基于NB-IoT的智能停车管理系统的设计

谭方勇，王明宇，臧燕翔

(1.苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏 苏州 215104；2.中国电信股份有限公司 苏州分公司，江苏 苏州 215000)

随着城市汽车保有量的不断增长，停车难的问题已经影响到了城市交通的通畅性和安全性。如何让车主及时了解周边的停车位信息，从而快速地找到停车位置是一个急需解决的问题。

随着物联网技术应用的不断成熟，城市智能停车系统的研究也在不断地深入和发展，车位的信息、收费管理、车辆引导等诸多功能都在不断地完善，城市的停车难问题也开始有了转机。本研究针对当前城市停车难、交通问题严峻的情况，提出了一种基于NB-IoT技术的智慧停车管理系统的设计与实施方案。

1 智能停车系统的现状分析

当前，智能停车管理系统的应用在国内外很多领域都有研究。如基于ZigBee协议设计智能停车管理系统[1-2]，这种技术能够在本地实现停车场的智能管理，但在城市范围内的应用，还需要架设互联网网关、云服务器等设备，这基本上很难真正去实施。基于GPS定位的智能停车场管理系统能够实现城市范围内停车场的智能管理[3]，但也只能定位到停车场，而无法定位到停车位，所以对车位信息的提供并不精准；文献[4]、文献[5]分别通过软件的方式对智能停车场进行设计，并通过表现层、业务逻辑层、数据持久层这三层架构以实现系统的高内聚、低耦合。但因没有结合具体硬件设备来设计，也无法预测其对整个城市范围停车位管理的效果。文献[6]提出了基于NB-IoT技术的智能停车系统设计方案，利用NB-IoT广覆盖、大连接、低功耗和低成本的特点，对停车位进行实时信息采集，并利用地磁传感器判断车位是否被占用，然后将信息发送到业务管理平台，以实现车位查询、预定以及计时计费等功能，而且还可以实现了车主、停车场、交管部门之间的高效联动，有效地实现车位共享，从一定程度上缓解城市停车难的问题。但该文献只给出了一个方案的架构，并没有给出具体的实施方案。

本研究采用NB-IoT技术进行智能停车系统的硬件方案设计，同时，结合SpringBoot软件框架实现智能停车管理系统的设计，从而实现城市范围的停车位信息共享、车位预定以及计时计费等功能。

2 智能停车系统体系架构设计

基于NB-IoT的智能停车系统可以对所有的停车场车位进行管理，即对车位信息、开锁等进行高效有序的管理时，也对数据的实时性要求很高。

该系统主要由感知设备层、中间件、业务逻辑、前端应用构成，架构体系如图1所示。

图1 基于NB-IOT智能停车系统架构体系

2.1 感知设备层设计

感知设备层主要指在停车场内每个车位上的设备，主要由设备控制和数据采集组成。通过地磁或超声波感知设备，检测车位上是否存在车辆，通过升降地锁对车位停车时间进行计费。采集到的数据以及下发的数据都是通过NB-IoT模组的AT指令进行通信。

1)感知设备层中对数据的采集也就是对该车位是否空闲进行检测，检测方式主要有地磁检测和超声波检测两种。由于地磁在线圈老化后对设备的维护极为困难且造价高。如果每一个车位都安装将大幅提高成本。因此，本系统选用了HC-SR04的超声波传感器，该传感器简单易实现，共有4个引脚，分别为+5 V的VCC、接地GND、触发控制信号TRIG、回响信号ECHO。其有效距离为0.4～400 cm，满足我们对于车位精准检测的需求，超声波模块检测驱动程序的流程如图2所示。

2)地锁设备主要对车位是否能够停车进行控制，在上位应用发来信号指令时，执行升起或降下地锁的命令，判断停车是否开始计费，防止乱停现象发生，以保证计费以及车位状态的实时性。升降地锁驱动程序软件流程如图3所示。

3)NB-IoT模组采用移远BC95-B5的模组，适用于三网运营商的NB-IoT模组，可以通配所有的IoT平台。该模组用于设备进行收发数据，通过主控发出AT指令进行数据的发送、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内核的超低功耗微控制器，因其具有性能高、功耗低的特点可以长期稳定的工作，能实现协调采集执行传感器的控制中心与NB-IoT模块之间的数据收发。MCU主程序执行流程如图4所示。

图2 超声波检测驱动程序软件流程

图3 升降地锁驱动程序软件流程

图4 MCU主程序执行流程

2.2 中间件设计

中间件主要是指信号基站和IoT联接管理平台，该层主要是将设备层采集的数据或业务层下发的控制命令进行转发，起到对单个设备的批量管理，该层保证了数据传输的安全性、设备的可扩展性和快速开发，统一了开发接口，便于后期的增项功能拓展与开发。设备层通过NB-IoT模组传输的数据按照profile中间件要求的格式，通过基站上报到IoT联接管理平台，再通过COAP/UDP协议转发到远端的服务器。IoT联接管理平台上来自设备的数据以及命令的Json格式如图5所示。

图5 IoT平台Profile编解码插件Json格式

2.3 业务逻辑层设计

业务逻辑层主要包含了对各个停车场的设备管理，即具体到停车位的管理，主要处理设备、数据、控制、支付等操作业务逻辑。该层处理来自设备层的数据，展示给前端的用户，处理来自上方前端用户的控制命令，同时集成了第三方支付，可以真正实现停车场的智能化管理，摒弃了传统的人工管理。

2.4 前端应用设计

前端主要是与用户的友好交互，该层主要将设备层的数据以一个较为友好的方式展示到用户所使用的设备上，比如：附近的车位信息；对设备层的控制下发；对车位的开锁操作；用户的注册认证、支付等操作，这些交互都是在该层完成。

3 智能停车系统功能设计

基于NB-IoT的智能停车管理系统主要实现的功能：

1)用户注册车辆绑定。该系统对用户进行实名制管理，并对车辆进行绑定制。用户的停车管理控制更加便捷，可快速高效查看个人的历史停车信息等。

2)停车场车位实时管理。该系统利用检测技术对装有停车终端的车位进行实时检测，并将实时检测的结果通过NB-IoT模组经中间层发送到远端服务器，通过业务逻辑将数据存储在云端，然后以小程序、网页等形式展示给用户。

3)车位导航。停车时，通过微信小程序的地图，用户可以查看最近距离有停车位的停车场，同时在详情页也会展示停车的费用；用户选择好停车场后可以进行预约，程序会进行实时导航到该停车场边，进入停车场后，将会展示场内预约车位结合GIS地图引导停车。

4)停车终端设备的管理。停车设备会有专门人员进行维护，维护人员可以对多个停车场设备进行管理，管理的小程序可以收到有关车位设备的电量、故障情况等告警信息，便于维护人员前往维护。

5)停车费支付。该智能停车场实行无人收费模式，支付方式都为线上支付，可以进行微信支付或者支付宝支付，摒弃了传统的人工收费方式。

除了以上功能外，还有对车主人联系方式的查询，游玩目的地停车场的预约、查看等功能。

基于NB-IoT的智能停车管理系统业务流程如图6所示。

图6 智能停车管理系统业务流程图

4 结论

本研究主要围绕NB-IoT技术实现一系列上传下达的功能，将NB-IoT作为与停车场车位进行交互的主要技术。与传统智能停车管理系统相比，本系统具备以下优势：

1）运维便捷。该系统的管理设备部署便捷，使用NB-IoT无需有线支持，升降地锁等都由内置电瓶供电，不同于传统的车管平台还需要进行大的改造部署。全无线安装且在有电量或者发生其他故障时，可及时告知设备的维护人员，精准定位问题设备，节约人工成本。

2）信号稳定、高实时性。停车场一般多为地下室等广域网信号较差的地方，使用NB-IoT可以发挥其强覆盖、大连接的特点，提供稳定的实时监测的功能，有效地保障设备在工作中的稳定性和实用性。使用NB-IoT具有更好的覆盖能力、穿透能力，传输延时更短，保证车位状态实时更新。

3）使用、管理方便。本系统由微信小程序实现，管理维修人员可以在网页端进行管理操作，功能性强、简洁性好，管理人员更易于管理，用户使用更简单。相比安装APP，人们更容易接受。

目前，NB-IoT技术已经正式进行商用，并有了许多落地应用，本研究将NB-IoT技术与城市化相结合，整合城市内的停车场资源，采用超声波、升降地锁技术对城市内的停车位统一管理与发布，既实现了资源最大化，又缓解城市的交通压力，从而降低城市内的尾气排放，为智慧城市的建设提供一种可行有效的措施。