基于NB-IOT技术的地下停车管理系统设计

惠鹏飞，邹立颖，李琪林

（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

随着我国汽车保有量的迅速增加，城市停车难问题越发突出，很多传统停车场无法满足目前的城市交通需求，例如有些停车场需要车主在进出时停车刷卡，这种方式在高峰时期会造成拥堵，也容易出现刮碰事故。有些人工收费的停车场在收费时会产生排队现象，工作效率较低，还有些停车场车位管理全靠人工，场内空位信息无法及时更新，车主需要花费时间寻找车位等[1-2]。

针对上述问题，结合窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）的诸多优点，本文设计了基于NB-IOT技术的地下停车场管理系统。该系统涵盖NB-IOT、STM32、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、C#程序设计等多项技术，采用智能化的管理方式，合理地布局地下停车场内设施，提高了停车系统运行效率。实现了车辆引导功能，准确快捷的引导车辆到达停车位，车主不停车进出停车场且自动计费。开发了系统的硬件和上位机，并进行功能测试。该系统应用于停车场的新建或改造升级，对于提高停车场的智能化、信息化管理水平具有重要意义。

1 智能地下停车场整体方案设计

智能地下停车场管理系统由智能终端管理系统、出入口控制管理系统、车位状态检测系统、车位引导系统、数据处理系统等组成。数据处理系统非常关键，如图1所示，各个管理系统的数据都要经过数据处理系统进行处理。

出入口控制管理系统包括出入口读卡天线、车辆检测装置、出入口自动闸机、状态显示屏以及收发卡系统[3]，车位状态检测系统包括车位检测模块，车位引导系统包括引导指示灯，智能终端管理系统包括用户管理、计费收费和注册充值等[4]。智能终端管理系统是智能地下停车场系统的核心控制部分，与出入口管理系统相结合来管理车辆的进出，收集车辆进出信息上传到数据库，实现智能缴费功能，车辆可不停车快速进出停车场。同时，结合车位检测系统了解车位实时信息，控制车辆引导系统启动引导指示设备，引导车辆进入停车场。系统的硬件装置包括停车场管理控制终端、出入口一体化设备、岗亭终端、车位引导终端、车辆识别终端、车位状态检测终端等[5]。

停车场有两种用户群体，经常停车的用户（固定用户群体）和偶尔来停车的用户（临时用户），对于固定用户采取注册的制度，记录其车辆信息并简化缴费流程。对于临时用户，因其停车的频率不高且流动性很大，停车场一般采用发临时卡方式。根据停车场用户群体的差异，车辆入场的工作流程有所不同。车辆入场流程如图2所示。

图2 车辆入场工作流程图

2 停车管理系统硬件电路设计

2.1 系统核心板微处理器的选取及外围电路设计

在不同的应用场合和不同的系统对主控模块的选型要求各不相同，本装置为地下停车管理系统，为了系统的整体运行以及升级维护等需求，要求主控模块独立为一个最小系统，可控制其他模块完成具体的功能，加上性价比等原因，选用的主控芯片为STM32F103C8T6型号单片机，其结构、功能以及丰富的资源完全符合本系统要求。STM32分STM32F101基本型和STM32F103增强型两种[6-7]，本系统使用STM32F103增强型。时钟电路由8 MHz晶振、2个20 pF电容串联构成，复位电路包括1 kΩ电阻、104电容和按键构成，1 kΩ电阻一端接3.3 V电源，另一端接按键。电源电路选用AMS1117稳压器，AMS1117的3脚接5 V电源，1脚接地，2脚为输出3.3 V。STM32的各引脚连接如图3所示。

图3 微处理器STM32引脚连接图

2.2 车辆识别模块电路设计

车辆识别模块电路包括车辆电子标签和读卡器，射频识别电子标签安装在车辆中，含有车辆的信息，读卡器需要对标签进行读取来识别车辆的信息，本装置选用的识别标签为S50非接触式IC卡，与普通的IC卡的大小相同，但具有更复杂一些的结构。电路芯片使用的是内部集成了1 kB的存储器的UCODE-HSL，可以存储用户的车辆相关信息，将此标签放在车内可以满足停车场系统实现车辆识别需求[8]。

当车内IC卡电子标签发送的数据被读写器接收后，读写器会对接收的数据信号进行一系列的处理，为了避免软件解码占用处理器资源，影响地下停车场管理系统的功能，本系统采用信号相乘，将信号转换成单极性信号，之后采用电压比较器对信号转换处理。

2.3 车位检测与引导电路设计

2.3.1 红外传感器和NB-IOT模块

车位检测装置由红外传感车辆检测器HC-SR501和NB-IOT通信模块组成，停车场的每个停车位都装有红外传感器，当有车辆进入停车位后，红外传感器采集车辆信息，通过NB-IOT模块将数据上传至服务器，配合其它电路完成停车场相关功能。每个停车位均设置车位检测电路，检测电路由2个1 kΩ电阻和LED数码管串联电路并联组成，1 kΩ电阻一端接VCC电源，另一端接LED数码管的阳极，LED数码管的阴极接地。HC-SR501电路主要包括VCC、GND和DO口，VCC供5 V电源，当检测到有车辆靠近时，DO口输出为高电平，否则输出低电平。

NB-IOT模块选择BC95，BC95模块可与众多终端设备进行连接，并具有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm的超小尺寸，非常方便嵌入到客户产品应用中，具有高可靠性，可以满足地下停车管理系统的需求。BC95的1脚接3.3 V直流电源，2脚和3脚分别接STM32F103C8T6的N TXD端（30脚）和N RXD端（31脚）。

2.3.2 车位引导算法

车辆引导是地下停车管理系统必不可少的一部分，车辆引导最重要的就是找到车辆到车位的最短距离，然后通过地面LED灯光将车辆引导到停车位。车辆路径引导算法有SPFA算法、A*算法、Johnson算法、Floyd-Warshall算法及Dijkstra算法等[9-10]。

因为地下停车场的车位是固定的，出入口也都是固定的，因此，本系统使用经典Dijkstra最短路径算法，这种算法简单方便且易于实现，它是以一个点为起点，然后将起点作为圆心向外层层扩展，求出车辆到不同车位的最短路径，根据最优路径引导车辆，缩短停车时间。Dijkstra算法步骤如图4所示。

图4 Dijkstra算法步骤图

本系统采用地面指示灯引导车辆进出停车场，当车辆进入停车场后，红外传感器检测车位信息，将车位信息实时上传到服务器，然后中央处理器将车位情况显示到显示屏上，同时通过最短路径算法算出车辆到各个停车位的距离，求出最短距离后，通过主控器控制相应的地面指示灯，点亮指示灯引导车辆快速到达空闲停车位，当车辆停放后，车位检测装置上传实时车位信息，控制器控制显示装置更新车位信息，同时准备为下一辆车提供引导功能。车位引导电路由若干个LED数码管和电阻串联电路构成，电阻为1 kΩ，电阻的一端连接LED数码管的阴极，另一端接地。

2.4 信息发送模块电路

本系统具备发送信息功能，可以在用户停车后给发送车位信息，以便用户寻车方便，还可以在用户离开后，给用户发送停车时间、计费信息、余额等信息，给用户提供便捷的服务。发送短信功能模块使用NB-IOT模块上集成的SIM7000C电路。SIM7000C属于多频及双频无线模块，支持LTE-FDD/LTETDD/GP、RS/GSM等多个频段，采用SMT方式封装，其外观小、功耗低、性价比高、性能稳定，这些特性可以满足地下停车管理系统的需求，同时SIM7000C可以提供的硬件接口和软件接口很多，如USB、PCM、UART、TCP、HTTP等，为系统设计带来方便。停车场整体模型如图5所示。

图5 停车场模型图

3 系统的软件程序设计

3.1 上位机管理软件开发

使用的开发环境是Visual Studio 2017，上位机端管理软件部分可以存储地下停车场用户的车辆信息情况，还可以帮助管理人员进行停车场系统管理，它可以将进入停车场的车辆的相关数据信息与数据库中已存储的数据进行比对，完成一系列的车辆管理工作，还可以存储车辆的相关信息，如车辆的颜色、车主的信息、车辆的进出情况、车辆的缴费情况等。

当上位机管理软件启动后首先会连接数据库，与数据库建立连接后，上位机会进入待操作状态，当串口有下位机传输数据进来时，上位机会读取车辆数据信息，然后处理后存储在数据库中，当进行人工操作如车主查询车辆信息或者查询缴费情况时，上位机会从数据库中提取相关车辆信息并进行相关的操作，如果有新用户需要注册等操作，需要向数据库中添加信息，上位机可以添加新用户的信息，并进行保存更新用户车辆信息。

3.2 NB-IOT程序设计

此处包括扰码程序设计和组网程序设计，BC95模块从B656版本开始增加了扰码（Scrambling）控制功能，此功能可通过AT命令进行控制。模块出厂默认开启此功能，此时基站（Base Transceiver Station）也需要开启扰码功能，否则模块搜不到信号，无法连接基站。若关闭扰码功能，此时基站也需要关闭扰码功能，模块才可连接基站。通过AT命令关闭和开启模块扰码。

在组网程序设计中，模块找网前需确认模块型号与频段是否对应，所有模块出厂频段默认为900 MHz，可通过AT+NBAND=n来设置，AT+NRB 重启后生效。手动找网流程为

AT+CFUN? //若值为0，此时可以设置CDP服务器。

AT+NCDP=10.41.129.115,8653 //设置地址和端口，设置后会保存（如不需要配置，可跳过此操作）。

AT+CFUN=1；

AT+CIMI //执行CFUN=1，等待4 s后查询IMSI，如果能查到表示卡已识别。若查不到，请检查卡是否插好并确认是否是USIM卡。

除扰码程序和组网程序设计之外，还要编写车位引导和短信发送的相应程序，编程语言为C#.NET。

4 系统功能测试

4.1 主控模块测试

本系统具备不停车进出停车场、车辆引导、自动计费、短信发送功能，入口由显示器、读卡装置和闸道组成，当车辆进入停车场时，读卡器会识别车辆信息，然后主控器控制闸道开启，车辆通过，进入停车场后会有指示灯引导车辆到相应车位。系统使用两块STM32主控模块，一个控制车位检测和路径引导，另一个控制显示屏、读卡装置和舵机等部分，主控模块测试功能正常。

4.2 停车场进出口功能测试

停车场入口使用12864液晶模块和射频读卡装置以及舵机和闸道组成，当系统开启后，显示屏会显示停车场的车位情况。当车辆到达入口时，读卡装置可以识别车辆是否为本停车场车辆，识别成功后会打开舵机对其放行，如图6所示。当车辆进入停车场后，车位检测装置会检测车位实时信息，然后主控器会控制引导指示灯闪烁，引导车辆停到闪烁的停车位，当车辆离开时，指示灯会长亮，引导车辆离开停车场。调试如图7所示。

图6 进出口显示调试图

图7 车位引导调试

4.3 上位机调试

地下停车场的各个环节都需要上位机来控制以实现相应功能，管理员可以通过上位机智能的对停车场进行管理，车主可以在上位机上查看自己的停车记录和出入记录，外来车辆可以在上位机上进行注册，然后进行充值，充值后可以查看充值记录和收费记录，上位机界面如图8所示。

图8 上位机查看收费记录界面

5 结论

本文所设计的基于NB-IOT技术的地下停车管理系统改善了传统停车场的诸多缺陷，STM32F103处理器负责系统的整体控制与处理，BC95NB-IOT模块负责网络数据通信，利用RFID实现车辆不停车进出停车场，减少了车主进入停车场的等待时间。采用红外传感器检测车位，并根据车位引导算法引导车辆到达最佳停车位，然后通过灯光引导车辆进出停车场，有效地减少用户寻找车位的时间。系统可以给车主用户发送短信，提示车位信息。管理员可以通过上位机对停车场进行智能高效的管理。该系统对于城市停车场的新建以及升级改造，具有重要的参考应用价值。