基于NB-IOT的共享車位鎖加裝模組方案設計

中國移動通信集團廣東有限公司 郭志彪

0.引言

目前，城市停車難已成為常態痛點，中國大多數城市的停車位只達到汽車保有率的1/3，國際通行標準是車位與車的比例為1.2:1[1]。同時，隨著共享租車新業態的涌現，車位動態共享需求將進一步加劇。為此，成都市等一些大型城市政府開始推動共享車位資源的政策支持。隨著IT、AI、IOT物聯網等技術的發展，各地停車設施的智能化改造正在加快，同時也出現了不少的共享車位APP應用。但總體來說，還沒有一個城市能夠形成一整套系統性創新的解決方案，能夠有效兼顧城市管理、業主和車主的整體效益。從技術層面上，隨著NB-IOT窄帶物聯網的出現，電信運營商及科研機構試圖從停車場的整體智能化改造角度研究基于NB-IOT的智能停車解決方案，例如：文獻[2]中提出一種基于NB-IOT的智能泊車引導系統方案設計，通過“NB-IOT模組（B8頻段）+云平臺+OTT推送+場內引導應用”來實現車主、停車場、交通管理部門之間的高效聯動，并且建立了三個實驗點來驗證。文獻[3]中提出一種基于NBIOT（B5頻段）的類似全閉環方案。但上述方案都側重于大型公共停車場，并沒有考慮到大量的私有或半開放式等能夠在時間錯配上緩解停車難最重要的補充性車位資源。為此，本方案提出一種面向個體或私有化車位的低成本、低功耗的NB-IOT傳感控制一體化模組，可快速在已有的車位鎖上加裝，并通過Restful API模式向共享停車APP平臺、政府或個人提供P2P共享有償服務。

1.整體方案設計

本方案所設計的是一個輕量級的疊加式加裝方案，將NB-IOT廣域物聯通信的低功耗、藍牙4.0的近場控制交互、超聲波等三大核心能力結合在一起，聚焦實現可加裝、低成本、低功耗、可P2P分享與集成等四大核心需求。

圖1 -整體方案框架

硬件層由BC95 NB-IOT通信模組、藍牙4.0模塊、超聲波傳感模塊和MCU主控模塊、鎖控模塊等五大核心構件組成，NB-IOT主要用于云端數據上報反饋，超聲波模塊用于車位空閑狀態監測，藍牙模塊用于開車位鎖控制所需的近場通信，整體外觀設計為一個結構緊湊、尺寸輕薄的封裝形態。通過云端數據管理后臺，以Https協議+Restful API的方式向第三方平臺和應用（如政府交管信息平臺、共享停車服務APP等）提供實時交互式集成服務。

系統整體架構如圖1所示。

2.系統硬件設計

2.1 NB-IOT廣域物聯模組

采用BC95 NB-IOT集成通信模組，可支持電信850MHZ/中國移動900MHZ/聯通1800MHZ等的不同細分型號，BC95部分原理圖如圖2所示。

BC95的耗流值如表1所示。

表1 -BC模塊耗流

圖4 -US-100超聲波測距模塊外觀

圖5 -超聲波測距模組接口

圖6 -MCU主控模組

圖2 -BC95芯片組原理圖

圖3 -藍牙4.0模組

圖7 -電源電路圖

綜合考慮到用戶體驗（開鎖時延）、低功耗、可持續電池續航能力等因素，本應用場景中，只有當車位鎖狀態、超聲波監測狀態等發生變化時，才通過NB-IOT發送上行數據（COAP/UDP協議）至云端管理后臺，絕大多數情況下處于PSM睡眠狀態。

NB-IoT有以下特點：

（1）低功耗：由上表1可以看出NB-IoT模塊可以工作在3種狀態，以便節約功耗。在PSM模式下最大耗流為 5uA，在IDLE模式下大約為6mA。根據TR45.820的仿真數據，5Wh的電池每天發送200bytes的數據，預計可使用12.8年。故可用于開發部署于不容易布線的車位鎖設備。

（2）強鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。這就意味著我們可以在一個不太大的空間，放置更多設備而互相又不會有干擾。

（3）廣覆蓋：將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB。對于地下車庫、井蓋等網絡條件不好的應用場合，NB-IoT比3G/4G無線通信或 433MHz等無線裝置更適合于部署。

（4）低成本：無論是模塊成本，還是供電、通訊運營成本都比其他無線裝置便宜。隨著NB-IoT的發展，單個連接模塊的預期價格不超過5美元，甚至會低至2美元。

2.2 藍牙4.0近場通信模組

藍牙4.0近場通信模組采用CC2540，如圖3所示，可實現車位鎖開鎖APP應用提供近場通信和控制指令加解密傳輸的應用需求，同時也確保了開鎖操作是在近距離進行。為降低能耗開銷，本方案設計的平均響應性能為5秒之內開鎖。

2.3 超聲波模塊

采用US-100超聲波測距模塊（如圖4所示），對車位空閑狀態進行監測，并通過NB-IOT通信模組同步到云端管理后臺，US-100超聲波模塊的接口如圖5。

2.4 MCU主控與鎖控模組

由MCU（STM32L151C8T6，如圖6）實現傳感模塊（數據采集與交互），用1個MOS管來實現鎖控模塊開關，MCU傳感模塊和鎖控模塊共同構成一個主控與鎖控一體化模組。

2.5 電源與低功耗設計

電源電路設計原理如圖7，采用XC6206電源芯片，內置3.7V/5AH鋰電池，支持外接5V常規充電器。為了實現整體功耗最小化，首先，NB-IOT模組主要用于喚醒后上報數據，大部分情況下處于PSM睡眠模式，BC95在PSM狀態下最大耗流僅為 5uA。能耗較大的開鎖過程通過藍牙4.0進行通信和控制， MCU只在藍牙配對或超聲波模塊激活后才啟動去控制開鎖過程處理，因此整體能耗最小化。

2.6 車位鎖集成

考慮到目前市場上的車位鎖絕大多數為密封式前裝結構，非專家型的業主較難在后向自行改裝，同時，用戶端也必須使用鎖廠提供的專用遙控器或手機APP來操作交互。本方案設計定位是為滿足跨應用和P2P模式的車位信息共享與有償分時使用需求提供一個并行的、疊加式的傳控一體化模組，不影響車位鎖原有的單點控制模式與體驗。所以，我們將提供通用串口線與藍牙4.0兩種車位鎖疊加集成，通過鎖控輸出電路的通用性設計，預設好適配不同車位電子鎖的開關接口形態與電氣參數。另外，除了可以為車位鎖廠商或工程集成商前裝階段提供一個可選的配件（一個通用的植入式模組）外，我們還設計提供了開放接入的云數據管理平臺與RESTful API接口，因此可以滿足跨應用共享車位服務的需求。

3.系統軟件與第三方集成設計

云端后臺系統軟件整體架構設計如圖8，劃分為平臺級平臺（全局賬號）和企業級平臺（設備級賬號），以適應多形態異構設備的接入和開放合作需求。對上游合作方（不同車位鎖設備廠商）而言，可通過云端平臺創建自有品牌的設備云后臺，將加裝模組作為一個可選配件的同時，延伸了產品價值鏈，提升用戶體驗與粘性。系統將車位狀態數據和鎖控授權等封裝成RESTful API形態，以Https協議方式向第三方提供跨平臺的集成服務，可以調用車位狀態、藍牙車位鎖控制、狀態回調等接口API，用于政府交管信息發布、共享停車位服務等場景化應用。

云端后臺系統基于LAMP（Linux+nginx+apache+Mysql+PHP）架構設計，并通過Web服務、通信服務器、數據庫服務器和負載均衡服務器等形成多層次的云服務器集群架構，以滿足高并發、海量用戶場景下的高性能與高可用性。

圖8 軟件系統架構圖

4.原型調試結果

為驗證本方案的設計效果，我們以NB-IOT物聯卡（850MHZ頻段）及NB-IOT設備調試系統（如圖9）來進行簡潔原型的測試，NB-IOT平均數據傳輸時延為2-5秒之間。另外，藍牙近場無線開鎖的平均響應時間在5秒之內。

圖9 NB-IOT調試界面

5.小結

針對城市停車難的廣泛性民生痛點，本文提出一種低成本、低功耗的輕量級加裝方案，可在車位鎖基礎上簡捷加裝的NB-IOT傳感控制一體化模組，結合NB-IOT低功耗通信、超聲波車位傳感、藍牙4.0近場控制、云端數據平臺與API開放服務，為車位信息和資源共享使用提供了一套可實施的高可用性智能解決方案。

[1]王宏禮.大城市停車難問題淺析[J].甘肅科技,2011(3).

[2]曾國良,張廣焯,薛冰瑩,郭方.基于NB_IOT的智能泊車誘導系統及方法[J].電信技術,2017(7).

[3]董玉榮,聶云峰.基于NB-IoT的智慧停車系統研究與設計[J].南昌航空大學學報(自然科學版),2017,31(3).