基于NB-IoT的智能停车监测系统设计与实现

薄晓鸣

（中北大学电气与控制工程学院，山西太原030051）

0 引言

城市土地资源的日益稀缺以及机动车总量的逐年攀升，使车辆停靠管理的难度不断加大。传统停车位、机械式停车位与车主的信息不对称，导致停车位的周转率较低，急需一种融合物联网、大数据和移动互联技术于一体的智能停车监控系统来提高城市停车位的周转率，有效避免停车场排队时间过长、停车位空置率高等问题。

2014年，NB-IoT技术由我国华为公司最早提出，是一种应用广泛的窄带无线通信技术，其成本、功耗低，能同时进行大量的数据连接，在智慧城市建设中得到了大量的运用。该系统可以综合成本和使用寿命等因素，运用超声波传感器与三轴磁场传感器相结合的方式进行车位数据采集，利用NB-IoT通信技术将返回信息发送至监测系统服务器，由服务器进行信息更新，然后通过移动互联技术发送至使用者的移动终端，最终实现对停车位的高效管理。

1 智能停车监控系统的总体架构设计

该系统自下而上由数据传感采集层、NB-IoT数据通信交互层、数据应用存储层和用户应用层4层组成。系统总体架构如图1所示。

图1 智能停车监控系统架构

最底层为数据传感采集层，其中，智能云台图像传感器进行图像采集，超声波传感器负责车位距离的测量，而三轴磁场传感器则用于车位空置数据的收集，最终将各传感器的数据汇聚至NB-IoT模块。NB-IoT数据通信交互层的通信发射基站负责接收数据传感采集层的数据并通过窄带通信技术将数据传输到NB-IoT的核心网络。在数据进入数据应用存储层后，监测调度软件对SQL数据库中存储的数据进行分析，最终反馈给用户应用层。在数据应用存储层可以利用停车位大数据，给用户推荐附近空置率较高的停车场，让空置车位能够得到有效利用。

2 系统硬件部分设计

该系统的硬件部分主要由嵌入式控制单片机、电源模块、传感器模块、NB-IoT模块组和NB-IoT基站5个部分组成。系统硬件部分设计如图2所示。

图2 系统硬件部分设计

嵌入式控制单片机选用了意法半导体集团的STM32F103增强型芯片系列，具有超低功率、集成多种通信接口、拥有上百个I/O接口等优点，能满足不同的设计要求。

电源模块为硬件部分提供低压电源，保证硬件设备的正常运行。电源模块的输出电压需根据每个模块的不同需求提供2.16～4.2 V的电压，以保证硬件部分所有模块的正常运行。

三轴磁场传感器使用霍尼韦尔公司的HMC5883L，磁场暴露分辨率达到2 mG，方位角分辨精度可以精确到1°。此传感器为贴面传感器，易安装维护，运用其自带的集成电路总线通信协议将数据通过单片机传输至NB-IoT模块组进行处理，处理后的数据发送至基站，通过基站传送给核心网络。

超声波传感器被应用到智能停车监测系统的测距上，其测量数据较为精准，能保证车辆的安全。

NB-IoT模块组是该系统硬件部分的核心组件，由于该技术由我国华为公司最早提出，所以我国的大多数物联网设备都采用了以华为海思芯片为设计基础的BC95模块。此模块能直接用于2G、3G、4G移动网络的连接，将其运用于物联网可使系统的升级更简便且成本更低，因此其在窄带广域网的通信数据中连接具有很大的优势，该模块还具有待机时间较长、能进行高效连接等优点。

NB-IoT基站负责移动通信网络和UE之间COAP和UDP协议的通信管理。最重要的是其覆盖能力达到164 dB，能有效覆盖地下车库、地下室等GPRS和LTE信号难以覆盖的地方。

3 软件功能模块设计

通过智能停车监控系统需求调研与最终用户的问卷调查，智能停车监控系统的功能模块分为五大部分。（1）车位实时地理位置定位模块，通过实时定位自动搜索周边的空置车位，选择合适的停车场后能自动显示空置车位的编号。在此过程中，要充分运用大数据和数据仓库技术，使其能够快速搜集信息并进行高效运算，实现信息实时显示。（2）人机移动互联交互模块，此模块中需要考虑到当下流行的支付宝/微信小程序，还应根据智能停车监控规模的大小制作手机和平板设备的APP。（3）提供车辆引导的接口模块，将其与各大地图软件进行连接，并谋求与城市智慧引导屏的连接，通过将停车监测系统中的车位空置信息向周边道路的智慧显示大屏扩散，来提高车位的周转率。（4）智能停车收费模块，该模块需支持现在主流的各种移动支付方式并与小程序进行有效结合，在实现无感支付的同时也需要保留人工收费的操作界面，让未开通移动支付的用户也能享受智能停车监测系统的便利。（5）车辆监测算法模块，此模块是NB-IoT智能停车监测系统的核心算法模块，其主要思想是挑选多个磁场分量或强度，依次计算磁场数据与车位忙闲数据的差值，通过对比差异得知车位是否空置。

4 智能停车监测公有云平台框架

智能停车监测系统要想在智慧城市的建设过程中发挥更大的作用，需要借助公有云平台将城市停车位大数据和城市停车需求大数据结合起来，通过实现停车位的错峰调度，平衡城市停车位空置与停车难之间的矛盾。公有云平台的建立，一方面需鼓励各个停车场将各自的数据进行共享，另一方面也要打造诚信、快捷的停车信用和支付系统。同时，鼓励私家车位将空置车位进行有偿租赁，不仅能让车位拥有者利用车位空置时间获得收益，还能缓解周边上班族停车难的问题。各个停车场实时发送停车位使用率至NB-IoT基站，然后汇总发送至云平台，用户可以通过云客户端或者小程序进行实时查询，并根据计算的最优路径进行选择。私家车位的拥有者也能在自家车位安装智能锁，设置车位空闲时间并发送至云平台，提供闲时租赁服务。

5 结语

“让停车位万物联动，让用户便捷停车”是基于NB-IoT的智能停车监测系统设计的初衷。在杭州等地，智能停车监测公有云系统已逐步建成，相信在相关人员的不断努力和探索下，更便捷、更高效、更低廉的智能停车监测系统必将诞生，城市停车难问题将逐步得到缓解。