基于NB-IoT的共享停車位云系統的設計與實現

張衡 王莉 王志祥 謝慧雯

摘要：借助萬物互聯（IoT）時代物與物、人與物之間能進行信息交互的特性，充分發揮物聯網技術在智能交通領域的應用，文章設計了一款基于NB-IoT的共享停車位控制系統。它能整合所獲得的停車位數據信息，依據車位的使用情況實時智能提供該停車位的使用情況給用戶，使相關信息傳達給有需求的車主。并且用戶能通過微信小程序客戶端（ParkingTrading288）直接控制停車鎖的開啟和關閉，十分方便。本設計的實現有助于停車位的共享，提高了停車位的有效利用率，讓車主能隨時了解到車位信息，出行再也不用為停車而煩惱。通過停車鎖確保了停車位的安全，同時也更方便地掌握車位信息。

關鍵詞：單片機stm32;NB-IoT;服務器云系統;ParkingTrading288

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0067-03

1 引言

汽車為人們的出行帶來了很多便利，但同時增長過于迅速的汽車保有量導致交通擁擠不已、停車困難重重，“停車難、找車難、收費難”已成為亟待解決的難題。根據調查，車位緊張的主要原因在于車位在時間和空間上的分配情況以及車位信息的不透明所導致[1]。在現有基礎上，充分提高停車位資源的利用率是當前解決停車位難題的首要措施。

針對上述出現的各種關于停車的問題，本研究能夠在現有的基礎上緩解停車難題，充分利用有限的停車位，避免停車位資源的浪費。同時能將所有停車位資源的相關信息進行整合，實時智能規劃、合理安排出每個車位的使用時刻表，并將這些數據信息提供給有需要的車主，讓所有閑置的停車位得到充分使用。該系統以NB-IoT技術作為紐帶，再用以STM32為主控的車位鎖來管理車位，并與物聯網開放平臺相連接。在物聯網開放平臺中建立車位云系統來統籌管理共享車位鎖并傳輸數據給小程序來讓用戶使用，以實現共享車位管理的功能。

2 國內外現狀描述

2.1 國內研究現狀

停車位一般來說都有對應的出入口，而內部車位整齊劃一，比較適合管理，對于本文方案的實施有著促進作用。通常普通的停車位都是由門口的閘口與攝像頭組成一個簡易的識別和放行的裝置，并且利用更多裝置來達到相關功能的實現。以下就是關于國內一些停車場管理系統的調查。

蘇康友、王佳穎和羅煒鋒支持ZigBee的停車場的車位管理方案， ZigBee每個節點構建網絡來組成系統，形成節點以便通信，在使用網關與電腦進行監控，確定車位的容量和空車位;再發送信號給車輛，引導車輛前往空位[2]。

徐舟和宋志強等人提出了一種由物聯網平臺、數據庫、管理系統、車輛標簽和車輛遠距離讀寫設備組成的智慧停車系統。該系統的局限性在于車輛在進出停車場時需要安裝電子標簽才能被正確識別，而且該系統并沒有檢測到停車場內的每個車位，所以系統只能根據出入口的車流量了解剩余車位，因此不能實現車主尋車的功能[3]。

2.2 國外研究現狀

國外的停車系統和國內的基本上大同小異，但是因為國外的停車位管理思想提出得更加早一些，所以在科技方面相較于國內可能更先進，尤其是在共享停車位這一方面。下面就是一些關于國外的停車系統的調查。

Srikanth SV等提出一種基于無線傳感器網絡的停車管理智能系統，該系統主要是散布大量的傳感器和傳感節點，而且配備大量的計算和通信單元，以此來滿足導航至目的地和顯示入口信息的系統，同時提供給用戶客戶端。該系統不僅提供了管理車位的功能，還滿足了車位的預定、導航等功能[4]。

Geng Y等人構思了一種新“智能城市停車”的方案。系統會自動配置一個最優值基于接近目的地的停車位組合和停車費的關系。他們解決方案是設計一個算法來找到兩個問題之間的平衡點，并且保證沒有資源沖突，也沒有停車所需時間距離成本分配大過金錢成本，總的來說更有效地利用停車位[5]。

3 系統設計說明

3.1 智能車位鎖子系統設計

依據智能停車鎖子系統的功能需求，先進行總體的硬件部分設計，再以此對硬件所需具備的功能進行細化，拆分成模塊化的形式，最后選購每個模塊合適的硬件來協同達成整體的效果。以STM32F103C8T6作為智能停車鎖的微型控制器，從SIMCom公司中選擇了SIM7020C型號的NB-IoT通信模塊以實現通信功能，并選擇紅外傳感器HW-201作為感應器來確定車輛狀態。

通過構思整個智能停車鎖子系統的軟件部分來進行設計，也可以將整個軟件部分分成各個相互連接的模塊，通過對需求的分析，整個軟件部分可以由主要的四個子功能組成，即NB-IoT通信、車輛狀態檢測、停車鎖開關控制和RTC 時鐘。最后將這些子功能進行開發調試和互相連通，將其整合到智能車位鎖子系統中來。

3.1.1 智能車位鎖子系統硬件設計

由停車鎖的控制核心NB-IoT通信模塊、開關控制和車輛檢測控制器組成的智能停車鎖，主要調控每種功能和需求，以STM32作為主要控制器。車輛檢測模塊的主要功能是使用紅外傳感器HW-102來檢測停車位狀態信息，當停車場停放車輛時，傳感器發出低電平，而當停車場空閑時，傳感器發出高電平。繼電器開關模塊的主要功能是實現解鎖或鎖定。

NB-IoT模塊的主要功能是達成停車鎖與云服務器之間的通信，此設計使用SIMcon公司的SIM7020C通信模塊，該模塊具有獨特的性能：安全性和靈活性。智能車位鎖的基本模塊構造如圖1所示。

3.1.2 智能車位鎖子系統軟件設計

智能停車鎖子系統軟件的主要功能包括停車鎖開關控制，車輛狀態監控和與云服務器的通信。通過分析系統需求，該軟件部分分為四個主要模塊：車位狀態檢測模塊、智能停車鎖開關控制模塊、NB-IoT通信模塊、RTC時鐘模塊。模塊之間通信主要通過功能參數來實現。

停車鎖子系統軟件具體工作流程如圖2所示。打開系統電源后，首先執行狀態自我檢查，查看NB-IoT模塊是否已成功連接到網絡。如果自檢發現問題，則將通過串行端口發送一條消息，該消息允許更高級別的計算機檢查其故障。如果系統自檢成功，它將等待云服務器發送的解鎖命令。此時，為減少系統功耗，控制器進入睡眠模式，當串行端口2收到命令時，STM32控制器啟動并分析該命令是否為解鎖命令。確認解鎖指令后，即可停放車輛。然后等待車輛退出，直到STM32進入睡眠模式。RTC計時器中斷每3秒喚醒一次以跟蹤停車信息。當它檢測到車輛已實際離開時，它將向云服務器發送“車輛已離開”消息，進入下一個周期，并等待新的停車任務。

3.2 共享停車位云系統設計

3.2.1 共享停車位云系統服務器選擇

服務器的選擇應充分考慮云服務器作為處理器和內存的容量，并考慮其靈活性，易于訪問和維護，即選擇合適的云服務提供商和合適的云服務器，是確保智能停車位云系統高效、穩定運行的基礎。

當前，市場上最大、最可靠的網絡服務提供商包括華為云、百度云、阿里云等。開發人員可以根據需求選擇性能不同的云服務器，并通過Web界面輕松管理它們。與其他云服務提供商相比，TLink物聯網平臺對新手的友好程度遠遠大于其他的云服務器，而且還能為小程序的開發提供更加穩定和豐富的支持。所以將TLink物聯網平臺作為該系統的云服務器是非常合適的。

一般的云服務器都是用來作為通信接口以及擔任基本的數據庫功能。它沒有涵蓋許多大型和并行流量應用方案，要求不高。因此，選擇TLink物聯網平臺以自動配置適當的Tlink物聯網主網絡設置并提供公共網絡的IP地址[6]。

3.2.2 共享停車位云系統小程序設計

通過微信開發者工具，此小程序設計包括車位狀態功能、當前時間顯示功能和用戶開關鎖功能。

1）小程序主界面介紹：通過小程序搜索 Parking Trading288進入共享停車位云系統小程序的主界面。用戶需要允許小程序授權權限，點擊登錄即可授權，微信平臺從云小程序捕獲小程序可執行代碼，小程序進入主界面，主界面中顯示當前車位鎖的狀態、當前時間和停車位云系統開關鎖的操作等。

2）小程序與智能停車位云系統的通信：只有通過將網站的功能與特定的停車數據相結合才能實時監控。微信停車指南應用程序通過TCP通訊連接到云服務器，以交換數據，當前時間，實時停車實時信息頁面并實現車輛控制目的。從用戶打開微信端車位引導小程序到用戶利用小程序完成，期間經過多次數據通信，一次完成的TCP通訊包括：建立連接、數據傳輸、關閉連接[7]。具體流程如圖4所示。

4 系統測試

4.1 紅外感應裝置測試

檢測車位狀態的紅外感應器HW-201將車位鎖正常橫置，用測量物體通過車位鎖的上方，來測車輛停入時接收到的延時，同理測試車輛離開車位鎖的延時[8]。具體操作如圖5所示：（a）為無車輛停入，（b）為有車輛停入。

4.2 小程序運行測試

將智能車鎖正常連接至網絡，且將小程序打開來完成狀態的測試，觀察在多次開關鎖的情況下是否會影響到設備的運作，圖6為微信小程序（ParkingTrading288）查看狀態信息和控制開關。

5 結論

借助萬物互聯（IoT）時代物與物、人與物之間能進行信息交互的特性，充分發揮物聯網技術在智能交通領域的應用，本論文設計一款基于NB-IoT的共享停車位控制系統。該系統實現有以下創新點：

1）有助于停車位的共享，提高了停車位的有效利用率。車主使用ParkingTrading288可以遠程操縱自己的車位。當有車主出門在外，車位空置時，可以將自己車位的狀態等信息發布到ParkingTrading288上，供他人使用[9]。

2）智能化實時管理。多數有車的家庭都在小區的停車場購有私家車位。但有時卻發現有其他車輛隨意亂停，占用了自己的車位，這給許多車主帶來煩惱。通過停車鎖確保了停車位的安全，同時也讓停車收費更加合理透明。

參考文獻：

[1] 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）：95-99.

[2] 蘇康友，王佳穎，羅煒鋒.基于ZigBee的智能停車場管理系統[J].電子技術與軟件工程，2018（23）：5.

[3] 徐舟，宋志強，張樂，等.一種車輛監測裝置：CN210895812U[P].2020-06-30.

[4] Srikanth S V，Pramod P J，Dileep K P，et al.Design and implementation of a prototype smart PARKing （SPARK） system using wireless sensor networks[C]//2009 International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops.May26-29，2009，Bradford，UK.IEEE，2009：401-406.

[5] Geng Y F，Cassandras C G.A new “smart parking”system infrastructure and implementation[J].Procedia - Social and Behavioral Sciences，2012，54：1278-1287.

[6] 金峰.基于微信小程序的家用物聯網系統開發[D].杭州：浙江大學，2019.

[7] 夏志杰.工業互聯網的體系框架與關鍵技術——解讀《工業互聯網：體系與技術》[J].中國機械工程，2018，29（10）：1248-1259.

[8] 張匯鋒.基于NBIoT的車位管理系統研究與設計[D].濟南：山東大學，2019.

[9] 凌春，孫文勝.基于改進蟻群算法的無線傳感器網絡路由[J].計算機工程與設計，2019，40（3）：627-631，637.

【通聯編輯：梁書】