基于智慧城市建设的共享停车系统

白亚静　王连震　袁丰祥　刘建国　侯睿婕

摘  要：随着我国国民经济水平的快速发展，城市机动车数量快速增长，导致交通供需矛盾日益突出，不仅体现在动态交通上，也反映在以停车设施为代表的静态交通上，“停车难”成为影响居民出行的民生问题。停车的相关建筑设施数量与汽车持有量差距较大是导致停车难问题的根源性原因，然而，现有部分停车设施利用率不高、配套设施不完善也加剧了这一问题。“共享车位”的理念能合理地分配、共享泊车位的资源和泊车需求之间的信息。该项目以“互联网+共享停车”的理念，设计一套基于物联网、互联网和移动智能终端数据共享交换平台技术相结合的城市共享停车管理服务系统，促进停车设施的有效盘活、高效利用，推进城区区域模块化停车、泊位有偿错时共享停车，进而解决停车供需的矛盾。

关键词：共享停车系统；智慧城市；NB-IoT技术；停车难

中图分类号：TP311  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）20-0130-06

Shared Parking System Based on Smart City Construction

BAI Yajing， WANG Lianzhen， YUAN Fengxiang， LIU Jianguo， HOU Ruijie

（Northeast Forestry University， Harbin  150040， China）

Abstract： With the rapid development of Chinese national economic level， the rapid growth of the number of urban motor vehicles results in the increasingly prominent contradiction between traffic supply and demand， which not only reflects in dynamic traffic， but also reflects in the static traffic represented by parking facilities， and the “parking difficulty” has become a people's livelihood problem affecting residents' travel. The large gap between the number of parking-related building facilities and the number of car ownership is the root cause of the parking difficulty problem. However， the low utilization rate of some existing parking facilities and the imperfect supporting facilities have also exacerbated this problem. The concept of“shared parking spaces”can rationally distribute， share resources of parking space and information between and parking needs. With the concept of“Internet + Shared Parking”， this project designs a set of urban shared parking management service system based on the combination of Internet of Things， Internet and mobile intelligent terminal data sharing and exchange platform technology. It promotes the effective revitalization and efficient utilization of parking facilities， and promotes modular parking in urban areas， pay for shared parking when the parking spaces at different times， thereby solving the contradiction between parking supply and demand.

Keywords： shared parking system; Smart City; NB-IoT technology; parking difficulty

0  引  言

相關研究表明，路面上大约 30% 的行驶车辆的目的是寻找停车位，平均停车时间是7.8 分钟，由此不仅会浪费资源，造成关键道路节点拥堵，还会进一步加重大气污染[1]。据报道，北京、上海、广州、深圳、南京等城市的停车位缺口已高达69～150万个，由此可见，在城市空间资源越来越稀缺的情况下，解决停车难不可能靠增加车位一蹴而就。一味的增加公共停车场建设数量，仅可以缓解用地宽松地区的停车困境，在用地紧张地区，增加停车泊位供给数量有一定的难度。车辆对于泊位的需求实质上是对停车时数的需求，在平衡不同时间的停车时数的基础上加以提高，将是解决停车困境的有效途径[2]。

根据我国国民经济从十五规划到十四五计划，国家政策也从鼓励交通智能化到推行传统交通设施的数字化改造，国家在十五计划中提出要以信息化、网络化为基础，加快智能化停车的发展，十三五期间，要加强对停车场设施的建设，提高交通运输信息的实时共享能力，到2025年，智慧停车行业的发展目标是基本建立以路内停车区域泊车为主要手段，路外公共区域泊车为辅助措施，全社会资本都积极参与到智慧停车系统的建设中，实现信息产业与停车产业的高度融合，实现全城区停车规范有序，社会停车供需稳定局面基本形成的目标。

随着现代科学技术的发展，共享经济逐渐成为国民经济中不可缺少的一部分，共享停车系统也从最开始的牛刀小试到现在的日渐普及。建立一个成熟的共享停车系统在未来智慧城市建设方面会是必不可少的举措。共享停车系统为促进停车设施的有效盘活、高效利用，推进城区区域模块化停车、泊位有偿错时共享停车，解决停车供需的矛盾；并且地方政府可以借助这一举措加强对医院，小区，住宅等公共大型建筑设施周围的停车设施的管理，综合治理道路交通行为，努力构建以政府为中心引导、市场为监督部门、系统为主要运作结构、社会为主要参与对象、个人形成自律意识的“五位一体”，从而共同营造共享停车的良性循环工作布局。

在共享停车的社会效益方面：它可以通过高效实时配置停车位资源来改变闲置车位长时间空闲无人使用的现状，可以减少现阶段的各种车辆乱停现象的发生从而降低城市道路的拥挤程度，建立一个高效、方便、有序、便民的停车秩序平台，做到停车有位，有位可停。

1  共享停车的发展现状

共享停车系统在近几年赢得了很多人的关注与研究，在理论方面，有部分学者已经通过数字建模、利用logistic回归、层次分析、博弈模型等来验证共享停车系统的的可行性，并提出了一系列的收益分配的相关方法；在实现方法方面，现在市场上存在的共享停车系统大多数是以ZigBee、Wi-Fi通信等方式来实现泊位共享，但是这些已有平台的通病在于共享车位与系统平台的连接需要搭建新的网关来实现，而且在地下停车场内，Wi-Fi信号没有办法保持实时通信，从而在信息共享方面会产生时间和空间上的误差，可以会导致共享系统平台出现卡顿现象。

目前，由于我国共享停车系统的发展正处于起步阶段，很多地方处理的方法略显青涩，因此还有很多不可避免的问题。现有平台所用共享停车系统覆盖面积较小，分布较为分散，停车场的业态较为复杂，私人车位的情况更是错综杂乱，从而无法高效迅速的配置闲置停车位的资源；现在市场上存在的共享停车系统面向的对象绝大多数是停车场，没有对私有停车位资源进行合理利用和盘活，为用户提供的闲置停车位信息仅仅提供了导航到所选择的停车场附近的路线，并不能直接给用户提供精准的停车位信息，导致用户在停车过程中花费较多时间去寻找停车位，增加用户不必要的麻烦。我们团队研究的共享停车系统相比于现有的共享系统功能更加全面，使用更加便捷，同时给予车主更佳的使用体验感。

2  共享停车系统的设计

2.1  共享停车系统的设计理念

共享停车是在智慧城市运营层面对传统停车管理的重大转型，充分利用“物联网”“5G”等新一代通信网络基础设施，应用“云计算”“物联网”“大数据”“人工智能”等技术实现融合转型。不仅解决停车场的停车效率问题，更解决停车场信息孤岛问题，提升车位利用率[3]。我们团队研究的系统可以通过互联网技术进行信息的实时共享，对停车位的使用情况进行实时更新，可以让车主及时查询现有空闲车位的情况，确保共享停车系统的高时效性，也可以充分的利用现有的停车位资源，避免过多的建造停车场造成在寸土寸金的城市中不必要的浪费，节省更多的土地资源避免拖慢城市的发展。

2.2  智能共享停車锁的设计原理

智能共享停车锁通过模块化技术设计思想，通过太阳能发电板和锂电池组为单片机和步进电机等提供12 V电源，选用STM32L151单片机为主要单元，和其他核心模块共同组成智能共享停车锁的主控芯片，再选用移远通信公司开发的BC26的NB-IOT通信模块承担STM32单片机和物联网中心基站的实时远程交流、控制功能，实现小程序通过NBIOT模块控制STM32单片机通过ULN2003驱动板驱动28BYJ-48步进电机的正转与反转，从而控制挡壁的升降，实现通过微信小程序实时远程监测、操控共享停车锁的功能，从而提高多数停车场的车位使用效率，合理化利用私人用户的闲置停车位资源，以缓解静态和动态交通之间不均衡发展的矛盾。智能共享停车锁的功能模块包括电源模块、超声波检测模块、GPS定位模块、NB-IOT通信模块、ZigBee通信模块等。

2.3  网络通信模块的功能设计

网络通信模块是共享停车系统的衔接部分，主要负责系统前端设备的管理、指挥调度、交易处理、清分结算、用户服务、数据分析等功能[4]。团队设计的停车系统采用NB-IOT技术协议传输信息，通过后台服务器的存储和大数据的计算实现云端与停车位和云端与用户终端的双向信息传输[5]。网络通信模块的功能主要是获取、传输、分析、共享停车锁前端设备采集的车辆相关信息，把信息通过NB-IOT网络通信枢纽传输到平台管理系统中，共享到手机移动端小程序供用户进行停车服务。

NB-IoT通信模块采用 BC26芯片进行通信，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（LPWA）。NB-IoT支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接，一般NB-IoT终端设备电池寿命为5～10年，还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。NB-IoT具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少、架构优等特点，且支撑海量连接，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构[6]。

2.4  共享停车系统的工作机理

当车辆驶进车位时，超声波检测到车辆位置信息，然后反馈给STM32单片机主控芯片，单片机通过NB-IOT通信模块将车辆信息同步到网关，车位锁得到指令解锁下降，此时STM32单片机下达开启车位摄像机模块指令，获取、采集驶进车位的车辆信息，由ZigBee网络接受各个智能锁的信息来进行管理分配，并反馈给STM32单片机的主控芯片，单片机将由车辆检测模块（超声波检测和车位摄像机）、ZigBee模块传输的车辆信息进行整理后发送给NB-IOT通信模块，再由NB-IOT通信模块上传至云智慧管理平台并完成备份，其原理图如图2所示。

当超声波感应器的监测模块检测原有车辆已经驶离车位时，将通过智能控制器芯片传输信息给伺服电机，同时由共享停车锁的电源模块为伺服电机供电使停车装置的摇升起进实施车位锁定功能，并利用NB-IOT通信模块将车辆停车信息通过移动互联网关传递给云服务器，在小程序用户使用移动终端小程序时进行相关数据的刷新。

2.5  “享停车”的功能设计

2.5.1  “享停车”的系统结构

“享停车”小程序包括登录系统、认证系统、查询系统和缴费系统。微信小程序可以为用户提供实时查询停车位信息、提前预定停车位、实时共享停车泊位、提供停车场微观地图导航、线上平台缴费和个人相关信息管理等功能。根据共享停车云平台管理后端，手机小程序与后端平台数据互通联动，实现手机终端的车位查询，车位预约等功能。通过提前预留车位的方式，有效地确保停车用户和车位供给用户的实际停车需求得到满足，提高服务水平[7]。且用户可通过此平台实现区域立体停车泊位数据实时查询、泊位导航预定、泊位无人化共享等功能，为缓解城市停车难问题提供数据化、智能化支撑[8]。

2.5.2  系统通信架构设计

共享停车系统主要分为几大部分：智能锁终端、SpringBoot服务器、微信小程序前端程序、物联网云平台。各部分之间的通信协议如图3所示。

智能车锁终端是通过STM32单片机采集数据，采集后的数据通过MQTT协议发送到阿里云物联网平台上，云平台经过数据解析，利用AMQP协议，将重要的数据流转到SpringBoot服务器上。之后再经过校验等过程，将合法的数据存储在数据库中进行持久化。微信小程序则是通过HTTPS协议，向服务器发送GET/POST请求，服务器根据请求的动作来对其进行响应。

2.5.3  受众用户需求

我们团队所开发的小程序平台主要面向的受众用户分别为“私人车主用户”“停车位户主”和“管理运营平台”三类，其对我们团队所研究系统的主要功能需求如表1所示。

2.5.4  小程序移动端的设计

手机小程序为受众用户的访问共享停车系统的唯一平台，使用小程序的用户车主可以根据个人的需求在小程序上个性化查找目的地附近的停车场或者个人停车位，或者直接在搜索框中搜索自己的目的地，系统会以目的地为中心进行相关的停车位信息查找，车主可以根据个人需求挑选自己心仪的停车位，在自己合适的时间并进行预定付款手续的办理，当车主付款成功之后，可以通过小程序的路线导航到达刚刚选择的停车场地，停车引导流程图如图4所示。

手机小程序查看信息的操作流程如图5所示，其流程包括注册的用户进入手机小程序查询系统个人主页的相关信息、查询相关订单信息、查询当前车位的相关信息以及查询个人停车记录。

2.5.5   业务功能实现

1）小程序登录功能实现机制如图6所示。

在登录过程中，首先需要小程序向微信服务器发送wx.login（），获得code。

小程序通过wx.request（）方法将code传入后端服务器中，后端服务器带着code和appid、appSecret向微信官方服务器code2session接口请求获得SessionKey与openID。

SessionKey作为此次会话的密钥，将存入Redis缓存中，作为登录状态的凭证。服务器会生成一个唯一的UUID作为authorization返回给用户。用户之后的请求只需要携带该authorization即可通行。登录业务主要的实现代码如图7所示。

2）车位租用业务功能的实现：MQTT协议是一种以主题订阅模型和消息发布模型为基础的消息传输协议类型，其在有限设备资源、低带宽和不稳定网络环境下具有较强适应性，可以为物联网应用提供支持[9]。在本设备中，智能车锁终端承担着发布者与订阅者的角色，阿里云物联网服务器承担代理者的角色。

當设备上线时，会通过MQTT协议向阿里云服务器发布（Publish）设备当前状态，阿里云服务器会通过AMQP协议将消息发布（Publish）。Java后端会使用QPID工具来持续订阅（Subscribe）阿里云服务器，来消费消息。在消费消息后，会将消息存入Redis数据库中，更新设备状态。本系统通过AMQP协议异步处理消息的主要逻辑如图8所示。

当使用小程序进行车位查询时，小程序首先会使用wx.request（）接口向Java服务器发起查询请求，告知需要进行查询工作。Java服务器在接受请求后，会使用由SpringBoot提供的StringRedisTemplate查询Redis服务器中设备状态，并将状态通过JSON格式返回给小程序。此时，用户在小程序端可以选择是否使用该车位，若确定使用，小程序则会再次通过wx.request（）接口向Java服务器发起使用请求。Java服务器在接受请求后，首先会验证用户请求是否合法，若不合法，则直接返回错误信息。若合法，则通过阿里云官方提供的SDK（aliyun.iot20180120）更改iot设备状态，并返回更改结果。更改车位状态的业务代码实现如图9所示。

系统实现页面如图10所示。

3  结  论

对基于NB-IoT技术的智能共享停车系统，其功能实现技术理论为停车锁的主控芯片与中心基站通过NB-IoT网络互联实现车位信息实时共享对接，共享停车系统的后台管理人员可以直接通过系统管理平台实现对停车系统的实时监测，从而实现实时共享停车信息，达到盘活停车资源的目的。通过此项目的大力推广和广泛普及应用，我们力求构建以政府为中心引导、市场为监督部门、系统为主要运作结构、社会为主要参与对象、个人形成自律意识的“五位一体”，从而共同营造共享停车的良性循环工作格局，建立一个高效、智能、惠民的共享停车系统。

参考文献：

[1] 孙霞霞，刘佳.智慧停车行业发展现状、展望及对策 [J].中国高新科技，2021（9）：126-127.

[2] 李菲.住区停车资源共享的策略研究 [D].大连：大连理工大学，2012.

[3] 陈路.城市级智慧停车系统建设及运营研究 [J].江苏通信，2021，37（6）：92-95.

[4] 刘玲，王同德，崔银秋.城市智慧停车云平台设计与实践 [J].中国公路，2020（1）：100-101.

[5] 翟圃圃，李晓龙，隋永佳，等.基于物联网和机器人技术的智慧停车系统设计 [J].时代汽车，2022（6）：23-25.

[6] 冯晓磊，董雷，董志勇，等.基于NB-IoT的智慧消防平台设计 [J].信息与电脑：理论版，2020，32（2）：93-94+98.

[7] 傅丹华.基于共享停车的预约车位供需匹配优化研究 [D].北京：北京交通大学，2021.

[8] 孟凡真，曾超，刘唐志.机械式立体停车设施智慧云平台架构及关键技术研究 [C]//中国停车产业论文集.大同：[出版者不详]，2021：18-22.

[9] 张朝兰，姜孝均，易大江.基于MQTT协议物联网文件传输的实现 [J].互联网周刊，2023（4）：20-22.

作者简介：白亚静（2002—），女，汉族，河南洛阳人，本科在读，研究方向：交通运输。

收稿日期：2023-03-13