基于LoRa和Nb-oT的智慧路邊無人值守停車云系統

摘 要： 對目前路邊停車場需要人工值守的缺點，提出一種采用地磁、地鎖、LoRa和NB-oT多種技術結合的無人值守云系統。全面闡述了系統方案，設備選型，系統框架，通訊方案，難點功能等內容。采用LoRa和NB-oT相結合的通訊方案解決了類似系統單獨用一種通訊方案時存在信號不暢、功耗較高和通訊費用高的問題。基于地磁和地鎖的創新設計，用智能算法判斷車輛駛入狀態，可靠性強，無需人員值守。系統目前已經投入使用，效果良好，對類似系統的建設有借鑒作用。

關鍵詞： 地磁; 地鎖; LoRa; NB-oT

中圖分類號： TP393 ? ? ?文獻標志碼： A

ntellgent Roadsde Unattended Parkng Cloud

System Based on LoRa and Nb-oT

CHEN Hongyng

（Computer nsttute， South Chna Normal Unversty， Guangzhou 500631）

Abstract： n vew of the shortcomngs of the current roadsde parkng， an unmanned cloud system usng geomagnetc， ground lock， LoRa and NB-oT technologes s proposed. The system scheme， equpment selecton， system framework， communcaton scheme， and dffcult functons of ths system are descrbed. The communcaton scheme combnng LoRa and NB-oT solves the problems of poor sgnal， hgh power consumpton and hgh communcaton cost when smlar systems use a sngle communcaton scheme. Based on the nnovatve desgn of geomagnetsm and locks， an ntellgent algorthm s used to judge the drvng status of vehcles， whch s relable and does not requre personnel on duty. And t has been put nto use wth good results. t can be used as reference for smlar systems.

Key words： Geomagnetsm; Ground lock; LoRa; NB-oT

0 引言

車位管理在目前停車越來越難的情況下顯得尤為重要。目前的停車管理系統主要有停車場管理系統和路邊停車系統兩種。典型的路邊停車系統如目前深圳的路邊車位所用的宜停車系統，采用的方法是人工值守方式：車輛停到停車位后如果沒有在一定時間內掃碼登記，就有管理員來進行抄牌罰款。它采用的是地磁系統和云平臺結合，地磁系統感應到車位上有車進入后開始計時，并向云平臺發送信息報告車位狀態變化，如果在一定時間司機登陸云平臺進行登記，則云平臺開始計時計費，否則云平臺發出警報，通知管理員抄牌。

這種方式缺點是在一定地理范圍內需要配備一個管理員。本文介紹的系統采用地磁系統，地鎖系統，網關系統，云平臺系統和APP，實現一個無人值守的智慧停車云系統。

1 系統方案

1.1 系統框架

系統由5個子系統組成：地磁系統，地鎖系統，網關系統，云平臺，APP。框架如圖1所示。

1.2 具體工作流程

（1）掃碼注冊：首先登陸云平臺，用戶在云平臺APP注冊，輸入相關信息。

（2）目的地車位搜索：用戶在云平臺APP搜索附近車位，發現空閑車位后驅車前往。

（3）掃碼停車：對地鎖進行掃碼或輸入地鎖的編號，云平臺命令地鎖打開，地鎖系統將地鎖狀態通過網關發送給云平臺。

（4）地磁車輛駛入感應：車輛停好后，該地鎖對應的地磁通過網關給云平臺發送信息，表示車已經停好。同時開始計費。如果地鎖打開后超過一定時間地磁沒有發信息，則云平臺通知地鎖再次關上。

（5）車輛駛離感應：車輛駛離時，地磁系統通過網關向云平臺發送消息，提示車位已空，計費結束。

（6）自動上鎖：云平臺發送關閉地鎖的命令給地鎖系統，同時登記該車位的狀態。地鎖系統將地鎖狀態通過網關發送給云平臺。

（7）在線支付：車主按照手機端軟件提示，微信支付本次費用，或者按照約定直接在賬戶中扣除。

1.3 設備選型

系統要求：無人值守、低功耗、超長待機、高可靠性、不影響現有設施和路面、無設置攝像頭等停車場通用設備、無人工收費，需要及時結算。

（1）地磁傳感器：地磁傳感器可用于檢測車輛的存在和車型識別。利用車輛通過道路時對地球磁場的影響來完成車輛檢測，具有安裝尺寸小、靈敏度高、施工量小、使用壽命長，對路面的破壞小（無線安裝只需要在路面打一個直徑55 毫米深150毫米的洞）。這里我們選擇HMC5883L作為地磁傳感器，它采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術，該技術領先于其他磁傳感器技術，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點。傳感器具有的對正交軸的低靈敏度的固相結構能用于測量地球磁場的方向和大小，其測量范圍從毫高斯到 8 高斯（gauss），在低磁場傳感器行業中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。供電采用鋰亞硫電池，持續工作6年以上[1]。

（2）地鎖：采用pshare智能防撞地鎖，抗壓6噸，上升時間小于5 S，下降時間小于4 S，待機電流小于10 uA，環境溫度-30到85度，電池主機和底座都經過防水處理可以水浸，防水性能P67，采用鋰電池充電時間4小時，續航時間2年。180度防撞設計，防止地鎖損傷。

（3）通訊設備：

這里我們采用NB-oT和LoRa完成通訊功能：NB-oT技術具備統一標準、超高可靠性、全國覆蓋等優點，但是同時也存在如下不足：a）部分地區信號不暢（如地下車庫等）b）外部中斷觸發報警模式下使用功耗較低，但如需要實時響應外部無線指令則因休眠時間太短功耗較大，c）必須交付流量費。對此，本系統中采用具備個性化布設、滿足場景化需求LoRa技術與之結合，彌補通訊的盲區和響應云平臺指令的較大功耗影響，同時具備免費使用的優勢。

LoRa設備：采用SX1268，SX1268集成了低噪聲放大器（LNA），LoRa調制下，最高接收靈敏度可達-148 dBm，同時還集成了功率放大器（PA），其發射功率最大可達+22 dBm。SX1268集成的數字接口通過SP和外界進行數據交互。通訊距離達10 km。

Nb-oT：采用移遠Nb-oT， 主要優勢：超低功耗、超高靈敏度，有豐富的網絡服務協議棧， LCC 封裝，適合批量生產。

（4）控制器：選用了ST公司超低功耗處理器STM8L151C8，其核心芯片采用ST意法半導體公司生產的超低功耗的MCU，具有3級流水線的哈佛結構，專用低泄漏電流制造工藝和優化的節能架構，提供業界領先的節能性能。程序存儲器數據可保存20年，待機功耗微安級。有2C和SP兩種通訊方式[2]。

2 系統實現

分別實現五個子系統。

2.1 地磁系統

包含通訊系統、控制系統、地磁傳感器系統，如圖2所示。

地磁系統功能：

（1）設備自檢：定時發送心跳包給網關磁場采集：三軸大地磁場XYZ軸信息采集分析。

（2）停車判斷：檢測車位狀態變化，自動發送報文給網關。

（3）低電預警：定時發送電量等地磁系統狀態信息發送給網關。

（4）磁場環境跟蹤：在外部磁場環境發生變化時，自動動態修正初始磁場參數。

2.2 地鎖系統

包括控制系統，驅動系統，電源系統、傳感系統、通訊系統，如圖3所示。

（1）控制系統：

接收來自通訊系統的指令，通過智能計算生成上鎖、解鎖、聲光提示、電量匯報等指令，指揮驅動系統完成動作。

接收來自地鎖傳感系統的鎖位狀態信息，結合來自通訊系統的指令要求，生成地鎖搖臂控制指令，指揮地鎖復位，防止地鎖人為碰撞。

自動計算運行周期，生成自檢匯報指令，提交通訊系統。保證設備穩定運行。

（2）驅動系統：由電機、減速箱、傳動機械組成。

主要功能是接收來自控制系統的指令，實現：搖臂的轉動、上鎖動作、開鎖動作、聲光提示。

電機、減速箱：采用齒輪減速結構和渦輪減壓電機結合方式，壽命長，功耗低。

（3）電源系統

供電采用電池，設備超低功耗設計，待機功耗微安級，可工作2年以上。

（4）傳感系統

采用組合式光電傳感行位判斷技術，準確判斷搖臂位置，配合驅動系統嚴格按照控制系統指令完成規定的操作。

（5）通訊系統

通訊功能：a）接收來自網關的無線指令，傳送到地鎖控制系統。b）接收來自控制系統的信息反饋，傳送到遠程用戶或監控中心。

2.3 網關系統

如圖4所示。

（1）網關作為匯集單元轉發地鎖系統、地磁系統以及云平臺之間的消息和指令，網關通過Nb-oT和云平臺通訊，通過LoRa和地鎖通訊。

（2）配置網關，主要實現需實現對網關設備各項參數的設置。

（3）網關實現loRa數據和Nb-oT數據格式的轉換，交接內網和外網數據。

首先網關收到 LoRa 射頻模塊接受到的 LoRa 數據，同時判斷數據的完整性，然后取出 LoRa 數據的負載 Payload，然后重新打包通過Nb-oT將數據發送到云平臺[3]。

云平臺下行反之：首先網關收到云平臺通過 Nb-oT 發送的數據或者命令，然后網關將收到的數據作為 payload 發送給 LoRa 射頻模塊，然后發送給其他的網關設備或者終端設備。

2.4 云平臺

云平臺功能如下：

（1）數據采集：地鎖信息、地磁信息、掃碼信息、用戶信息、停車場信息、車位信息、網關信息。

（2）數據處理：上鎖邏輯處理、開鎖邏輯處理、計費邏輯處理。

（3）數據推送：開鎖成功、停車成功、駛入、駛出等信息推送到客戶手機APP。

（4）指令服務：遠程升級、設備復位、地鎖控制、地磁矯正、參數設置。

（5）數據分析：駛入分析、駛離分析、車流量分析、車位使用率分析、停車行為分析。

（6）數據存儲：1小時內數據存儲于內存數據庫reds，長期數據存儲用Orcal，大數據用Hadoop。

（7）報警管理：報警采集（低電、遇阻、搬動、破壞、磁場擾動）、報警分級處理、處警管理、警情推送。

（8）系統管理：賬號管理、權限管理、配置管理、分布式管理。

2.5 手機APP

（1）帳戶設置：帳號注冊和注銷、密碼管理、聯系方式和昵稱等設置。

（2）我的錢包：對活動紅包進行管理，可進行帳號的充值、租用繳費、購物等。

（3）支付管理：可以通過微信或支付寶支付。

（4）車位選擇：車位選定，可對地鎖進行降控制，或預訂車位。

（5）掃碼停車：用手機掃二維碼，啟動停車流程。

（6）停車提示：車輛停入車位，通過地磁車位感應，手機提示停車完成，啟動計費流程。

（7）停車結束：車輛駛出車位，地磁自動感應車位空，手機提示結束停車，啟動結束計費流程。

（8）車位查詢：以手機定位位置為中心10公里范圍內進行可用車位查詢。

設定區域車位信息查詢：可在搜索欄內輸入關鍵商圈進行可用車位查詢。

在地圖中查詢：可在地圖中瀏覽并可選擇停車區域。

反向尋車：取車時，可在手機上導航到車輛所停放的車位。

3 系統軟件實現

地磁系統停車狀態的判斷是系統原始數據的基礎，如何有效獲取車位信息是系統的重中之重，也是本文軟件重點和難點。

地磁傳感器根據x，y，z三個軸的數據判斷傳感器附近是否有鐵物質。當有車輛停放在停車位上時，固定在停車位上的地磁傳感器的三個軸的數據會產生波動。

測量到的數字=地磁基準數據+車輛磁感+附近物體參數的干擾，通常附近物體干擾比較小且持續時間短可以忽略。我們可以通過將測量到的數字減去地磁基準數據得到車輛磁感數據，從而判斷是否有車輛駛入駛出。如果測量到的數字-地磁基準數據<某個閾值R，則判斷無車，否則判斷有車[4]。

3.1 地磁傳感器數據獲得

首先由于地磁數據不停波動，有的時候甚至有較大的擾動，在分析的時候需要進行平滑化，才能獲取有效和有代表性的數字進行分析，那么第一步就是確定數據的獲取方式[6，7]。具體的獲取方式有兩種。a.基于滑動窗口的均值獲取方式，對取得的傳感器的三軸數據進行如下處理如式（1）。

B（k）=h（k）+h（k-1）+…+h（1）k， k≤m

h（k）+h（k-1）+…+h（k-m+1）k， k>m

=0，1，2

（1）

其中h（k）是k時刻X，Y，Z輸出信號，m是滑動窗口的大小，=0，1，2，分別代表XYZ三個軸。這種方式在數據波動不大時比較適用，但是如果有一個突發的大擾動數據，會使得獲得的均值有較大的偏差，所以我們將它用于地磁基準數據的計算。b.基于中值的獲取方式。將滑動窗口中的信號值進行排序，取中間位置的數據作為中值。這種方式可以過濾掉突發的比較大的擾動數據，用于動態判斷車位狀態[5]。

3.2 地磁基準數據計算

有了數據獲取方法，我們可以在此基礎上進行X，Y，Z三組數字的計算。具體方法是：將在本車位無車且相鄰車位也無車的狀態下車輛傳感器的X，Y，Z值，持續一段時間形成m個時間段的基準波形。

3.3 地磁基準數據更新

基準數據在環境發生變化（如溫度）時可能會發生變化。我們首先判斷以下情況是否存在：

（1）判斷目前是否是本車位無車且相鄰車位也無車的狀態。

（2）判斷是否連續m個h（J）在一定閾值范圍內如式（2）。B（k）-R（2） ?其中B（k）為時刻K的平均值（由公式（1）計算），R為閾值，m為窗口個數。

如果兩個判斷條件都成立則基準數據更新如式（3）。T（k）=T（k-1）·（1-β）+B（k）·β

（3）其中：T（k）是基線，B（k）是XYZ軸信號平均值，為3個磁軸，k為信號的數目，β是加權系數。

3.4 閾值R的設定

根據經驗通常設定為30—50為適宜。

3.5 判斷車位占用策略

如圖5所示。

（1）現有波形（取中值）與基準波形比較，如果X，Y，Z 3個方向有兩個值超出閾值，則置為疑似有車狀態。

（2）判斷時長，如果疑似有車狀態持續時長不大，我們判斷為過路車或其他設備影響。

（3）本車位在一定時間內的擾動只計算一次，這樣對于車輛在停車位上來回調整的情況不會重復計算。

（4）相鄰車位的影響我們采用以下方法

如果本車位有弱磁信號波動而相鄰車位在并沒有檢測到磁信號波動，則認為有車輛進入車位[7]。

如果本車位發現強磁或中等強度波信號，則認為有車。

如果本車位發現弱磁信號波動而相鄰車位檢測到強磁或中磁信號波動，需要進一步判斷：

如果相鄰車位的相鄰車位有弱磁信號波動，則認為本車位無車;

如果相鄰車位的相鄰車位沒有弱磁信號波動，則認為本車位有車。

4 總結

本文設計并實現了一個基于羅拉和Nb-oT的智慧路邊無人值守停車云系統。首先介紹了系統框架，系統設備選型，然后詳細介紹了各個子系統的設計方案、通訊系統設計方案以及各個系統的功能以及運行的流程，最后對系統軟件設計的難點和重點--如何判斷地磁系統中車位狀態的實現做了詳細的說明。與類似系統比較本系統有功耗低，通訊費用低，可靠性強，無人值守特點，目前系統已經投入運行，效果良好。

參考文獻

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[2] 梁振奇，陳文釗. 基于NB-oT技術和地磁傳感器的路邊停車檢測系統[J]. 科技與創新，2018（6）：7-9.

[3] 董玉榮，聶云峰. 基于 NB-oT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（9）：95-97.

[4] 王東. 基于LoRa和地磁傳感器的智能停車系統[J]. 重慶理工大學學報， 2018（10）：158-165.

[5] 譚福奎. 基于地磁的車輛檢測器設計[J]. 興義民族師范學院學報，2016（3）：114-119.

[6] 胡瓊. 磁阻傳感器在停車場車位檢測中的應用[D].上海：華東理工大學，2011.

[7] 余浥. 基于地磁的路邊停車場車輛檢測系統研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2017.

（收稿日期： 2018.12.03）

基金項目：廣東省應用型科技研發重大專項（2016B020244003）

作者簡介：陳紅英（1969-），女，副教授，博士，研究方向：人工智能。文章編號：1007-757X（2020）01-0048-04