基于NB-IoT的智能停車管理系統的設計

譚方勇，王明宇，臧燕翔

(1.蘇州市職業大學 計算機工程學院，江蘇 蘇州 215104；2.中國電信股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著城市汽車保有量的不斷增長，停車難的問題已經影響到了城市交通的通暢性和安全性。如何讓車主及時了解周邊的停車位信息，從而快速地找到停車位置是一個急需解決的問題。

隨著物聯網技術應用的不斷成熟，城市智能停車系統的研究也在不斷地深入和發展，車位的信息、收費管理、車輛引導等諸多功能都在不斷地完善，城市的停車難問題也開始有了轉機。本研究針對當前城市停車難、交通問題嚴峻的情況，提出了一種基于NB-IoT技術的智慧停車管理系統的設計與實施方案。

1 智能停車系統的現狀分析

當前，智能停車管理系統的應用在國內外很多領域都有研究。如基于ZigBee協議設計智能停車管理系統[1-2]，這種技術能夠在本地實現停車場的智能管理，但在城市范圍內的應用，還需要架設互聯網網關、云服務器等設備，這基本上很難真正去實施?；贕PS定位的智能停車場管理系統能夠實現城市范圍內停車場的智能管理[3]，但也只能定位到停車場，而無法定位到停車位，所以對車位信息的提供并不精準；文獻[4]、文獻[5]分別通過軟件的方式對智能停車場進行設計，并通過表現層、業務邏輯層、數據持久層這三層架構以實現系統的高內聚、低耦合。但因沒有結合具體硬件設備來設計，也無法預測其對整個城市范圍停車位管理的效果。文獻[6]提出了基于NB-IoT技術的智能停車系統設計方案，利用NB-IoT廣覆蓋、大連接、低功耗和低成本的特點，對停車位進行實時信息采集，并利用地磁傳感器判斷車位是否被占用，然后將信息發送到業務管理平臺，以實現車位查詢、預定以及計時計費等功能，而且還可以實現了車主、停車場、交管部門之間的高效聯動，有效地實現車位共享，從一定程度上緩解城市停車難的問題。但該文獻只給出了一個方案的架構，并沒有給出具體的實施方案。

本研究采用NB-IoT技術進行智能停車系統的硬件方案設計，同時，結合SpringBoot軟件框架實現智能停車管理系統的設計，從而實現城市范圍的停車位信息共享、車位預定以及計時計費等功能。

2 智能停車系統體系架構設計

基于NB-IoT的智能停車系統可以對所有的停車場車位進行管理，即對車位信息、開鎖等進行高效有序的管理時，也對數據的實時性要求很高。

該系統主要由感知設備層、中間件、業務邏輯、前端應用構成，架構體系如圖1所示。

圖1 基于NB-IOT智能停車系統架構體系

2.1 感知設備層設計

感知設備層主要指在停車場內每個車位上的設備，主要由設備控制和數據采集組成。通過地磁或超聲波感知設備，檢測車位上是否存在車輛，通過升降地鎖對車位停車時間進行計費。采集到的數據以及下發的數據都是通過NB-IoT模組的AT指令進行通信。

1)感知設備層中對數據的采集也就是對該車位是否空閑進行檢測，檢測方式主要有地磁檢測和超聲波檢測兩種。由于地磁在線圈老化后對設備的維護極為困難且造價高。如果每一個車位都安裝將大幅提高成本。因此，本系統選用了HC-SR04的超聲波傳感器，該傳感器簡單易實現，共有4個引腳，分別為+5 V的VCC、接地GND、觸發控制信號TRIG、回響信號ECHO。其有效距離為0.4～400 cm，滿足我們對于車位精準檢測的需求，超聲波模塊檢測驅動程序的流程如圖2所示。

2)地鎖設備主要對車位是否能夠停車進行控制，在上位應用發來信號指令時，執行升起或降下地鎖的命令，判斷停車是否開始計費，防止亂?，F象發生，以保證計費以及車位狀態的實時性。升降地鎖驅動程序軟件流程如圖3所示。

3)NB-IoT模組采用移遠BC95-B5的模組，適用于三網運營商的NB-IoT模組，可以通配所有的IoT平臺。該模組用于設備進行收發數據，通過主控發出AT指令進行數據的發送、接收以及配置。

4)MCU主控采用的STM32L476，是配置高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內核的超低功耗微控制器，因其具有性能高、功耗低的特點可以長期穩定的工作，能實現協調采集執行傳感器的控制中心與NB-IoT模塊之間的數據收發。MCU主程序執行流程如圖4所示。

圖2 超聲波檢測驅動程序軟件流程

圖3 升降地鎖驅動程序軟件流程

圖4 MCU主程序執行流程

2.2 中間件設計

中間件主要是指信號基站和IoT聯接管理平臺，該層主要是將設備層采集的數據或業務層下發的控制命令進行轉發，起到對單個設備的批量管理，該層保證了數據傳輸的安全性、設備的可擴展性和快速開發，統一了開發接口，便于后期的增項功能拓展與開發。設備層通過NB-IoT模組傳輸的數據按照profile中間件要求的格式，通過基站上報到IoT聯接管理平臺，再通過COAP/UDP協議轉發到遠端的服務器。IoT聯接管理平臺上來自設備的數據以及命令的Json格式如圖5所示。

圖5 IoT平臺Profile編解碼插件Json格式

2.3 業務邏輯層設計

業務邏輯層主要包含了對各個停車場的設備管理，即具體到停車位的管理，主要處理設備、數據、控制、支付等操作業務邏輯。該層處理來自設備層的數據，展示給前端的用戶，處理來自上方前端用戶的控制命令，同時集成了第三方支付，可以真正實現停車場的智能化管理，摒棄了傳統的人工管理。

2.4 前端應用設計

前端主要是與用戶的友好交互，該層主要將設備層的數據以一個較為友好的方式展示到用戶所使用的設備上，比如：附近的車位信息；對設備層的控制下發；對車位的開鎖操作；用戶的注冊認證、支付等操作，這些交互都是在該層完成。

3 智能停車系統功能設計

基于NB-IoT的智能停車管理系統主要實現的功能：

1)用戶注冊車輛綁定。該系統對用戶進行實名制管理，并對車輛進行綁定制。用戶的停車管理控制更加便捷，可快速高效查看個人的歷史停車信息等。

2)停車場車位實時管理。該系統利用檢測技術對裝有停車終端的車位進行實時檢測，并將實時檢測的結果通過NB-IoT模組經中間層發送到遠端服務器，通過業務邏輯將數據存儲在云端，然后以小程序、網頁等形式展示給用戶。

3)車位導航。停車時，通過微信小程序的地圖，用戶可以查看最近距離有停車位的停車場，同時在詳情頁也會展示停車的費用；用戶選擇好停車場后可以進行預約，程序會進行實時導航到該停車場邊，進入停車場后，將會展示場內預約車位結合GIS地圖引導停車。

4)停車終端設備的管理。停車設備會有專門人員進行維護，維護人員可以對多個停車場設備進行管理，管理的小程序可以收到有關車位設備的電量、故障情況等告警信息，便于維護人員前往維護。

5)停車費支付。該智能停車場實行無人收費模式，支付方式都為線上支付，可以進行微信支付或者支付寶支付，摒棄了傳統的人工收費方式。

除了以上功能外，還有對車主人聯系方式的查詢，游玩目的地停車場的預約、查看等功能。

基于NB-IoT的智能停車管理系統業務流程如圖6所示。

圖6 智能停車管理系統業務流程圖

4 結論

本研究主要圍繞NB-IoT技術實現一系列上傳下達的功能，將NB-IoT作為與停車場車位進行交互的主要技術。與傳統智能停車管理系統相比，本系統具備以下優勢：

1）運維便捷。該系統的管理設備部署便捷，使用NB-IoT無需有線支持，升降地鎖等都由內置電瓶供電，不同于傳統的車管平臺還需要進行大的改造部署。全無線安裝且在有電量或者發生其他故障時，可及時告知設備的維護人員，精準定位問題設備，節約人工成本。

2）信號穩定、高實時性。停車場一般多為地下室等廣域網信號較差的地方，使用NB-IoT可以發揮其強覆蓋、大連接的特點，提供穩定的實時監測的功能，有效地保障設備在工作中的穩定性和實用性。使用NB-IoT具有更好的覆蓋能力、穿透能力，傳輸延時更短，保證車位狀態實時更新。

3）使用、管理方便。本系統由微信小程序實現，管理維修人員可以在網頁端進行管理操作，功能性強、簡潔性好，管理人員更易于管理，用戶使用更簡單。相比安裝APP，人們更容易接受。

目前，NB-IoT技術已經正式進行商用，并有了許多落地應用，本研究將NB-IoT技術與城市化相結合，整合城市內的停車場資源，采用超聲波、升降地鎖技術對城市內的停車位統一管理與發布，既實現了資源最大化，又緩解城市的交通壓力，從而降低城市內的尾氣排放，為智慧城市的建設提供一種可行有效的措施。