基于NB-IoT技術(shù)和地磁傳感器的路邊停車檢測系統(tǒng)＊

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)北京市重點實驗室，北京 100144；2.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035）

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

對于解決停車難的問題，僅僅依靠不斷增加路邊停車位和提高路邊停車價格，不能從根本上解決問題。對于駕駛者來說，讓他們快速找到一個可用停車位，才是最關(guān)鍵的解決辦法。因此，為了緩解停車難的問題，提高路邊停車的智能化勢在必行。

結(jié)合市場上已有的路邊停車方案，綜合考慮無線標(biāo)準(zhǔn)、耗電情況、傳輸準(zhǔn)確率及實際應(yīng)用環(huán)境等方面，本設(shè)計使用了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)合地磁檢測技術(shù)，設(shè)計了以停車位檢測為核心的停車系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)相比組網(wǎng)方式簡單，數(shù)據(jù)管理方便。這些優(yōu)勢對于有效利用路邊的零散車位，提高停車位使用率，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：一類是短距離通信，比如ZigBee、Z-wave及藍(lán)牙等通信；另一類則是傳統(tǒng)3G/4G等長距離通信。短距離通信方式具有低功耗、低成本等優(yōu)勢，但由于其傳輸距離較短，長距離傳輸需要部署多個中繼節(jié)點，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜、穩(wěn)定性較差；長距離通信方式則具有通信覆蓋面廣、傳輸速率高等優(yōu)勢，然而其對設(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)時間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說，NB-IoT設(shè)備電池壽命至少可以延長10年，同時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)就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)在搭建的云平臺上進(jìn)行傳輸（云透傳），連接云平臺透

傳結(jié)構(gòu)如圖1所示，用戶通過UDP、TCP等通信協(xié)議連接云平臺，經(jīng)過規(guī)定的指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)上發(fā)及數(shù)據(jù)讀取，上發(fā)的數(shù)據(jù)一律存儲在NB-IoT云平臺的數(shù)據(jù)庫中。

圖1 云平臺透傳結(jié)構(gòu)圖

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

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由終端節(jié)點、NB-IoT云平臺和外部應(yīng)用軟件組成。由NB-IoT、地磁檢測器和MCU組成的終端節(jié)點部署在停車位中，實時檢測停車位的使用狀態(tài)；同時，車位狀態(tài)信息通過UDP、TCP等通信協(xié)議傳到NB-IoT云平臺；通過NB-IoT云平臺的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

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖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用來檢測車位的使用情況，通過IIC接口與MCU MSP430F5438A通信；NB-IoT模塊BC95-B5通過RS232與MCU MSP430F5438A通信，并將接收到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT技術(shù)傳送到NB-IoT云平臺。

圖3 硬件設(shè)計

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

4.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點程序主要在MCU上完成，地磁傳感器與MCU之間通過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。時間間隔設(shè)置為1 s，喚醒后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，與此同時檢測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NB-IoT模塊發(fā)送到云平臺；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)點軟件流程圖

4.2 NB-IoT通信協(xié)議

本設(shè)計通過COPA協(xié)議實現(xiàn)NB-IoT模塊與云平臺之間的通信。COAP協(xié)議由NB-IoT模塊自動發(fā)送，NB-IoT模塊在首次發(fā)送數(shù)據(jù)時，會先上報一條攜帶NB-IoT模塊的IMEI號注冊包到平臺。所以NB-IoT模組使用COAP接入平臺時，必須以模塊IMEI號來創(chuàng)建設(shè)備。

4.3 應(yīng)用軟件設(shè)計

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

5 測試與分析

選取一實際停車場，隨機(jī)選擇5個停車位，將終端節(jié)點放入車位中，并給這5個停車位編上序號，在每個車位中實驗100次，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。實驗結(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)選擇一個停車位，單獨拿出地磁感應(yīng)裝置進(jìn)行測試。將地磁感應(yīng)裝置按照一定的方向放在停車位中，當(dāng)車駛?cè)霑r記錄磁場的變化量，得到的變化數(shù)據(jù)如表2所示。實驗結(jié)果表明，汽車與地磁感應(yīng)裝置距離保持在0.35 m內(nèi)，且閾值設(shè)為1.4 gauss，可以保證車輛被有效檢測到。

表2 磁場變化量

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檢測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對路邊停車位的實時檢測。本設(shè)計主要通過NB-IoT技術(shù)將停車位信息實時上傳到云平臺。NB-IoT技術(shù)拓?fù)浜唵?，部署成本低。由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)由電信運(yùn)營商經(jīng)營，無需額外部署集中器或網(wǎng)關(guān)，大大降低了設(shè)備升級和系統(tǒng)部署成本。應(yīng)用NB-IoT技術(shù)將車位信息接入云端，實現(xiàn)停車信息的實時發(fā)布，相比3G/4G技術(shù)具有實時、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)勢。本設(shè)計為NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于交通領(lǐng)域提供了一種思路，實現(xiàn)了零散停車位信息的實時檢測，提高了停車位的利用率，在一定程度上緩解了停車難的現(xiàn)象，解決了目前傳統(tǒng)智能停車系統(tǒng)信息錯誤率高等問題，不僅為解決我國現(xiàn)行公共交通問題提出了一種實際有效的產(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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