“楓?！蔽锫摼W智能車位鎖控制系統

趙世民 劉奇鋒 李淑芝

摘 ?要：針對目前私家車保有量快速增長，城市車位資源緊缺，停車困難，設計了一款基于物聯網平臺和MQTT傳輸協議的“楓?！敝悄苘囄绘i控制系統。使用IOT設備、移動端、服務器三端數據交互，實現軟硬件結合的APP控制系統。軟件可監控附近的車位狀態、車位鎖狀態，以實現移動端對硬件的操控。對比現在市場上已有的多種藍牙車位鎖，該系統具有信號穩定、設備成本低、移動端使用便捷和尋找車位周期短等優勢。

關鍵詞：OneNET;MQTT;物聯網技術;智慧停車;智能車位鎖

中圖分類號：TP39 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Feng Ting Intelligent Parking Lock Control System is developed to provide solution to the shortage of parking spaces caused by increasing volume of private cars. This is an APP control system which is designed based on the Internet of Things （IoT） platform and MQTT （Message Queuing Telemetry Transport） transfer protocol， using interactive data collected from IoT devices， mobile terminals and servers. The APP is able to monitor the nearby parking occupancy and the parking lock status， which make it possible for users to control the hardware by mobile terminal. Compared with the already existing Bluetooth parking locks in the market， this system has more advantages， such as stable signal， low equipment cost， convenient use of mobile terminal and short period for finding parking spaces.

Keywords： OneNET; MQTT; Internet of Things; intelligent parking; intelligent parking lock

1 ? 引言（Introduction）

隨著私家車數量的增多，車位資源日益稀少，停車困難成為困擾車主的首要問題。造成停車難的主要原因有很多種：停車場和固定車位的緊缺、路邊亂停亂放的現象、車位使用不合理、尋找空閑車位困難[1]等。更重要的是車主在尋找車位的過程中也會造成局部交通堵塞、增加污染排放和噪聲等問題，甚至因車位引發市民之間的矛盾和交通事故。目前市面上的車位鎖主要有以下幾種：

（1）金屬機械車位鎖：這種車位鎖不僅使用麻煩，上鎖、開鎖都需要下車手動操作。

（2）藍牙車位鎖[2]：藍牙遙控有效距離較低，在車內可能無法成功下發指令。無法實現共享車位狀態。

（3）單片機伸縮型車位鎖：需要專用遙控器，或需要識別車牌號。此類車鎖獨立性較強，沒有提供數據上傳、車鎖定位[3]等功能。不方便集中管理，無法實現車位信息共享。

本文提出的基于OneNET[4]的“楓停”車位鎖不依托藍牙控制，采用NB-IoT通訊模塊由OneNET物聯網平臺發送指令，車位鎖實時返回數據給平臺，實現對多個車位鎖的集中管理。移動端APP能夠實時顯示車位狀態、車位鎖狀態、空閑車位的精確位置，預定車位等豐富的功能。車位鎖信號穩定不易掉線，功耗小，待機時間長。

2 ? 總體設計（Overall desigon）

基于OneNET平臺的“楓?！避囄绘i控制系統由硬件車位鎖和軟件控制系統組成，軟件系統包括手機客戶端和后臺服務器。用戶通過手機客戶端可以查找和定位車位，控制硬件車位鎖，硬件開發平臺為OneNET平臺。OneNET是中國移動面向公眾服務的物聯網開放平臺，硬件可通過LwM2M、MQTT、EDP、TCP等多種協議接入。軟件系統和硬件車位鎖的通信通過OneNET平臺的MQTT通信接口實現。

硬件車位鎖通過無線通信將車位鎖的狀態信息傳輸至OneNET，手機客戶端通過訪問云平臺可獲取車位鎖的實時狀態;手機客戶端上產生的操作通過云平臺發送給車位鎖，實現客戶端對車位鎖的實時控制。

3 ? 硬件車位鎖設計（Hardware parking lock design）

3.1 ? 車位鎖性能需求分析

硬件車位鎖需滿足以下需求：

（1）車位鎖本身防水且外殼堅硬，在室外環境不會輕易受損。

（2）車位鎖功耗低，無須頻繁更換電池。

（3）車位鎖在信號欠佳的地點仍可以與“楓?！笨刂葡到y通信。

（4）異物檢測功能防止機械臂在轉動過程中受力損傷自身。

3.2 ? 車位鎖核心模塊設計

硬件車位鎖使用鋼結構外殼保證車位鎖不易受損。主控模塊采用STM32F103C8T6對各模塊進行協調控制，無線模塊采用NB-IoT通信模組通過消息發布/訂閱的方式向OneNET發布車位鎖的狀態信息?？蛻舳讼掳l的對車位鎖控制的指令后電機驅動模塊在轉動車位鎖時為電機提供瞬時大電流，E18-D80NK紅外模塊可檢測車位鎖上方是否有汽車或異物。使用4個一號鋰電池可使車位鎖能在該主控模塊下持續工作一年。各模塊之間關系如圖1所示，硬件車位鎖成品圖如圖2所示。

3.3 ? 車位鎖通信協議

根據需求，車位鎖選用MQTT協議作為與OneNET連接的通信方式。由于發布數據量較小，只需通過設置MQTT傳輸過程中的發布主題topic和消息傳遞等級，平臺即可成功訂閱車位鎖發布的信息。

4 ?軟件控制系統設計（Software control system design）

4.1 ? 軟件系統總體設計

軟件系統包括移動端APP和服務器后臺組成。APP前端主要用于用戶操作，后臺服務器采用MySQL數據庫管理數據，服務器部署在阿里云平臺上。系統功能主要包括用戶信息管理、車位鎖控制和停車服務管理。軟件系統結構如圖3所示。

4.2 ? 系統功能模塊設計

系統的總體使用流程是首先用戶注冊登錄“楓?！盇PP，接著查找停車位，找到后預約車位，到達車位附近后即可在手機APP上遠程開鎖。具體功能模塊設計介紹如下。

（1）用戶信息管理

用戶信息管理主要包括用戶注冊登錄、個人車位管理和個人信息管理三個功能。

①用戶登錄可通過手機號登錄，也可使用已注冊的賬號登錄。設計中使用第三方合作賬號登錄（QQ、微信），用戶登錄后才能使用預約車位等功能。

②個人車位管理主要實現用戶對自己的私人車位設置租用時間段?？稍谧约核饺塑囄豢臻e的時候將車位向公眾出租。

③個人信息管理主要包含：賬號密碼管理、停車記錄、個人錢包和優惠卡券。

（2）停車服務管理

停車服務模塊需包括：實時車位信息，車位預約及繳費和目的車位導航等功能。

①實時車位信息：車位鎖無線通訊模塊將設備經緯度信息發布到OneNET平臺，服務器端通過OneNET平臺API獲取指定設備的經緯度信息后，將位置信息通過Json格式傳給移動端APP。

②車位預約及繳費：在手機上點擊空閑車位即可選擇預約時間，使用支付寶或微信支付完成后即可成功預約并占用車位。

③車位導航：通過調用百度地圖API實現。首先根據用戶IP位置定位，用戶授權系統獲取IP位置信息后，調用location方法獲取用戶所在位置經緯度坐標，點擊目的停車位后即可通過兩個經緯坐標規劃初行車路線圖。

（3）車位鎖控制

車位鎖控制主要包括指定車位控制、車位鎖實時狀態和汽車駛離檢測三個功能。

客戶端APP和OneNET平臺對接后設備在線即可實現移動客戶端對車位鎖下發開鎖、上鎖指令。車位鎖的紅外檢測模塊會將車位實時信息上傳到OneNET平臺接口，若用戶下發上鎖指令但鎖上有車時車位鎖會拒絕上鎖，確保不會因操作失誤造成的財產損失。此模塊技術難點是車位鎖、平臺數據和客戶端數據間的數據通信，其方法描述詳見表1。

4.3 ? 軟硬件通信接口設計

采用OneNET平臺設計實現軟硬件的交互。首先在OneNET平臺上添加硬件設備，然后設計接口實現軟件客戶端與硬件的通信。

（1）OneNET平臺添加車位鎖

初次使用OneNET平臺需要注冊平臺賬號。在開發者中心選擇創建與設備相同協議的產品，產品創建成功后選擇添加設備，一個產品中可以創建并管理多臺設備。添加完設備，平臺會給分配給每個設備一個獨有的設備ID，根據設備ID及該產品的Master-APIkey，用戶便可通過硬件接入到云平臺進行數據交互。

（2）終端與OneNET的對接

OneNET平臺提供API進行通信，對官方指定URL執行POST或GET類型的HTTP請求（如，http：//api.heclouds.com/cmds/devices/），OneNET會以JSON的形式返回數據。系統后臺解析JSON數據后即可控制車位鎖?？刂平涌趯崿F方法詳見表2。

5 ? 功能實現（Function realization）

移動端APP使用Spring Boot搭建后臺服務，后臺服務器采用Ubuntu16.04云服務器。服務器主要負責與終端的數據交互和數據處理。MySQL數據庫存儲用戶賬號、密碼，車位鎖的經緯度定位、車位當前狀態信息。短信驗證碼使用阿里云短信服務平臺，第三方賬號登錄已獲得QQ授權。軟件控制系統的部分截圖如圖4所示。

6 ?性能測試與對比分析（Performance test and comparative analysis）

在完成該系統的硬件設計與制作、軟件開發和與OneNET平臺對接后，經過對本文所設計的系統全面測試，本系統可以正常執行客戶端下發的各種命令，平臺數據上傳及更新服務正常運行，移動端APP可成功預約車位，設備各模塊功能正常運行。目前該系統在校園固定停車位做測試投入使用，截至2020年2月，使用次數達326次，其中命令下發失敗2次，車位預約超時1次，電機轉動異常2次，系統測試成功率達98.4%。

本文設計的硬件車位鎖物料成本約為200元，為市面上已有智能車位鎖平均價格的65%，并有自研車位共享與預約平臺。與現有文獻和產品相對比，文獻[5]使用智能推薦附近停車場，沒有提供車位管理的功能，用戶也無法選擇租借的時間段。文獻[6]沒有移動端APP，用戶只能在電腦上查看車位信息，用戶無法隨時獲得車位的最新信息。而本文設計的系統只需1—2分鐘即可精確預約固定車位，根據導航即可直接停入所預約的車位，無須因車位被占用而二次尋找，有效減少車主尋找車位的周期。

7 ? 結論（Conclusion）

“楓停”利用OneNET平臺搭建了一個軟件系統+硬件車位鎖的智能停車系統，系統容錯率更高，可實時監控車位情況，通過手機即可對車位鎖下發命令。為車主提供了一個可以預約車位、智能化管理車位的便捷系統。提高了城市車位的使用效率，一定程度減緩了尋找車位難、車位資源不足的

問題。

參考文獻（References）

[1] Tasseron G， Martens K. Urban parking space reservation through bottom-up information provision： An agent-based analysis[J]. Computers， Environment and Urban Systems， 2017 （64）： 30-41.

[2] Cui Q， Ning J， Yin X. Design and Implementation of a new type of Intelligent Automatic Parking Lock[C]. 2018 Chinese Automation Congress （CAC）. IEEE， 2018： 1466-1470.

[3] Huang K Y， Chang S B， Tsai P R. The advantage of the arduino sensing system on parking guidance information systems[C]. 2017 IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management （IEEM）. IEEE， 2017： 2078-2082.

[4] 陳寶遠，褚慶文，孫忠祥，等.一種基于OneNet設備云的智能硬件組網方法[J].哈爾濱理工大學學報，2017，22（05）：76-80.

[5] 陳姝瑾.基于微信小程序的智能停車場管理系統的研究與設計[J].信息系統工程，2019（03）：67-68.

[6] 張瑞增.基于智能車位鎖的共享停車位管理系統研究與設計[D].山東大學，2017.

作者簡介：

趙世民（1999-），男，本科生.研究領域：數字水印.

劉奇鋒（1998-），男，本科生.研究領域：數字水印.

李淑芝（1964-），女，碩士，教授.研究領域：數字水印.