基于NB-IoT的物聯網智能平板車位鎖系統設計

覃志華，廖志遠，姚上開

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

針對目前城市交通管理中停車難、停車位剛需缺口大及利用率低的問題，智慧停車的發展成為緩解交通壓力、促進民眾舒適出行的重要組成部分，也是建設智慧城市的重要環節，將城市建成高質量發展的生活空間，既是民生問題也是發展問題。在2021年國務院頒布的《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》中明確指出，“分類分區優化停車設施供給，提高停車資源利用效率和精細化服務水平”和“推動發展智慧停車”[1]。

目前停車設施存在的問題有：(1)采用咪表、視頻樁、高位視頻和地磁等方式，存在需開挖路面、維護成本高、需人工值守、易逃費等問題；(2)采用基于ZigBee、GPRS、4G等技術的智能車位鎖系統，存在高成本、低續航和組網復雜等問題。

鑒于此，本文設計了基于NB-IoT的物聯網智能平板車位鎖系統，該系統具有組網方式靈活、覆蓋范圍廣、部署簡單和維護成本低的特點，能做到無人值守、自動鎖車及放行、車位信息的實時采集與共享，實現停車位管理的數字化、網絡化和智能化，助力打造城市現代交通系統。

1 系統設計

1.1 LPWAN技術橫向對比分析

如表1所示，LPWAN等低功耗廣域網技術中的Sigfox、LTE-M和NB-IoT組網技術都是一種商業運行模式，運營商之間在使用授權頻譜、防護頻帶獨立部署等領域都已達成共識，能夠為物聯網提供廣域網絡覆蓋，為高吞吐量、低成本和低能耗要求的物聯網設備提供保障。其中，NB-IoT窄帶物聯網技術是LPWAN的重要分支，因其構建于蜂窩網絡，具有廣覆蓋、多連接、高速率快、低成本、低功耗和易拓展等優勢特點，所以在智慧交通、智慧城市、智慧水務、智能電網和資產跟蹤等諸多垂直行業得到廣泛應用[2]。

表1 LPWAN技術橫向對比分析表

1.2 系統總體方案設計

物聯網智能平板車位鎖系統由硬件感知層、通訊控制層、數據處理層和應用表現層構成，其總體結構如下頁圖1所示。

第一層是硬件感知層，實現車輛感知和遠程開關車位鎖，由NB-IoT 模塊、電源模塊、檢測模塊和控制模塊構成。(1)由檢測模塊采集傳感器數據，將當前車位狀態信息傳輸給NB-IoT模塊，以避免誤操作；(2)由控制模塊來驅動電機實現開關鎖動作[3]。

圖1 物聯網智能車位鎖系統架構圖

第二層是通信控制層，實現硬件感知層和數據處理層之間的無線數據傳輸。(1)由NB-IoT模塊將硬件感知層數據發送至NB-IoT基站，再轉發給NB-IoT平臺；(2)下發數據處理層的事件觸發邏輯和指令服務等數據。

第三層是數據處理層，由物聯網平板車位鎖云平臺采集NB-IoT平臺匯聚的硬件感知層信息，進行相關數據的處理、推送、分析和存儲，提供指令服務、報警管理和系統管理等功能，并實現與應用層的交互。

第四層是應用表現層，為B端和C端用戶提供對應的服務，如運營商和管理者可通過車位鎖管理端進行無人值守收費和車位鎖運維管理；私家車主通過車主客戶端查看實時車位信息，實現余位查詢、車位預約、車位誘導和在線支付等操作。

1.3 系統功能

(1)車位信息實時采集與共享。通過車位鎖前端傳感器模塊(地磁、藍牙、激光)采集車位信息，而后由NB-IoT網絡實時傳輸至數據處理層進行數據存儲，并進行數據處理和分析，用戶能夠通過車主客戶端(如車主APP、微信小程序和手機瀏覽器等)查看實時車位狀態[4]。

(2)自動鎖車。車輛自助入位，檢測模塊開啟自動感應，車位鎖感應到車輛停穩后，將狀態信息通過通信控制層發送給數據處理層，服務層發送關鎖指令給車位鎖前端，擋臂上升鎖車，同時登記該車位的狀態。

(3)自助放行。對車位鎖進行掃碼或輸入車位鎖的編號，完成付款，進入開鎖流程，云平臺發送開鎖命令給車位鎖前端，擋臂下降放行，同時登記該車位的狀態。

(4)區域開鎖。當車主手機位置到達車位預設區域時，車位鎖自動開鎖，當車主手機位置超出預設區域時，則車位鎖自動關閉。

(5)余位查詢和車位預約。用戶通過車主客戶端搜索到空閑車位后，可進行車位預約。

(6)反向尋車。車主取車時，可通過反向尋車功能顯示車位位置以及當前位置前往停車位的路線圖，并一鍵導航至該車位。

(7)在線支付。根據客戶端提示，車主通過微信支付車費，或是根據協議自動從賬戶中扣繳。

1.4 性能指標

為保證物聯網智能平板車位鎖系統的用戶體驗，根據圖1系統架構及系統功能需求分析，設定基于NB-IoT物聯智能網平板車位鎖系統的硬件指標、通信質量和云平臺管理的性能指標。

(1)支持基于NB-IoT物聯網智能平板車位鎖系統的硬件相關性能指標如表2所示。

表2 硬件相關性能指標表

(2)支持基于NB-IoT物聯網智能平板車位鎖系統的通信模組的通信質量相關性能指標、云平臺和應用表現層的功能指標如表3所示。

表3 通信質量相關性能指標表

2 物聯網平板車位鎖系統硬件設計

物聯網平板車位鎖硬件主要由微控制器 MCU、NB-IoT通信模組、傳感檢測模塊、電機模塊和電源模塊組成。具體設計如圖2所示。

圖2 物聯網平板車位鎖硬件結構圖

(1)微控制器MCU負責對地磁、藍牙和激光等傳感器數據的預處理，并結合傳感器數據模型實現對車位狀態的判斷、監測和報警處理等，控制NB-IoT通信模組實現無線數據傳輸等[5]。

(2)傳感檢測模塊支持地磁/藍牙/激光感應觸發，如地磁傳感器周期性檢測停車位區域地磁場的變化，當車輛出現時，檢測模塊對區域地磁場進行數據采集[6]。

(3)NB-IoT通信模組提供車位狀態信息數據的傳輸，將從串口獲取的車位參數信息，經由NB-IoT通信網絡發送至數據處理層，并接收服務層參數信息。

(4)電源模塊負責為車位鎖提供穩定電源，支持分布式太陽能充電，使用太陽能電池和鉛酸蓄電池7 AH/12 V。

3 物聯網平板車位鎖云平臺

云平臺是網絡服務的一種新模式，終端用戶能夠借助物聯網獲取信息資源，提供了新的智能城市停車管理的數據驅動智慧交通服務模式。

本文設計的物聯網平板車位鎖云平臺功能如下：

(1)數據采集：實時采集車位狀態信息、車位鎖前端傳感器數據、用戶個人信息、用戶掃碼信息和停車場信息等。

(2)數據處理：處理開鎖邏輯、關鎖邏輯和計費邏輯等。

(3)數據推送：推送預約成功、停車完成、開鎖、關鎖和收費成功等消息到車位鎖客戶端。

(4)數據分析：分析停車行為、駛入行為、駛離行為和車位使用率等數據。

(5)指令服務：發送設置參數、重置設備、遠程升級和控制車位鎖等指令。

(6)報警管理：采集低電、破壞、遇阻、干擾等報警信息，進行警情管理和警情推送等[7]。

4 結語

本文設計并實現了一個基于NB-IoT的物聯網智能平板車位鎖系統，從系統總體架構、系統功能、軟硬件和云平臺的設計進行了詳細說明，并通過實驗對系統的性能指標進行了驗證，證明了該系統的有效性和實用性。與傳統車位鎖系統比較，該系統具有無人值守、組網方式靈活、覆蓋范圍廣、部署簡單和維護成本低等特點，大大提升了車位的管理和使用效率，節約了人力管理資源，有助于推動無人值守停車場和車位共享等未來場景應用，有較高的經濟和社會效益。