中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司 郭志彪

0.引言

目前，城市停車難已成為常態(tài)痛點，中國大多數(shù)城市的停車位只達(dá)到汽車保有率的1/3，國際通行標(biāo)準(zhǔn)是車位與車的比例為1.2:1[1]。同時，隨著共享租車新業(yè)態(tài)的涌現(xiàn)，車位動態(tài)共享需求將進(jìn)一步加劇。為此，成都市等一些大型城市政府開始推動共享車位資源的政策支持。隨著IT、AI、IOT物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，各地停車設(shè)施的智能化改造正在加快，同時也出現(xiàn)了不少的共享車位APP應(yīng)用。但總體來說，還沒有一個城市能夠形成一整套系統(tǒng)性創(chuàng)新的解決方案，能夠有效兼顧城市管理、業(yè)主和車主的整體效益。從技術(shù)層面上，隨著NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，電信運營商及科研機(jī)構(gòu)試圖從停車場的整體智能化改造角度研究基于NB-IOT的智能停車解決方案，例如：文獻(xiàn)[2]中提出一種基于NB-IOT的智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)方案設(shè)計，通過“NB-IOT模組（B8頻段）+云平臺+OTT推送+場內(nèi)引導(dǎo)應(yīng)用”來實現(xiàn)車主、停車場、交通管理部門之間的高效聯(lián)動，并且建立了三個實驗點來驗證。文獻(xiàn)[3]中提出一種基于NBIOT（B5頻段）的類似全閉環(huán)方案。但上述方案都側(cè)重于大型公共停車場，并沒有考慮到大量的私有或半開放式等能夠在時間錯配上緩解停車難最重要的補(bǔ)充性車位資源。為此，本方案提出一種面向個體或私有化車位的低成本、低功耗的NB-IOT傳感控制一體化模組，可快速在已有的車位鎖上加裝，并通過Restful API模式向共享停車APP平臺、政府或個人提供P2P共享有償服務(wù)。

1.整體方案設(shè)計

本方案所設(shè)計的是一個輕量級的疊加式加裝方案，將NB-IOT廣域物聯(lián)通信的低功耗、藍(lán)牙4.0的近場控制交互、超聲波等三大核心能力結(jié)合在一起，聚焦實現(xiàn)可加裝、低成本、低功耗、可P2P分享與集成等四大核心需求。

圖1 -整體方案框架

硬件層由BC95 NB-IOT通信模組、藍(lán)牙4.0模塊、超聲波傳感模塊和MCU主控模塊、鎖控模塊等五大核心構(gòu)件組成，NB-IOT主要用于云端數(shù)據(jù)上報反饋，超聲波模塊用于車位空閑狀態(tài)監(jiān)測，藍(lán)牙模塊用于開車位鎖控制所需的近場通信，整體外觀設(shè)計為一個結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸輕薄的封裝形態(tài)。通過云端數(shù)據(jù)管理后臺，以Https協(xié)議+Restful API的方式向第三方平臺和應(yīng)用（如政府交管信息平臺、共享停車服務(wù)APP等）提供實時交互式集成服務(wù)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 NB-IOT廣域物聯(lián)模組

采用BC95 NB-IOT集成通信模組，可支持電信850MHZ/中國移動900MHZ/聯(lián)通1800MHZ等的不同細(xì)分型號，BC95部分原理圖如圖2所示。

BC95的耗流值如表1所示。

表1 -BC模塊耗流

圖4 -US-100超聲波測距模塊外觀

圖5 -超聲波測距模組接口

圖6 -MCU主控模組

圖2 -BC95芯片組原理圖

圖3 -藍(lán)牙4.0模組

圖7 -電源電路圖

綜合考慮到用戶體驗（開鎖時延）、低功耗、可持續(xù)電池續(xù)航能力等因素，本應(yīng)用場景中，只有當(dāng)車位鎖狀態(tài)、超聲波監(jiān)測狀態(tài)等發(fā)生變化時，才通過NB-IOT發(fā)送上行數(shù)據(jù)（COAP/UDP協(xié)議）至云端管理后臺，絕大多數(shù)情況下處于PSM睡眠狀態(tài)。

NB-IoT有以下特點：

（1）低功耗：由上表1可以看出NB-IoT模塊可以工作在3種狀態(tài)，以便節(jié)約功耗。在PSM模式下最大耗流為 5uA，在IDLE模式下大約為6mA。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，5Wh的電池每天發(fā)送200bytes的數(shù)據(jù)，預(yù)計可使用12.8年。故可用于開發(fā)部署于不容易布線的車位鎖設(shè)備。

（2）強(qiáng)鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。這就意味著我們可以在一個不太大的空間，放置更多設(shè)備而互相又不會有干擾。

（3）廣覆蓋：將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB。對于地下車庫、井蓋等網(wǎng)絡(luò)條件不好的應(yīng)用場合，NB-IoT比3G/4G無線通信或 433MHz等無線裝置更適合于部署。

（4）低成本：無論是模塊成本，還是供電、通訊運營成本都比其他無線裝置便宜。隨著NB-IoT的發(fā)展，單個連接模塊的預(yù)期價格不超過5美元，甚至?xí)椭?美元。

2.2 藍(lán)牙4.0近場通信模組

藍(lán)牙4.0近場通信模組采用CC2540，如圖3所示，可實現(xiàn)車位鎖開鎖APP應(yīng)用提供近場通信和控制指令加解密傳輸?shù)膽?yīng)用需求，同時也確保了開鎖操作是在近距離進(jìn)行。為降低能耗開銷，本方案設(shè)計的平均響應(yīng)性能為5秒之內(nèi)開鎖。

2.3 超聲波模塊

采用US-100超聲波測距模塊（如圖4所示），對車位空閑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并通過NB-IOT通信模組同步到云端管理后臺，US-100超聲波模塊的接口如圖5。

2.4 MCU主控與鎖控模組

由MCU（STM32L151C8T6，如圖6）實現(xiàn)傳感模塊（數(shù)據(jù)采集與交互），用1個MOS管來實現(xiàn)鎖控模塊開關(guān)，MCU傳感模塊和鎖控模塊共同構(gòu)成一個主控與鎖控一體化模組。

2.5 電源與低功耗設(shè)計

電源電路設(shè)計原理如圖7，采用XC6206電源芯片，內(nèi)置3.7V/5AH鋰電池，支持外接5V常規(guī)充電器。為了實現(xiàn)整體功耗最小化，首先，NB-IOT模組主要用于喚醒后上報數(shù)據(jù)，大部分情況下處于PSM睡眠模式，BC95在PSM狀態(tài)下最大耗流僅為 5uA。能耗較大的開鎖過程通過藍(lán)牙4.0進(jìn)行通信和控制， MCU只在藍(lán)牙配對或超聲波模塊激活后才啟動去控制開鎖過程處理，因此整體能耗最小化。

2.6 車位鎖集成

考慮到目前市場上的車位鎖絕大多數(shù)為密封式前裝結(jié)構(gòu)，非專家型的業(yè)主較難在后向自行改裝，同時，用戶端也必須使用鎖廠提供的專用遙控器或手機(jī)APP來操作交互。本方案設(shè)計定位是為滿足跨應(yīng)用和P2P模式的車位信息共享與有償分時使用需求提供一個并行的、疊加式的傳控一體化模組，不影響車位鎖原有的單點控制模式與體驗。所以，我們將提供通用串口線與藍(lán)牙4.0兩種車位鎖疊加集成，通過鎖控輸出電路的通用性設(shè)計，預(yù)設(shè)好適配不同車位電子鎖的開關(guān)接口形態(tài)與電氣參數(shù)。另外，除了可以為車位鎖廠商或工程集成商前裝階段提供一個可選的配件（一個通用的植入式模組）外，我們還設(shè)計提供了開放接入的云數(shù)據(jù)管理平臺與RESTful API接口，因此可以滿足跨應(yīng)用共享車位服務(wù)的需求。

3.系統(tǒng)軟件與第三方集成設(shè)計

云端后臺系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)設(shè)計如圖8，劃分為平臺級平臺（全局賬號）和企業(yè)級平臺（設(shè)備級賬號），以適應(yīng)多形態(tài)異構(gòu)設(shè)備的接入和開放合作需求。對上游合作方（不同車位鎖設(shè)備廠商）而言，可通過云端平臺創(chuàng)建自有品牌的設(shè)備云后臺，將加裝模組作為一個可選配件的同時，延伸了產(chǎn)品價值鏈，提升用戶體驗與粘性。系統(tǒng)將車位狀態(tài)數(shù)據(jù)和鎖控授權(quán)等封裝成RESTful API形態(tài)，以Https協(xié)議方式向第三方提供跨平臺的集成服務(wù)，可以調(diào)用車位狀態(tài)、藍(lán)牙車位鎖控制、狀態(tài)回調(diào)等接口API，用于政府交管信息發(fā)布、共享停車位服務(wù)等場景化應(yīng)用。

云端后臺系統(tǒng)基于LAMP（Linux+nginx+apache+Mysql+PHP）架構(gòu)設(shè)計，并通過Web服務(wù)、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和負(fù)載均衡服務(wù)器等形成多層次的云服務(wù)器集群架構(gòu)，以滿足高并發(fā)、海量用戶場景下的高性能與高可用性。

圖8 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.原型調(diào)試結(jié)果

為驗證本方案的設(shè)計效果，我們以NB-IOT物聯(lián)卡（850MHZ頻段）及NB-IOT設(shè)備調(diào)試系統(tǒng)（如圖9）來進(jìn)行簡潔原型的測試，NB-IOT平均數(shù)據(jù)傳輸時延為2-5秒之間。另外，藍(lán)牙近場無線開鎖的平均響應(yīng)時間在5秒之內(nèi)。

圖9 NB-IOT調(diào)試界面

5.小結(jié)

針對城市停車難的廣泛性民生痛點，本文提出一種低成本、低功耗的輕量級加裝方案，可在車位鎖基礎(chǔ)上簡捷加裝的NB-IOT傳感控制一體化模組，結(jié)合NB-IOT低功耗通信、超聲波車位傳感、藍(lán)牙4.0近場控制、云端數(shù)據(jù)平臺與API開放服務(wù)，為車位信息和資源共享使用提供了一套可實施的高可用性智能解決方案。

[1]王宏禮.大城市停車難問題淺析[J].甘肅科技,2011(3).

[2]曾國良,張廣焯,薛冰瑩,郭方.基于NB_IOT的智能泊車誘導(dǎo)系統(tǒng)及方法[J].電信技術(shù),2017(7).

[3]董玉榮,聶云峰.基于NB-IoT的智慧停車系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,31(3).