基于NB-IoT技术和地磁传感器的路边停车检测系统＊

梁振奇，陈文钊，张雨晨，唐少虎

（1.北方工业大学 城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，北京 100144；2.北京城市系统工程研究中心，北京 100035）

随着我国城市汽车保有量的急剧增加，除了道路拥堵外，停车难的问题也日益凸显。据统计，北京每天有35%的车辆在寻找车位，这样就不可避免地带来了油耗的增加。与现有的各种各样的车库停车技术不同，由于车位零散，分布区域广等，路边停车的智能化程度一直很低。技术缺失带来了一系列的管理问题，人工管理成本高、效率低，停车费“跑冒滴漏”现象严重。由于路边停车位零散，空车位无法及时被发现，车位周转率低。

对于解决停车难的问题，仅仅依靠不断增加路边停车位和提高路边停车价格，不能从根本上解决问题。对于驾驶者来说，让他们快速找到一个可用停车位，才是最关键的解决办法。因此，为了缓解停车难的问题，提高路边停车的智能化势在必行。

结合市场上已有的路边停车方案，综合考虑无线标准、耗电情况、传输准确率及实际应用环境等方面，本设计使用了NB-IoT（窄带宽物联网）技术，该技术支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，并结合地磁检测技术，设计了以停车位检测为核心的停车系统。该系统与现有系统相比组网方式简单，数据管理方便。这些优势对于有效利用路边的零散车位，提高停车位使用率，建立良好的交通环境和秩序有着重要的意义。

1 NB-IoT技术

传统的物联网通信技术主要分为两类：一类是短距离通信，比如ZigBee、Z-wave及蓝牙等通信；另一类则是传统3G/4G等长距离通信。短距离通信方式具有低功耗、低成本等优势，但由于其传输距离较短，长距离传输需要部署多个中继节点，因此网络拓扑复杂、稳定性较差；长距离通信方式则具有通信覆盖面广、传输速率高等优势，然而其对设备能量消耗大，不适合作为底层物联网通信方式。为了解决现有物联网通信技术传输距离与能量消耗之间的矛盾，低功耗广域网（LPWA）通信技术应运而生。

NB-IoT是IoT领域一种新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说，NB-IoT设备电池寿命至少可以延长10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。NB-IoT最核心的技术就是实现数据在搭建的云平台上进行传输（云透传），连接云平台透

传结构如图1所示，用户通过UDP、TCP等通信协议连接云平台，经过规定的指令实现数据上发及数据读取，上发的数据一律存储在NB-IoT云平台的数据库中。

图1 云平台透传结构图

与目前传统的智能停车方案相比，NB-IoT解决方案使用运营商网络覆盖，无需额外增加网络设备，在建网成本上具有领先优势。在空旷、难以布线、立杆等区域，NB-IoT技术的广覆盖、深覆盖等特点很好地解决了基建带来的额外成本问题。同时，由于NB-IoT使用授权频段，免去了使用公共频段技术带来的网络干扰问题。

2 系统总体结构设计

系统总体结构如图2所示，由终端节点、NB-IoT云平台和外部应用软件组成。由NB-IoT、地磁检测器和MCU组成的终端节点部署在停车位中，实时检测停车位的使用状态；同时，车位状态信息通过UDP、TCP等通信协议传到NB-IoT云平台；通过NB-IoT云平台的API将数据提供给应用软件。

图2 系统总体结构

3 系统硬件设计

本系统的硬件设计如图3所示，主要由MCU MSP430F5438A、地磁传感器HMC5883、NB-IoT模块BC95-B5组成。地磁传感器HMC5883用来检测车位的使用情况，通过IIC接口与MCU MSP430F5438A通信；NB-IoT模块BC95-B5通过RS232与MCU MSP430F5438A通信，并将接收到的数据通过NB-IoT技术传送到NB-IoT云平台。

图3 硬件设计

4 系统软件设计

该系统的软件部分主要包括终端节点的软件设计、NB-IoT通信协议及应用软件的设计。

4.1 终端节点软件设计

终端节点程序主要在MCU上完成，地磁传感器与MCU之间通过IIC通信，NB-IoT模块与MCU之间采用RS232通信。MCU采用睡眠—唤醒—睡眠的循环工作模式，从而达到降低功耗的目的。时间间隔设置为1 s，唤醒后进行系统自检，与此同时检测地磁传感器收集的数据是否发生变化。若发生变化，则将数据通过NB-IoT模块发送到云平台；否则，继续转入睡眠状态，等待再一次被唤醒。软件流程如图4所示。

图4 终端节点软件流程图

4.2 NB-IoT通信协议

本设计通过COPA协议实现NB-IoT模块与云平台之间的通信。COAP协议由NB-IoT模块自动发送，NB-IoT模块在首次发送数据时，会先上报一条携带NB-IoT模块的IMEI号注册包到平台。所以NB-IoT模组使用COAP接入平台时，必须以模块IMEI号来创建设备。

4.3 应用软件设计

NB-IoT云平台设置了开放的API，可以根据需求开发例如自助缴费、诱导停车等不同功能的应用软件，进而更好地满足运营者的差异化要求。

5 测试与分析

选取一实际停车场，随机选择5个停车位，将终端节点放入车位中，并给这5个停车位编上序号，在每个车位中实验100次，记录数据如表1所示。实验结果表明，数据传输稳定性高达99%.

表1 丢包率

随机选择一个停车位，单独拿出地磁感应装置进行测试。将地磁感应装置按照一定的方向放在停车位中，当车驶入时记录磁场的变化量，得到的变化数据如表2所示。实验结果表明，汽车与地磁感应装置距离保持在0.35 m内，且阈值设为1.4 gauss，可以保证车辆被有效检测到。

表2 磁场变化量

6 结论

本文将NB-IoT技术与MSP430F5438A单片机系统相结合，完成了基于NB-IoT技术和地磁传感器的路边停车检测系统的设计，实现了对路边停车位的实时检测。本设计主要通过NB-IoT技术将停车位信息实时上传到云平台。NB-IoT技术拓扑简单，部署成本低。由于NB-IoT网络由电信运营商经营，无需额外部署集中器或网关，大大降低了设备升级和系统部署成本。应用NB-IoT技术将车位信息接入云端，实现停车信息的实时发布，相比3G/4G技术具有实时、准确、可靠等优势。本设计为NB-IoT技术应用于交通领域提供了一种思路，实现了零散停车位信息的实时检测，提高了停车位的利用率，在一定程度上缓解了停车难的现象，解决了目前传统智能停车系统信息错误率高等问题，不仅为解决我国现行公共交通问题提出了一种实际有效的产品，还为其他需要组网的通讯产品提供了一种行之有效的思路。

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