惠鵬飛，鄒立穎，李琪林

（齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

隨著我國汽車保有量的迅速增加，城市停車難問題越發(fā)突出，很多傳統(tǒng)停車場無法滿足目前的城市交通需求，例如有些停車場需要車主在進出時停車刷卡，這種方式在高峰時期會造成擁堵，也容易出現(xiàn)刮碰事故。有些人工收費的停車場在收費時會產生排隊現(xiàn)象，工作效率較低，還有些停車場車位管理全靠人工，場內空位信息無法及時更新，車主需要花費時間尋找車位等[1-2]。

針對上述問題，結合窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）的諸多優(yōu)點，本文設計了基于NB-IOT技術的地下停車場管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋NB-IOT、STM32、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、C#程序設計等多項技術，采用智能化的管理方式，合理地布局地下停車場內設施，提高了停車系統(tǒng)運行效率。實現(xiàn)了車輛引導功能，準確快捷的引導車輛到達停車位，車主不停車進出停車場且自動計費。開發(fā)了系統(tǒng)的硬件和上位機，并進行功能測試。該系統(tǒng)應用于停車場的新建或改造升級，對于提高停車場的智能化、信息化管理水平具有重要意義。

1 智能地下停車場整體方案設計

智能地下停車場管理系統(tǒng)由智能終端管理系統(tǒng)、出入口控制管理系統(tǒng)、車位狀態(tài)檢測系統(tǒng)、車位引導系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)非常關鍵，如圖1所示，各個管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理。

出入口控制管理系統(tǒng)包括出入口讀卡天線、車輛檢測裝置、出入口自動閘機、狀態(tài)顯示屏以及收發(fā)卡系統(tǒng)[3]，車位狀態(tài)檢測系統(tǒng)包括車位檢測模塊，車位引導系統(tǒng)包括引導指示燈，智能終端管理系統(tǒng)包括用戶管理、計費收費和注冊充值等[4]。智能終端管理系統(tǒng)是智能地下停車場系統(tǒng)的核心控制部分，與出入口管理系統(tǒng)相結合來管理車輛的進出，收集車輛進出信息上傳到數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)智能繳費功能，車輛可不停車快速進出停車場。同時，結合車位檢測系統(tǒng)了解車位實時信息，控制車輛引導系統(tǒng)啟動引導指示設備，引導車輛進入停車場。系統(tǒng)的硬件裝置包括停車場管理控制終端、出入口一體化設備、崗亭終端、車位引導終端、車輛識別終端、車位狀態(tài)檢測終端等[5]。

停車場有兩種用戶群體，經(jīng)常停車的用戶（固定用戶群體）和偶爾來停車的用戶（臨時用戶），對于固定用戶采取注冊的制度，記錄其車輛信息并簡化繳費流程。對于臨時用戶，因其停車的頻率不高且流動性很大，停車場一般采用發(fā)臨時卡方式。根據(jù)停車場用戶群體的差異，車輛入場的工作流程有所不同。車輛入場流程如圖2所示。

圖2 車輛入場工作流程圖

2 停車管理系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)核心板微處理器的選取及外圍電路設計

在不同的應用場合和不同的系統(tǒng)對主控模塊的選型要求各不相同，本裝置為地下停車管理系統(tǒng)，為了系統(tǒng)的整體運行以及升級維護等需求，要求主控模塊獨立為一個最小系統(tǒng)，可控制其他模塊完成具體的功能，加上性價比等原因，選用的主控芯片為STM32F103C8T6型號單片機，其結構、功能以及豐富的資源完全符合本系統(tǒng)要求。STM32分STM32F101基本型和STM32F103增強型兩種[6-7]，本系統(tǒng)使用STM32F103增強型。時鐘電路由8 MHz晶振、2個20 pF電容串聯(lián)構成，復位電路包括1 kΩ電阻、104電容和按鍵構成，1 kΩ電阻一端接3.3 V電源，另一端接按鍵。電源電路選用AMS1117穩(wěn)壓器，AMS1117的3腳接5 V電源，1腳接地，2腳為輸出3.3 V。STM32的各引腳連接如圖3所示。

圖3 微處理器STM32引腳連接圖

2.2 車輛識別模塊電路設計

車輛識別模塊電路包括車輛電子標簽和讀卡器，射頻識別電子標簽安裝在車輛中，含有車輛的信息，讀卡器需要對標簽進行讀取來識別車輛的信息，本裝置選用的識別標簽為S50非接觸式IC卡，與普通的IC卡的大小相同，但具有更復雜一些的結構。電路芯片使用的是內部集成了1 kB的存儲器的UCODE-HSL，可以存儲用戶的車輛相關信息，將此標簽放在車內可以滿足停車場系統(tǒng)實現(xiàn)車輛識別需求[8]。

當車內IC卡電子標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)被讀寫器接收后，讀寫器會對接收的數(shù)據(jù)信號進行一系列的處理，為了避免軟件解碼占用處理器資源，影響地下停車場管理系統(tǒng)的功能，本系統(tǒng)采用信號相乘，將信號轉換成單極性信號，之后采用電壓比較器對信號轉換處理。

2.3 車位檢測與引導電路設計

2.3.1 紅外傳感器和NB-IOT模塊

車位檢測裝置由紅外傳感車輛檢測器HC-SR501和NB-IOT通信模塊組成，停車場的每個停車位都裝有紅外傳感器，當有車輛進入停車位后，紅外傳感器采集車輛信息，通過NB-IOT模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務器，配合其它電路完成停車場相關功能。每個停車位均設置車位檢測電路，檢測電路由2個1 kΩ電阻和LED數(shù)碼管串聯(lián)電路并聯(lián)組成，1 kΩ電阻一端接VCC電源，另一端接LED數(shù)碼管的陽極，LED數(shù)碼管的陰極接地。HC-SR501電路主要包括VCC、GND和DO口，VCC供5 V電源，當檢測到有車輛靠近時，DO口輸出為高電平，否則輸出低電平。

NB-IOT模塊選擇BC95，BC95模塊可與眾多終端設備進行連接，并具有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm的超小尺寸，非常方便嵌入到客戶產品應用中，具有高可靠性，可以滿足地下停車管理系統(tǒng)的需求。BC95的1腳接3.3 V直流電源，2腳和3腳分別接STM32F103C8T6的N TXD端（30腳）和N RXD端（31腳）。

2.3.2 車位引導算法

車輛引導是地下停車管理系統(tǒng)必不可少的一部分，車輛引導最重要的就是找到車輛到車位的最短距離，然后通過地面LED燈光將車輛引導到停車位。車輛路徑引導算法有SPFA算法、A*算法、Johnson算法、Floyd-Warshall算法及Dijkstra算法等[9-10]。

因為地下停車場的車位是固定的，出入口也都是固定的，因此，本系統(tǒng)使用經(jīng)典Dijkstra最短路徑算法，這種算法簡單方便且易于實現(xiàn)，它是以一個點為起點，然后將起點作為圓心向外層層擴展，求出車輛到不同車位的最短路徑，根據(jù)最優(yōu)路徑引導車輛，縮短停車時間。Dijkstra算法步驟如圖4所示。

圖4 Dijkstra算法步驟圖

本系統(tǒng)采用地面指示燈引導車輛進出停車場，當車輛進入停車場后，紅外傳感器檢測車位信息，將車位信息實時上傳到服務器，然后中央處理器將車位情況顯示到顯示屏上，同時通過最短路徑算法算出車輛到各個停車位的距離，求出最短距離后，通過主控器控制相應的地面指示燈，點亮指示燈引導車輛快速到達空閑停車位，當車輛停放后，車位檢測裝置上傳實時車位信息，控制器控制顯示裝置更新車位信息，同時準備為下一輛車提供引導功能。車位引導電路由若干個LED數(shù)碼管和電阻串聯(lián)電路構成，電阻為1 kΩ，電阻的一端連接LED數(shù)碼管的陰極，另一端接地。

2.4 信息發(fā)送模塊電路

本系統(tǒng)具備發(fā)送信息功能，可以在用戶停車后給發(fā)送車位信息，以便用戶尋車方便，還可以在用戶離開后，給用戶發(fā)送停車時間、計費信息、余額等信息，給用戶提供便捷的服務。發(fā)送短信功能模塊使用NB-IOT模塊上集成的SIM7000C電路。SIM7000C屬于多頻及雙頻無線模塊，支持LTE-FDD/LTETDD/GP、RS/GSM等多個頻段，采用SMT方式封裝，其外觀小、功耗低、性價比高、性能穩(wěn)定，這些特性可以滿足地下停車管理系統(tǒng)的需求，同時SIM7000C可以提供的硬件接口和軟件接口很多，如USB、PCM、UART、TCP、HTTP等，為系統(tǒng)設計帶來方便。停車場整體模型如圖5所示。

圖5 停車場模型圖

3 系統(tǒng)的軟件程序設計

3.1 上位機管理軟件開發(fā)

使用的開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2017，上位機端管理軟件部分可以存儲地下停車場用戶的車輛信息情況，還可以幫助管理人員進行停車場系統(tǒng)管理，它可以將進入停車場的車輛的相關數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)庫中已存儲的數(shù)據(jù)進行比對，完成一系列的車輛管理工作，還可以存儲車輛的相關信息，如車輛的顏色、車主的信息、車輛的進出情況、車輛的繳費情況等。

當上位機管理軟件啟動后首先會連接數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)庫建立連接后，上位機會進入待操作狀態(tài)，當串口有下位機傳輸數(shù)據(jù)進來時，上位機會讀取車輛數(shù)據(jù)信息，然后處理后存儲在數(shù)據(jù)庫中，當進行人工操作如車主查詢車輛信息或者查詢繳費情況時，上位機會從數(shù)據(jù)庫中提取相關車輛信息并進行相關的操作，如果有新用戶需要注冊等操作，需要向數(shù)據(jù)庫中添加信息，上位機可以添加新用戶的信息，并進行保存更新用戶車輛信息。

3.2 NB-IOT程序設計

此處包括擾碼程序設計和組網(wǎng)程序設計，BC95模塊從B656版本開始增加了擾碼（Scrambling）控制功能，此功能可通過AT命令進行控制。模塊出廠默認開啟此功能，此時基站（Base Transceiver Station）也需要開啟擾碼功能，否則模塊搜不到信號，無法連接基站。若關閉擾碼功能，此時基站也需要關閉擾碼功能，模塊才可連接基站。通過AT命令關閉和開啟模塊擾碼。

在組網(wǎng)程序設計中，模塊找網(wǎng)前需確認模塊型號與頻段是否對應，所有模塊出廠頻段默認為900 MHz，可通過AT+NBAND=n來設置，AT+NRB 重啟后生效。手動找網(wǎng)流程為

AT+CFUN? //若值為0，此時可以設置CDP服務器。

AT+NCDP=10.41.129.115,8653 //設置地址和端口，設置后會保存（如不需要配置，可跳過此操作）。

AT+CFUN=1；

AT+CIMI //執(zhí)行CFUN=1，等待4 s后查詢IMSI，如果能查到表示卡已識別。若查不到，請檢查卡是否插好并確認是否是USIM卡。

除擾碼程序和組網(wǎng)程序設計之外，還要編寫車位引導和短信發(fā)送的相應程序，編程語言為C#.NET。

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 主控模塊測試

本系統(tǒng)具備不停車進出停車場、車輛引導、自動計費、短信發(fā)送功能，入口由顯示器、讀卡裝置和閘道組成，當車輛進入停車場時，讀卡器會識別車輛信息，然后主控器控制閘道開啟，車輛通過，進入停車場后會有指示燈引導車輛到相應車位。系統(tǒng)使用兩塊STM32主控模塊，一個控制車位檢測和路徑引導，另一個控制顯示屏、讀卡裝置和舵機等部分，主控模塊測試功能正常。

4.2 停車場進出口功能測試

停車場入口使用12864液晶模塊和射頻讀卡裝置以及舵機和閘道組成，當系統(tǒng)開啟后，顯示屏會顯示停車場的車位情況。當車輛到達入口時，讀卡裝置可以識別車輛是否為本停車場車輛，識別成功后會打開舵機對其放行，如圖6所示。當車輛進入停車場后，車位檢測裝置會檢測車位實時信息，然后主控器會控制引導指示燈閃爍，引導車輛停到閃爍的停車位，當車輛離開時，指示燈會長亮，引導車輛離開停車場。調試如圖7所示。

圖6 進出口顯示調試圖

圖7 車位引導調試

4.3 上位機調試

地下停車場的各個環(huán)節(jié)都需要上位機來控制以實現(xiàn)相應功能，管理員可以通過上位機智能的對停車場進行管理，車主可以在上位機上查看自己的停車記錄和出入記錄，外來車輛可以在上位機上進行注冊，然后進行充值，充值后可以查看充值記錄和收費記錄，上位機界面如圖8所示。

圖8 上位機查看收費記錄界面

5 結論

本文所設計的基于NB-IOT技術的地下停車管理系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)停車場的諸多缺陷，STM32F103處理器負責系統(tǒng)的整體控制與處理，BC95NB-IOT模塊負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，利用RFID實現(xiàn)車輛不停車進出停車場，減少了車主進入停車場的等待時間。采用紅外傳感器檢測車位，并根據(jù)車位引導算法引導車輛到達最佳停車位，然后通過燈光引導車輛進出停車場，有效地減少用戶尋找車位的時間。系統(tǒng)可以給車主用戶發(fā)送短信，提示車位信息。管理員可以通過上位機對停車場進行智能高效的管理。該系統(tǒng)對于城市停車場的新建以及升級改造，具有重要的參考應用價值。