薄曉鳴

（中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西太原030051）

0 引言

城市土地資源的日益稀缺以及機(jī)動車總量的逐年攀升，使車輛?？抗芾淼碾y度不斷加大。傳統(tǒng)停車位、機(jī)械式停車位與車主的信息不對稱，導(dǎo)致停車位的周轉(zhuǎn)率較低，急需一種融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)技術(shù)于一體的智能停車監(jiān)控系統(tǒng)來提高城市停車位的周轉(zhuǎn)率，有效避免停車場排隊(duì)時間過長、停車位空置率高等問題。

2014年，NB-IoT技術(shù)由我國華為公司最早提出，是一種應(yīng)用廣泛的窄帶無線通信技術(shù)，其成本、功耗低，能同時進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)連接，在智慧城市建設(shè)中得到了大量的運(yùn)用。該系統(tǒng)可以綜合成本和使用壽命等因素，運(yùn)用超聲波傳感器與三軸磁場傳感器相結(jié)合的方式進(jìn)行車位數(shù)據(jù)采集，利用NB-IoT通信技術(shù)將返回信息發(fā)送至監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行信息更新，然后通過移動互聯(lián)技術(shù)發(fā)送至使用者的移動終端，最終實(shí)現(xiàn)對停車位的高效管理。

1 智能停車監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)自下而上由數(shù)據(jù)傳感采集層、NB-IoT數(shù)據(jù)通信交互層、數(shù)據(jù)應(yīng)用存儲層和用戶應(yīng)用層4層組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能停車監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

最底層為數(shù)據(jù)傳感采集層，其中，智能云臺圖像傳感器進(jìn)行圖像采集，超聲波傳感器負(fù)責(zé)車位距離的測量，而三軸磁場傳感器則用于車位空置數(shù)據(jù)的收集，最終將各傳感器的數(shù)據(jù)匯聚至NB-IoT模塊。NB-IoT數(shù)據(jù)通信交互層的通信發(fā)射基站負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)傳感采集層的數(shù)據(jù)并通過窄帶通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅B-IoT的核心網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)應(yīng)用存儲層后，監(jiān)測調(diào)度軟件對SQL數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終反饋給用戶應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)應(yīng)用存儲層可以利用停車位大數(shù)據(jù)，給用戶推薦附近空置率較高的停車場，讓空置車位能夠得到有效利用。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件部分主要由嵌入式控制單片機(jī)、電源模塊、傳感器模塊、NB-IoT模塊組和NB-IoT基站5個部分組成。系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

嵌入式控制單片機(jī)選用了意法半導(dǎo)體集團(tuán)的STM32F103增強(qiáng)型芯片系列，具有超低功率、集成多種通信接口、擁有上百個I/O接口等優(yōu)點(diǎn)，能滿足不同的設(shè)計(jì)要求。

電源模塊為硬件部分提供低壓電源，保證硬件設(shè)備的正常運(yùn)行。電源模塊的輸出電壓需根據(jù)每個模塊的不同需求提供2.16～4.2 V的電壓，以保證硬件部分所有模塊的正常運(yùn)行。

三軸磁場傳感器使用霍尼韋爾公司的HMC5883L，磁場暴露分辨率達(dá)到2 mG，方位角分辨精度可以精確到1°。此傳感器為貼面?zhèn)鞲衅?，易安裝維護(hù)，運(yùn)用其自帶的集成電路總線通信協(xié)議將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)傳輸至NB-IoT模塊組進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，通過基站傳送給核心網(wǎng)絡(luò)。

超聲波傳感器被應(yīng)用到智能停車監(jiān)測系統(tǒng)的測距上，其測量數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，能保證車輛的安全。

NB-IoT模塊組是該系統(tǒng)硬件部分的核心組件，由于該技術(shù)由我國華為公司最早提出，所以我國的大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都采用了以華為海思芯片為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的BC95模塊。此模塊能直接用于2G、3G、4G移動網(wǎng)絡(luò)的連接，將其運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)可使系統(tǒng)的升級更簡便且成本更低，因此其在窄帶廣域網(wǎng)的通信數(shù)據(jù)中連接具有很大的優(yōu)勢，該模塊還具有待機(jī)時間較長、能進(jìn)行高效連接等優(yōu)點(diǎn)。

NB-IoT基站負(fù)責(zé)移動通信網(wǎng)絡(luò)和UE之間COAP和UDP協(xié)議的通信管理。最重要的是其覆蓋能力達(dá)到164 dB，能有效覆蓋地下車庫、地下室等GPRS和LTE信號難以覆蓋的地方。

3 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

通過智能停車監(jiān)控系統(tǒng)需求調(diào)研與最終用戶的問卷調(diào)查，智能停車監(jiān)控系統(tǒng)的功能模塊分為五大部分。（1）車位實(shí)時地理位置定位模塊，通過實(shí)時定位自動搜索周邊的空置車位，選擇合適的停車場后能自動顯示空置車位的編號。在此過程中，要充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，使其能夠快速搜集信息并進(jìn)行高效運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時顯示。（2）人機(jī)移動互聯(lián)交互模塊，此模塊中需要考慮到當(dāng)下流行的支付寶/微信小程序，還應(yīng)根據(jù)智能停車監(jiān)控規(guī)模的大小制作手機(jī)和平板設(shè)備的APP。（3）提供車輛引導(dǎo)的接口模塊，將其與各大地圖軟件進(jìn)行連接，并謀求與城市智慧引導(dǎo)屏的連接，通過將停車監(jiān)測系統(tǒng)中的車位空置信息向周邊道路的智慧顯示大屏擴(kuò)散，來提高車位的周轉(zhuǎn)率。（4）智能停車收費(fèi)模塊，該模塊需支持現(xiàn)在主流的各種移動支付方式并與小程序進(jìn)行有效結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)無感支付的同時也需要保留人工收費(fèi)的操作界面，讓未開通移動支付的用戶也能享受智能停車監(jiān)測系統(tǒng)的便利。（5）車輛監(jiān)測算法模塊，此模塊是NB-IoT智能停車監(jiān)測系統(tǒng)的核心算法模塊，其主要思想是挑選多個磁場分量或強(qiáng)度，依次計(jì)算磁場數(shù)據(jù)與車位忙閑數(shù)據(jù)的差值，通過對比差異得知車位是否空置。

4 智能停車監(jiān)測公有云平臺框架

智能停車監(jiān)測系統(tǒng)要想在智慧城市的建設(shè)過程中發(fā)揮更大的作用，需要借助公有云平臺將城市停車位大數(shù)據(jù)和城市停車需求大數(shù)據(jù)結(jié)合起來，通過實(shí)現(xiàn)停車位的錯峰調(diào)度，平衡城市停車位空置與停車難之間的矛盾。公有云平臺的建立，一方面需鼓勵各個停車場將各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，另一方面也要打造誠信、快捷的停車信用和支付系統(tǒng)。同時，鼓勵私家車位將空置車位進(jìn)行有償租賃，不僅能讓車位擁有者利用車位空置時間獲得收益，還能緩解周邊上班族停車難的問題。各個停車場實(shí)時發(fā)送停車位使用率至NB-IoT基站，然后匯總發(fā)送至云平臺，用戶可以通過云客戶端或者小程序進(jìn)行實(shí)時查詢，并根據(jù)計(jì)算的最優(yōu)路徑進(jìn)行選擇。私家車位的擁有者也能在自家車位安裝智能鎖，設(shè)置車位空閑時間并發(fā)送至云平臺，提供閑時租賃服務(wù)。

5 結(jié)語

“讓停車位萬物聯(lián)動，讓用戶便捷停車”是基于NB-IoT的智能停車監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。在杭州等地，智能停車監(jiān)測公有云系統(tǒng)已逐步建成，相信在相關(guān)人員的不斷努力和探索下，更便捷、更高效、更低廉的智能停車監(jiān)測系統(tǒng)必將誕生，城市停車難問題將逐步得到緩解。