梁振奇，陳文釗，張雨晨，唐少虎

（1.北方工業(yè)大學(xué) 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100144；2.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035）

隨著我國(guó)城市汽車(chē)保有量的急劇增加，除了道路擁堵外，停車(chē)難的問(wèn)題也日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京每天有35%的車(chē)輛在尋找車(chē)位，這樣就不可避免地帶來(lái)了油耗的增加。與現(xiàn)有的各種各樣的車(chē)庫(kù)停車(chē)技術(shù)不同，由于車(chē)位零散，分布區(qū)域廣等，路邊停車(chē)的智能化程度一直很低。技術(shù)缺失帶來(lái)了一系列的管理問(wèn)題，人工管理成本高、效率低，停車(chē)費(fèi)“跑冒滴漏”現(xiàn)象嚴(yán)重。由于路邊停車(chē)位零散，空車(chē)位無(wú)法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，車(chē)位周轉(zhuǎn)率低。

對(duì)于解決停車(chē)難的問(wèn)題，僅僅依靠不斷增加路邊停車(chē)位和提高路邊停車(chē)價(jià)格，不能從根本上解決問(wèn)題。對(duì)于駕駛者來(lái)說(shuō)，讓他們快速找到一個(gè)可用停車(chē)位，才是最關(guān)鍵的解決辦法。因此，為了緩解停車(chē)難的問(wèn)題，提高路邊停車(chē)的智能化勢(shì)在必行。

結(jié)合市場(chǎng)上已有的路邊停車(chē)方案，綜合考慮無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)、耗電情況、傳輸準(zhǔn)確率及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等方面，本設(shè)計(jì)使用了NB-IoT（窄帶寬物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，該技術(shù)支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，并結(jié)合地磁檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了以停車(chē)位檢測(cè)為核心的停車(chē)系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)相比組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)管理方便。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于有效利用路邊的零散車(chē)位，提高停車(chē)位使用率，建立良好的交通環(huán)境和秩序有著重要的意義。

1 NB-IoT技術(shù)

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是短距離通信，比如ZigBee、Z-wave及藍(lán)牙等通信；另一類(lèi)則是傳統(tǒng)3G/4G等長(zhǎng)距離通信。短距離通信方式具有低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，但由于其傳輸距離較短，長(zhǎng)距離傳輸需要部署多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜、穩(wěn)定性較差；長(zhǎng)距離通信方式則具有通信覆蓋面廣、傳輸速率高等優(yōu)勢(shì)，然而其對(duì)設(shè)備能量消耗大，不適合作為底層物聯(lián)網(wǎng)通信方式。為了解決現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)傳輸距離與能量消耗之間的矛盾，低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

NB-IoT是IoT領(lǐng)域一種新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說(shuō)，NB-IoT設(shè)備電池壽命至少可以延長(zhǎng)10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。NB-IoT最核心的技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在搭建的云平臺(tái)上進(jìn)行傳輸（云透?jìng)鳎?，連接云平臺(tái)透

傳結(jié)構(gòu)如圖1所示，用戶通過(guò)UDP、TCP等通信協(xié)議連接云平臺(tái)，經(jīng)過(guò)規(guī)定的指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上發(fā)及數(shù)據(jù)讀取，上發(fā)的數(shù)據(jù)一律存儲(chǔ)在NB-IoT云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1 云平臺(tái)透?jìng)鹘Y(jié)構(gòu)圖

與目前傳統(tǒng)的智能停車(chē)方案相比，NB-IoT解決方案使用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋，無(wú)需額外增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在建網(wǎng)成本上具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。在空曠、難以布線、立桿等區(qū)域，NB-IoT技術(shù)的廣覆蓋、深覆蓋等特點(diǎn)很好地解決了基建帶來(lái)的額外成本問(wèn)題。同時(shí)，由于NB-IoT使用授權(quán)頻段，免去了使用公共頻段技術(shù)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由終端節(jié)點(diǎn)、NB-IoT云平臺(tái)和外部應(yīng)用軟件組成。由NB-IoT、地磁檢測(cè)器和MCU組成的終端節(jié)點(diǎn)部署在停車(chē)位中，實(shí)時(shí)檢測(cè)停車(chē)位的使用狀態(tài)；同時(shí)，車(chē)位狀態(tài)信息通過(guò)UDP、TCP等通信協(xié)議傳到NB-IoT云平臺(tái)；通過(guò)NB-IoT云平臺(tái)的API將數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用軟件。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，主要由MCU MSP430F5438A、地磁傳感器HMC5883、NB-IoT模塊BC95-B5組成。地磁傳感器HMC5883用來(lái)檢測(cè)車(chē)位的使用情況，通過(guò)IIC接口與MCU MSP430F5438A通信；NB-IoT模塊BC95-B5通過(guò)RS232與MCU MSP430F5438A通信，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT技術(shù)傳送到NB-IoT云平臺(tái)。

圖3 硬件設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分主要包括終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)、NB-IoT通信協(xié)議及應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

4.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)程序主要在MCU上完成，地磁傳感器與MCU之間通過(guò)IIC通信，NB-IoT模塊與MCU之間采用RS232通信。MCU采用睡眠—喚醒—睡眠的循環(huán)工作模式，從而達(dá)到降低功耗的目的。時(shí)間間隔設(shè)置為1 s，喚醒后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，與此同時(shí)檢測(cè)地磁傳感器收集的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。若發(fā)生變化，則將數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送到云平臺(tái)；否則，繼續(xù)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，等待再一次被喚醒。軟件流程如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4.2 NB-IoT通信協(xié)議

本設(shè)計(jì)通過(guò)COPA協(xié)議實(shí)現(xiàn)NB-IoT模塊與云平臺(tái)之間的通信。COAP協(xié)議由NB-IoT模塊自動(dòng)發(fā)送，NB-IoT模塊在首次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)先上報(bào)一條攜帶NB-IoT模塊的IMEI號(hào)注冊(cè)包到平臺(tái)。所以NB-IoT模組使用COAP接入平臺(tái)時(shí)，必須以模塊IMEI號(hào)來(lái)創(chuàng)建設(shè)備。

4.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

NB-IoT云平臺(tái)設(shè)置了開(kāi)放的API，可以根據(jù)需求開(kāi)發(fā)例如自助繳費(fèi)、誘導(dǎo)停車(chē)等不同功能的應(yīng)用軟件，進(jìn)而更好地滿足運(yùn)營(yíng)者的差異化要求。

5 測(cè)試與分析

選取一實(shí)際停車(chē)場(chǎng)，隨機(jī)選擇5個(gè)停車(chē)位，將終端節(jié)點(diǎn)放入車(chē)位中，并給這5個(gè)停車(chē)位編上序號(hào)，在每個(gè)車(chē)位中實(shí)驗(yàn)100次，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高達(dá)99%.

表1 丟包率

隨機(jī)選擇一個(gè)停車(chē)位，單獨(dú)拿出地磁感應(yīng)裝置進(jìn)行測(cè)試。將地磁感應(yīng)裝置按照一定的方向放在停車(chē)位中，當(dāng)車(chē)駛?cè)霑r(shí)記錄磁場(chǎng)的變化量，得到的變化數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，汽車(chē)與地磁感應(yīng)裝置距離保持在0.35 m內(nèi)，且閾值設(shè)為1.4 gauss，可以保證車(chē)輛被有效檢測(cè)到。

表2 磁場(chǎng)變化量

6 結(jié)論

本文將NB-IoT技術(shù)與MSP430F5438A單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，完成了基于NB-IoT技術(shù)和地磁傳感器的路邊停車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路邊停車(chē)位的實(shí)時(shí)檢測(cè)。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)NB-IoT技術(shù)將停車(chē)位信息實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)。NB-IoT技術(shù)拓?fù)浜?jiǎn)單，部署成本低。由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)由電信運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)，無(wú)需額外部署集中器或網(wǎng)關(guān)，大大降低了設(shè)備升級(jí)和系統(tǒng)部署成本。應(yīng)用NB-IoT技術(shù)將車(chē)位信息接入云端，實(shí)現(xiàn)停車(chē)信息的實(shí)時(shí)發(fā)布，相比3G/4G技術(shù)具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)為NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域提供了一種思路，實(shí)現(xiàn)了零散停車(chē)位信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高了停車(chē)位的利用率，在一定程度上緩解了停車(chē)難的現(xiàn)象，解決了目前傳統(tǒng)智能停車(chē)系統(tǒng)信息錯(cuò)誤率高等問(wèn)題，不僅為解決我國(guó)現(xiàn)行公共交通問(wèn)題提出了一種實(shí)際有效的產(chǎn)品，還為其他需要組網(wǎng)的通訊產(chǎn)品提供了一種行之有效的思路。

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