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)stm32;NB-IoT;服務(wù)器云系統(tǒng);ParkingTrading288

中圖分類號(hào)：TP311 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）13-0067-03

1 引言

汽車(chē)為人們的出行帶來(lái)了很多便利，但同時(shí)增長(zhǎng)過(guò)于迅速的汽車(chē)保有量導(dǎo)致交通擁擠不已、停車(chē)?yán)щy重重，“停車(chē)難、找車(chē)難、收費(fèi)難”已成為亟待解決的難題。根據(jù)調(diào)查，車(chē)位緊張的主要原因在于車(chē)位在時(shí)間和空間上的分配情況以及車(chē)位信息的不透明所導(dǎo)致[1]。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，充分提高停車(chē)位資源的利用率是當(dāng)前解決停車(chē)位難題的首要措施。

針對(duì)上述出現(xiàn)的各種關(guān)于停車(chē)的問(wèn)題，本研究能夠在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上緩解停車(chē)難題，充分利用有限的停車(chē)位，避免停車(chē)位資源的浪費(fèi)。同時(shí)能將所有停車(chē)位資源的相關(guān)信息進(jìn)行整合，實(shí)時(shí)智能規(guī)劃、合理安排出每個(gè)車(chē)位的使用時(shí)刻表，并將這些數(shù)據(jù)信息提供給有需要的車(chē)主，讓所有閑置的停車(chē)位得到充分使用。該系統(tǒng)以NB-IoT技術(shù)作為紐帶，再用以STM32為主控的車(chē)位鎖來(lái)管理車(chē)位，并與物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)相連接。在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)中建立車(chē)位云系統(tǒng)來(lái)統(tǒng)籌管理共享車(chē)位鎖并傳輸數(shù)據(jù)給小程序來(lái)讓用戶使用，以實(shí)現(xiàn)共享車(chē)位管理的功能。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀描述

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

停車(chē)位一般來(lái)說(shuō)都有對(duì)應(yīng)的出入口，而內(nèi)部車(chē)位整齊劃一，比較適合管理，對(duì)于本文方案的實(shí)施有著促進(jìn)作用。通常普通的停車(chē)位都是由門(mén)口的閘口與攝像頭組成一個(gè)簡(jiǎn)易的識(shí)別和放行的裝置，并且利用更多裝置來(lái)達(dá)到相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)。以下就是關(guān)于國(guó)內(nèi)一些停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)的調(diào)查。

蘇康友、王佳穎和羅煒?shù)h支持ZigBee的停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位管理方案， ZigBee每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)來(lái)組成系統(tǒng)，形成節(jié)點(diǎn)以便通信，在使用網(wǎng)關(guān)與電腦進(jìn)行監(jiān)控，確定車(chē)位的容量和空車(chē)位;再發(fā)送信號(hào)給車(chē)輛，引導(dǎo)車(chē)輛前往空位[2]。

徐舟和宋志強(qiáng)等人提出了一種由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、管理系統(tǒng)、車(chē)輛標(biāo)簽和車(chē)輛遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)設(shè)備組成的智慧停車(chē)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的局限性在于車(chē)輛在進(jìn)出停車(chē)場(chǎng)時(shí)需要安裝電子標(biāo)簽才能被正確識(shí)別，而且該系統(tǒng)并沒(méi)有檢測(cè)到停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的每個(gè)車(chē)位，所以系統(tǒng)只能根據(jù)出入口的車(chē)流量了解剩余車(chē)位，因此不能實(shí)現(xiàn)車(chē)主尋車(chē)的功能[3]。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外的停車(chē)系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)的基本上大同小異，但是因?yàn)閲?guó)外的停車(chē)位管理思想提出得更加早一些，所以在科技方面相較于國(guó)內(nèi)可能更先進(jìn)，尤其是在共享停車(chē)位這一方面。下面就是一些關(guān)于國(guó)外的停車(chē)系統(tǒng)的調(diào)查。

Srikanth SV等提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的停車(chē)管理智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是散布大量的傳感器和傳感節(jié)點(diǎn)，而且配備大量的計(jì)算和通信單元，以此來(lái)滿足導(dǎo)航至目的地和顯示入口信息的系統(tǒng)，同時(shí)提供給用戶客戶端。該系統(tǒng)不僅提供了管理車(chē)位的功能，還滿足了車(chē)位的預(yù)定、導(dǎo)航等功能[4]。

Geng Y等人構(gòu)思了一種新“智能城市停車(chē)”的方案。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配置一個(gè)最優(yōu)值基于接近目的地的停車(chē)位組合和停車(chē)費(fèi)的關(guān)系。他們解決方案是設(shè)計(jì)一個(gè)算法來(lái)找到兩個(gè)問(wèn)題之間的平衡點(diǎn)，并且保證沒(méi)有資源沖突，也沒(méi)有停車(chē)所需時(shí)間距離成本分配大過(guò)金錢(qián)成本，總的來(lái)說(shuō)更有效地利用停車(chē)位[5]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.1 智能車(chē)位鎖子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)智能停車(chē)鎖子系統(tǒng)的功能需求，先進(jìn)行總體的硬件部分設(shè)計(jì)，再以此對(duì)硬件所需具備的功能進(jìn)行細(xì)化，拆分成模塊化的形式，最后選購(gòu)每個(gè)模塊合適的硬件來(lái)協(xié)同達(dá)成整體的效果。以STM32F103C8T6作為智能停車(chē)鎖的微型控制器，從SIMCom公司中選擇了SIM7020C型號(hào)的NB-IoT通信模塊以實(shí)現(xiàn)通信功能，并選擇紅外傳感器HW-201作為感應(yīng)器來(lái)確定車(chē)輛狀態(tài)。

通過(guò)構(gòu)思整個(gè)智能停車(chē)鎖子系統(tǒng)的軟件部分來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以將整個(gè)軟件部分分成各個(gè)相互連接的模塊，通過(guò)對(duì)需求的分析，整個(gè)軟件部分可以由主要的四個(gè)子功能組成，即NB-IoT通信、車(chē)輛狀態(tài)檢測(cè)、停車(chē)鎖開(kāi)關(guān)控制和RTC 時(shí)鐘。最后將這些子功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試和互相連通，將其整合到智能車(chē)位鎖子系統(tǒng)中來(lái)。

3.1.1 智能車(chē)位鎖子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由停車(chē)鎖的控制核心NB-IoT通信模塊、開(kāi)關(guān)控制和車(chē)輛檢測(cè)控制器組成的智能停車(chē)鎖，主要調(diào)控每種功能和需求，以STM32作為主要控制器。車(chē)輛檢測(cè)模塊的主要功能是使用紅外傳感器HW-102來(lái)檢測(cè)停車(chē)位狀態(tài)信息，當(dāng)停車(chē)場(chǎng)停放車(chē)輛時(shí)，傳感器發(fā)出低電平，而當(dāng)停車(chē)場(chǎng)空閑時(shí)，傳感器發(fā)出高電平。繼電器開(kāi)關(guān)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)解鎖或鎖定。

NB-IoT模塊的主要功能是達(dá)成停車(chē)鎖與云服務(wù)器之間的通信，此設(shè)計(jì)使用SIMcon公司的SIM7020C通信模塊，該模塊具有獨(dú)特的性能：安全性和靈活性。智能車(chē)位鎖的基本模塊構(gòu)造如圖1所示。

3.1.2 智能車(chē)位鎖子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能停車(chē)鎖子系統(tǒng)軟件的主要功能包括停車(chē)鎖開(kāi)關(guān)控制，車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控和與云服務(wù)器的通信。通過(guò)分析系統(tǒng)需求，該軟件部分分為四個(gè)主要模塊：車(chē)位狀態(tài)檢測(cè)模塊、智能停車(chē)鎖開(kāi)關(guān)控制模塊、NB-IoT通信模塊、RTC時(shí)鐘模塊。模塊之間通信主要通過(guò)功能參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

停車(chē)鎖子系統(tǒng)軟件具體工作流程如圖2所示。打開(kāi)系統(tǒng)電源后，首先執(zhí)行狀態(tài)自我檢查，查看NB-IoT模塊是否已成功連接到網(wǎng)絡(luò)。如果自檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則將通過(guò)串行端口發(fā)送一條消息，該消息允許更高級(jí)別的計(jì)算機(jī)檢查其故障。如果系統(tǒng)自檢成功，它將等待云服務(wù)器發(fā)送的解鎖命令。此時(shí)，為減少系統(tǒng)功耗，控制器進(jìn)入睡眠模式，當(dāng)串行端口2收到命令時(shí)，STM32控制器啟動(dòng)并分析該命令是否為解鎖命令。確認(rèn)解鎖指令后，即可停放車(chē)輛。然后等待車(chē)輛退出，直到STM32進(jìn)入睡眠模式。RTC計(jì)時(shí)器中斷每3秒喚醒一次以跟蹤停車(chē)信息。當(dāng)它檢測(cè)到車(chē)輛已實(shí)際離開(kāi)時(shí)，它將向云服務(wù)器發(fā)送“車(chē)輛已離開(kāi)”消息，進(jìn)入下一個(gè)周期，并等待新的停車(chē)任務(wù)。

3.2 共享停車(chē)位云系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 共享停車(chē)位云系統(tǒng)服務(wù)器選擇

服務(wù)器的選擇應(yīng)充分考慮云服務(wù)器作為處理器和內(nèi)存的容量，并考慮其靈活性，易于訪問(wèn)和維護(hù)，即選擇合適的云服務(wù)提供商和合適的云服務(wù)器，是確保智能停車(chē)位云系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，市場(chǎng)上最大、最可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商包括華為云、百度云、阿里云等。開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)需求選擇性能不同的云服務(wù)器，并通過(guò)Web界面輕松管理它們。與其他云服務(wù)提供商相比，TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)新手的友好程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的云服務(wù)器，而且還能為小程序的開(kāi)發(fā)提供更加穩(wěn)定和豐富的支持。所以將TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為該系統(tǒng)的云服務(wù)器是非常合適的。

一般的云服務(wù)器都是用來(lái)作為通信接口以及擔(dān)任基本的數(shù)據(jù)庫(kù)功能。它沒(méi)有涵蓋許多大型和并行流量應(yīng)用方案，要求不高。因此，選擇TLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以自動(dòng)配置適當(dāng)?shù)腡link物聯(lián)網(wǎng)主網(wǎng)絡(luò)設(shè)置并提供公共網(wǎng)絡(luò)的IP地址[6]。

3.2.2 共享停車(chē)位云系統(tǒng)小程序設(shè)計(jì)

通過(guò)微信開(kāi)發(fā)者工具，此小程序設(shè)計(jì)包括車(chē)位狀態(tài)功能、當(dāng)前時(shí)間顯示功能和用戶開(kāi)關(guān)鎖功能。

1）小程序主界面介紹：通過(guò)小程序搜索 Parking Trading288進(jìn)入共享停車(chē)位云系統(tǒng)小程序的主界面。用戶需要允許小程序授權(quán)權(quán)限，點(diǎn)擊登錄即可授權(quán)，微信平臺(tái)從云小程序捕獲小程序可執(zhí)行代碼，小程序進(jìn)入主界面，主界面中顯示當(dāng)前車(chē)位鎖的狀態(tài)、當(dāng)前時(shí)間和停車(chē)位云系統(tǒng)開(kāi)關(guān)鎖的操作等。

2）小程序與智能停車(chē)位云系統(tǒng)的通信：只有通過(guò)將網(wǎng)站的功能與特定的停車(chē)數(shù)據(jù)相結(jié)合才能實(shí)時(shí)監(jiān)控。微信停車(chē)指南應(yīng)用程序通過(guò)TCP通訊連接到云服務(wù)器，以交換數(shù)據(jù)，當(dāng)前時(shí)間，實(shí)時(shí)停車(chē)實(shí)時(shí)信息頁(yè)面并實(shí)現(xiàn)車(chē)輛控制目的。從用戶打開(kāi)微信端車(chē)位引導(dǎo)小程序到用戶利用小程序完成，期間經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)通信，一次完成的TCP通訊包括：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、關(guān)閉連接[7]。具體流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 紅外感應(yīng)裝置測(cè)試

檢測(cè)車(chē)位狀態(tài)的紅外感應(yīng)器HW-201將車(chē)位鎖正常橫置，用測(cè)量物體通過(guò)車(chē)位鎖的上方，來(lái)測(cè)車(chē)輛停入時(shí)接收到的延時(shí)，同理測(cè)試車(chē)輛離開(kāi)車(chē)位鎖的延時(shí)[8]。具體操作如圖5所示：（a）為無(wú)車(chē)輛停入，（b）為有車(chē)輛停入。

4.2 小程序運(yùn)行測(cè)試

將智能車(chē)鎖正常連接至網(wǎng)絡(luò)，且將小程序打開(kāi)來(lái)完成狀態(tài)的測(cè)試，觀察在多次開(kāi)關(guān)鎖的情況下是否會(huì)影響到設(shè)備的運(yùn)作，圖6為微信小程序（ParkingTrading288）查看狀態(tài)信息和控制開(kāi)關(guān)。

5 結(jié)論

借助萬(wàn)物互聯(lián)（IoT）時(shí)代物與物、人與物之間能進(jìn)行信息交互的特性，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用，本論文設(shè)計(jì)一款基于NB-IoT的共享停車(chē)位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）有助于停車(chē)位的共享，提高了停車(chē)位的有效利用率。車(chē)主使用ParkingTrading288可以遠(yuǎn)程操縱自己的車(chē)位。當(dāng)有車(chē)主出門(mén)在外，車(chē)位空置時(shí)，可以將自己車(chē)位的狀態(tài)等信息發(fā)布到ParkingTrading288上，供他人使用[9]。

2）智能化實(shí)時(shí)管理。多數(shù)有車(chē)的家庭都在小區(qū)的停車(chē)場(chǎng)購(gòu)有私家車(chē)位。但有時(shí)卻發(fā)現(xiàn)有其他車(chē)輛隨意亂停，占用了自己的車(chē)位，這給許多車(chē)主帶來(lái)煩惱。通過(guò)停車(chē)鎖確保了停車(chē)位的安全，同時(shí)也讓停車(chē)收費(fèi)更加合理透明。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董玉榮，聶云峰.基于NB-IoT的智慧停車(chē)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，31（3）：95-99.

[2] 蘇康友，王佳穎，羅煒?shù)h.基于ZigBee的智能停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（23）：5.

[3] 徐舟，宋志強(qiáng)，張樂(lè)，等.一種車(chē)輛監(jiān)測(cè)裝置：CN210895812U[P].2020-06-30.

[4] Srikanth S V，Pramod P J，Dileep K P，et al.Design and implementation of a prototype smart PARKing （SPARK） system using wireless sensor networks[C]//2009 International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops.May26-29，2009，Bradford，UK.IEEE，2009：401-406.

[5] Geng Y F，Cassandras C G.A new “smart parking”system infrastructure and implementation[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2012，54：1278-1287.

[6] 金峰.基于微信小程序的家用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2019.

[7] 夏志杰.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系框架與關(guān)鍵技術(shù)——解讀《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：體系與技術(shù)》[J].中國(guó)機(jī)械工程，2018，29（10）：1248-1259.

[8] 張匯鋒.基于NBIoT的車(chē)位管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

[9] 凌春，孫文勝.基于改進(jìn)蟻群算法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2019，40（3）：627-631，637.

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