基于NB-IOT的共享车位锁加装模组方案设计

2018-06-19中国移动通信集团广东有限公司郭志彪

电子世界 2018年11期

中国移动通信集团广东有限公司郭志彪

0.引言

目前，城市停车难已成为常态痛点，中国大多数城市的停车位只达到汽车保有率的1/3，国际通行标准是车位与车的比例为1.2:1[1]。同时，随着共享租车新业态的涌现，车位动态共享需求将进一步加剧。为此，成都市等一些大型城市政府开始推动共享车位资源的政策支持。随着IT、AI、IOT物联网等技术的发展，各地停车设施的智能化改造正在加快，同时也出现了不少的共享车位APP应用。但总体来说，还没有一个城市能够形成一整套系统性创新的解决方案，能够有效兼顾城市管理、业主和车主的整体效益。从技术层面上，随着NB-IOT窄带物联网的出现，电信运营商及科研机构试图从停车场的整体智能化改造角度研究基于NB-IOT的智能停车解决方案，例如：文献[2]中提出一种基于NB-IOT的智能泊车引导系统方案设计，通过“NB-IOT模组（B8频段）+云平台+OTT推送+场内引导应用”来实现车主、停车场、交通管理部门之间的高效联动，并且建立了三个实验点来验证。文献[3]中提出一种基于NBIOT（B5频段）的类似全闭环方案。但上述方案都侧重于大型公共停车场，并没有考虑到大量的私有或半开放式等能够在时间错配上缓解停车难最重要的补充性车位资源。为此，本方案提出一种面向个体或私有化车位的低成本、低功耗的NB-IOT传感控制一体化模组，可快速在已有的车位锁上加装，并通过Restful API模式向共享停车APP平台、政府或个人提供P2P共享有偿服务。

1.整体方案设计

本方案所设计的是一个轻量级的叠加式加装方案，将NB-IOT广域物联通信的低功耗、蓝牙4.0的近场控制交互、超声波等三大核心能力结合在一起，聚焦实现可加装、低成本、低功耗、可P2P分享与集成等四大核心需求。

图1 -整体方案框架

硬件层由BC95 NB-IOT通信模组、蓝牙4.0模块、超声波传感模块和MCU主控模块、锁控模块等五大核心构件组成，NB-IOT主要用于云端数据上报反馈，超声波模块用于车位空闲状态监测，蓝牙模块用于开车位锁控制所需的近场通信，整体外观设计为一个结构紧凑、尺寸轻薄的封装形态。通过云端数据管理后台，以Https协议+Restful API的方式向第三方平台和应用（如政府交管信息平台、共享停车服务APP等）提供实时交互式集成服务。

系统整体架构如图1所示。

2.系统硬件设计

2.1 NB-IOT广域物联模组

采用BC95 NB-IOT集成通信模组，可支持电信850MHZ/中国移动900MHZ/联通1800MHZ等的不同细分型号，BC95部分原理图如图2所示。

BC95的耗流值如表1所示。

表1 -BC模块耗流

图4 -US-100超声波测距模块外观

图5 -超声波测距模组接口

图6 -MCU主控模组

图2 -BC95芯片组原理图

图3 -蓝牙4.0模组

图7 -电源电路图

综合考虑到用户体验（开锁时延）、低功耗、可持续电池续航能力等因素，本应用场景中，只有当车位锁状态、超声波监测状态等发生变化时，才通过NB-IOT发送上行数据（COAP/UDP协议）至云端管理后台，绝大多数情况下处于PSM睡眠状态。

NB-IoT有以下特点：

（1）低功耗：由上表1可以看出NB-IoT模块可以工作在3种状态，以便节约功耗。在PSM模式下最大耗流为 5uA，在IDLE模式下大约为6mA。根据TR45.820的仿真数据，5Wh的电池每天发送200bytes的数据，预计可使用12.8年。故可用于开发部署于不容易布线的车位锁设备。

（2）强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。这就意味着我们可以在一个不太大的空间，放置更多设备而互相又不会有干扰。

（3）广覆盖：将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB。对于地下车库、井盖等网络条件不好的应用场合，NB-IoT比3G/4G无线通信或 433MHz等无线装置更适合于部署。

（4）低成本：无论是模块成本，还是供电、通讯运营成本都比其他无线装置便宜。随着NB-IoT的发展，单个连接模块的预期价格不超过5美元，甚至会低至2美元。

2.2 蓝牙4.0近场通信模组

蓝牙4.0近场通信模组采用CC2540，如图3所示，可实现车位锁开锁APP应用提供近场通信和控制指令加解密传输的应用需求，同时也确保了开锁操作是在近距离进行。为降低能耗开销，本方案设计的平均响应性能为5秒之内开锁。

2.3 超声波模块

采用US-100超声波测距模块（如图4所示），对车位空闲状态进行监测，并通过NB-IOT通信模组同步到云端管理后台，US-100超声波模块的接口如图5。

2.4 MCU主控与锁控模组

由MCU（STM32L151C8T6，如图6）实现传感模块（数据采集与交互），用1个MOS管来实现锁控模块开关，MCU传感模块和锁控模块共同构成一个主控与锁控一体化模组。

2.5 电源与低功耗设计

电源电路设计原理如图7，采用XC6206电源芯片，内置3.7V/5AH锂电池，支持外接5V常规充电器。为了实现整体功耗最小化，首先，NB-IOT模组主要用于唤醒后上报数据，大部分情况下处于PSM睡眠模式，BC95在PSM状态下最大耗流仅为 5uA。能耗较大的开锁过程通过蓝牙4.0进行通信和控制， MCU只在蓝牙配对或超声波模块激活后才启动去控制开锁过程处理，因此整体能耗最小化。

2.6 车位锁集成

考虑到目前市场上的车位锁绝大多数为密封式前装结构，非专家型的业主较难在后向自行改装，同时，用户端也必须使用锁厂提供的专用遥控器或手机APP来操作交互。本方案设计定位是为满足跨应用和P2P模式的车位信息共享与有偿分时使用需求提供一个并行的、叠加式的传控一体化模组，不影响车位锁原有的单点控制模式与体验。所以，我们将提供通用串口线与蓝牙4.0两种车位锁叠加集成，通过锁控输出电路的通用性设计，预设好适配不同车位电子锁的开关接口形态与电气参数。另外，除了可以为车位锁厂商或工程集成商前装阶段提供一个可选的配件（一个通用的植入式模组）外，我们还设计提供了开放接入的云数据管理平台与RESTful API接口，因此可以满足跨应用共享车位服务的需求。

3.系统软件与第三方集成设计

云端后台系统软件整体架构设计如图8，划分为平台级平台（全局账号）和企业级平台（设备级账号），以适应多形态异构设备的接入和开放合作需求。对上游合作方（不同车位锁设备厂商）而言，可通过云端平台创建自有品牌的设备云后台，将加装模组作为一个可选配件的同时，延伸了产品价值链，提升用户体验与粘性。系统将车位状态数据和锁控授权等封装成RESTful API形态，以Https协议方式向第三方提供跨平台的集成服务，可以调用车位状态、蓝牙车位锁控制、状态回调等接口API，用于政府交管信息发布、共享停车位服务等场景化应用。

云端后台系统基于LAMP（Linux+nginx+apache+Mysql+PHP）架构设计，并通过Web服务、通信服务器、数据库服务器和负载均衡服务器等形成多层次的云服务器集群架构，以满足高并发、海量用户场景下的高性能与高可用性。