基于NB-IoT的共享停車位云系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張衡 王莉 王志祥 謝慧雯

摘要：借助萬物互聯(lián)（IoT）時代物與物、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)計了一款基于NB-IoT的共享停車位控制系統(tǒng)。它能整合所獲得的停車位數(shù)據(jù)信息，依據(jù)車位的使用情況實時智能提供該停車位的使用情況給用戶，使相關(guān)信息傳達(dá)給有需求的車主。并且用戶能通過微信小程序客戶端（ParkingTrading288）直接控制停車鎖的開啟和關(guān)閉，十分方便。本設(shè)計的實現(xiàn)有助于停車位的共享，提高了停車位的有效利用率，讓車主能隨時了解到車位信息，出行再也不用為停車而煩惱。通過停車鎖確保了停車位的安全，同時也更方便地掌握車位信息。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)stm32;NB-IoT;服務(wù)器云系統(tǒng);ParkingTrading288

中圖分類號：TP311 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0067-03

1 引言

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

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

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀描述

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

停車位一般來說都有對應(yīng)的出入口，而內(nèi)部車位整齊劃一，比較適合管理，對于本文方案的實施有著促進(jìn)作用。通常普通的停車位都是由門口的閘口與攝像頭組成一個簡易的識別和放行的裝置，并且利用更多裝置來達(dá)到相關(guān)功能的實現(xiàn)。以下就是關(guān)于國內(nèi)一些停車場管理系統(tǒng)的調(diào)查。

蘇康友、王佳穎和羅煒鋒支持ZigBee的停車場的車位管理方案， ZigBee每個節(jié)點構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)來組成系統(tǒng)，形成節(jié)點以便通信，在使用網(wǎng)關(guān)與電腦進(jìn)行監(jiān)控，確定車位的容量和空車位;再發(fā)送信號給車輛，引導(dǎo)車輛前往空位[2]。

徐舟和宋志強(qiáng)等人提出了一種由物聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)據(jù)庫、管理系統(tǒng)、車輛標(biāo)簽和車輛遠(yuǎn)距離讀寫設(shè)備組成的智慧停車系統(tǒng)。該系統(tǒng)的局限性在于車輛在進(jìn)出停車場時需要安裝電子標(biāo)簽才能被正確識別，而且該系統(tǒng)并沒有檢測到停車場內(nèi)的每個車位，所以系統(tǒng)只能根據(jù)出入口的車流量了解剩余車位，因此不能實現(xiàn)車主尋車的功能[3]。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

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

Srikanth SV等提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的停車管理智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是散布大量的傳感器和傳感節(jié)點，而且配備大量的計算和通信單元，以此來滿足導(dǎo)航至目的地和顯示入口信息的系統(tǒng)，同時提供給用戶客戶端。該系統(tǒng)不僅提供了管理車位的功能，還滿足了車位的預(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”的方案。系統(tǒng)會自動配置一個最優(yōu)值基于接近目的地的停車位組合和停車費(fèi)的關(guān)系。他們解決方案是設(shè)計一個算法來找到兩個問題之間的平衡點，并且保證沒有資源沖突，也沒有停車所需時間距離成本分配大過金錢成本，總的來說更有效地利用停車位[5]。

3 系統(tǒng)設(shè)計說明

3.1 智能車位鎖子系統(tǒng)設(shè)計

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

通過構(gòu)思整個智能停車鎖子系統(tǒng)的軟件部分來進(jìn)行設(shè)計，也可以將整個軟件部分分成各個相互連接的模塊，通過對需求的分析，整個軟件部分可以由主要的四個子功能組成，即NB-IoT通信、車輛狀態(tài)檢測、停車鎖開關(guān)控制和RTC 時鐘。最后將這些子功能進(jìn)行開發(fā)調(diào)試和互相連通，將其整合到智能車位鎖子系統(tǒng)中來。

3.1.1 智能車位鎖子系統(tǒng)硬件設(shè)計

由停車鎖的控制核心NB-IoT通信模塊、開關(guān)控制和車輛檢測控制器組成的智能停車鎖，主要調(diào)控每種功能和需求，以STM32作為主要控制器。車輛檢測模塊的主要功能是使用紅外傳感器HW-102來檢測停車位狀態(tài)信息，當(dāng)停車場停放車輛時，傳感器發(fā)出低電平，而當(dāng)停車場空閑時，傳感器發(fā)出高電平。繼電器開關(guān)模塊的主要功能是實現(xiàn)解鎖或鎖定。

NB-IoT模塊的主要功能是達(dá)成停車鎖與云服務(wù)器之間的通信，此設(shè)計使用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。智能車位鎖的基本模塊構(gòu)造如圖1所示。

3.1.2 智能車位鎖子系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能停車鎖子系統(tǒng)軟件的主要功能包括停車鎖開關(guān)控制，車輛狀態(tài)監(jiān)控和與云服務(wù)器的通信。通過分析系統(tǒng)需求，該軟件部分分為四個主要模塊：車位狀態(tài)檢測模塊、智能停車鎖開關(guān)控制模塊、NB-IoT通信模塊、RTC時鐘模塊。模塊之間通信主要通過功能參數(shù)來實現(xiàn)。

停車鎖子系統(tǒng)軟件具體工作流程如圖2所示。打開系統(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)問題，則將通過串行端口發(fā)送一條消息，該消息允許更高級別的計算機(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，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，STM32控制器啟動并分析該命令是否為解鎖命令。確認(rèn)解鎖指令后，即可停放車輛。然后等待車輛退出，直到STM32進(jìn)入睡眠模式。RTC計時器中斷每3秒喚醒一次以跟蹤停車信息。當(dāng)它檢測到車輛已實際離開時，它將向云服務(wù)器發(fā)送“車輛已離開”消息，進(jìn)入下一個周期，并等待新的停車任務(wù)。

3.2 共享停車位云系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 共享停車位云系統(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，是確保智能停車位云系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

當(dāng)前，市場上最大、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)平臺對新手的友好程度遠(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)器都是用來作為通信接口以及擔(dān)任基本的數(shù)據(jù)庫功能。它沒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)平臺以自動配置適當(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 共享停車位云系統(tǒng)小程序設(shè)計

通過微信開發(fā)者工具，此小程序設(shè)計包括車位狀態(tài)功能、當(dāng)前時間顯示功能和用戶開關(guān)鎖功能。

1）小程序主界面介紹：通過小程序搜索 Parking Trading288進(jìn)入共享停車位云系統(tǒng)小程序的主界面。用戶需要允許小程序授權(quán)權(quán)限，點擊登錄即可授權(quán)，微信平臺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)前車位鎖的狀態(tài)、當(dāng)前時間和停車位云系統(tǒng)開關(guān)鎖的操作等。

2）小程序與智能停車位云系統(tǒng)的通信：只有通過將網(wǎng)站的功能與特定的停車數(shù)據(jù)相結(jié)合才能實時監(jiān)控。微信停車指南應(yīng)用程序通過TCP通訊連接到云服務(wù)器，以交換數(shù)據(jù)，當(dāng)前時間，實時停車實時信息頁面并實現(xiàn)車輛控制目的。從用戶打開微信端車位引導(dǎo)小程序到用戶利用小程序完成，期間經(jīng)過多次數(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)測試

4.1 紅外感應(yīng)裝置測試

檢測車位狀態(tài)的紅外感應(yīng)器HW-201將車位鎖正常橫置，用測量物體通過車位鎖的上方，來測車輛停入時接收到的延時，同理測試車輛離開車位鎖的延時[8]。具體操作如圖5所示：（a）為無車輛停入，（b）為有車輛停入。

4.2 小程序運(yùn)行測試

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

5 結(jié)論

借助萬物互聯(lián)（IoT）時代物與物、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)計一款基于NB-IoT的共享停車位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)有以下創(chuàng)新點：

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

2）智能化實時管理。多數(shù)有車的家庭都在小區(qū)的停車場購有私家車位。但有時卻發(fā)現(xiàn)有其他車輛隨意亂停，占用了自己的車位，這給許多車主帶來煩惱。通過停車鎖確保了停車位的安全，同時也讓停車收費(fèi)更加合理透明。

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【通聯(lián)編輯：梁書】