基于NB-IOT的共享車位鎖加裝模組方案設(shè)計(jì)

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司 郭志彪

0.引言

目前，城市停車難已成為常態(tài)痛點(diǎn)，中國(guó)大多數(shù)城市的停車位只達(dá)到汽車保有率的1/3，國(guó)際通行標(biāo)準(zhǔn)是車位與車的比例為1.2:1[1]。同時(shí)，隨著共享租車新業(yè)態(tài)的涌現(xiàn)，車位動(dòng)態(tài)共享需求將進(jìn)一步加劇。為此，成都市等一些大型城市政府開(kāi)始推動(dòng)共享車位資源的政策支持。隨著IT、AI、IOT物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，各地停車設(shè)施的智能化改造正在加快，同時(shí)也出現(xiàn)了不少的共享車位APP應(yīng)用。但總體來(lái)說(shuō)，還沒(méi)有一個(gè)城市能夠形成一整套系統(tǒng)性創(chuàng)新的解決方案，能夠有效兼顧城市管理、業(yè)主和車主的整體效益。從技術(shù)層面上，隨著NB-IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，電信運(yùn)營(yíng)商及科研機(jī)構(gòu)試圖從停車場(chǎng)的整體智能化改造角度研究基于NB-IOT的智能停車解決方案，例如：文獻(xiàn)[2]中提出一種基于NB-IOT的智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，通過(guò)“NB-IOT模組（B8頻段）+云平臺(tái)+OTT推送+場(chǎng)內(nèi)引導(dǎo)應(yīng)用”來(lái)實(shí)現(xiàn)車主、停車場(chǎng)、交通管理部門之間的高效聯(lián)動(dòng)，并且建立了三個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3]中提出一種基于NBIOT（B5頻段）的類似全閉環(huán)方案。但上述方案都側(cè)重于大型公共停車場(chǎng)，并沒(méi)有考慮到大量的私有或半開(kāi)放式等能夠在時(shí)間錯(cuò)配上緩解停車難最重要的補(bǔ)充性車位資源。為此，本方案提出一種面向個(gè)體或私有化車位的低成本、低功耗的NB-IOT傳感控制一體化模組，可快速在已有的車位鎖上加裝，并通過(guò)Restful API模式向共享停車APP平臺(tái)、政府或個(gè)人提供P2P共享有償服務(wù)。

1.整體方案設(shè)計(jì)

本方案所設(shè)計(jì)的是一個(gè)輕量級(jí)的疊加式加裝方案，將NB-IOT廣域物聯(lián)通信的低功耗、藍(lán)牙4.0的近場(chǎng)控制交互、超聲波等三大核心能力結(jié)合在一起，聚焦實(shí)現(xiàn)可加裝、低成本、低功耗、可P2P分享與集成等四大核心需求。

圖1 -整體方案框架

硬件層由BC95 NB-IOT通信模組、藍(lán)牙4.0模塊、超聲波傳感模塊和MCU主控模塊、鎖控模塊等五大核心構(gòu)件組成，NB-IOT主要用于云端數(shù)據(jù)上報(bào)反饋，超聲波模塊用于車位空閑狀態(tài)監(jiān)測(cè)，藍(lán)牙模塊用于開(kāi)車位鎖控制所需的近場(chǎng)通信，整體外觀設(shè)計(jì)為一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸輕薄的封裝形態(tài)。通過(guò)云端數(shù)據(jù)管理后臺(tái)，以Https協(xié)議+Restful API的方式向第三方平臺(tái)和應(yīng)用（如政府交管信息平臺(tái)、共享停車服務(wù)APP等）提供實(shí)時(shí)交互式集成服務(wù)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 NB-IOT廣域物聯(lián)模組

采用BC95 NB-IOT集成通信模組，可支持電信850MHZ/中國(guó)移動(dòng)900MHZ/聯(lián)通1800MHZ等的不同細(xì)分型號(hào)，BC95部分原理圖如圖2所示。

BC95的耗流值如表1所示。

表1 -BC模塊耗流

圖4 -US-100超聲波測(cè)距模塊外觀

圖5 -超聲波測(cè)距模組接口

圖6 -MCU主控模組

圖2 -BC95芯片組原理圖

圖3 -藍(lán)牙4.0模組

圖7 -電源電路圖

綜合考慮到用戶體驗(yàn)（開(kāi)鎖時(shí)延）、低功耗、可持續(xù)電池續(xù)航能力等因素，本應(yīng)用場(chǎng)景中，只有當(dāng)車位鎖狀態(tài)、超聲波監(jiān)測(cè)狀態(tài)等發(fā)生變化時(shí)，才通過(guò)NB-IOT發(fā)送上行數(shù)據(jù)（COAP/UDP協(xié)議）至云端管理后臺(tái)，絕大多數(shù)情況下處于PSM睡眠狀態(tài)。

NB-IoT有以下特點(diǎn)：

（1）低功耗：由上表1可以看出NB-IoT模塊可以工作在3種狀態(tài)，以便節(jié)約功耗。在PSM模式下最大耗流為 5uA，在IDLE模式下大約為6mA。根據(jù)TR45.820的仿真數(shù)據(jù)，5Wh的電池每天發(fā)送200bytes的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)可使用12.8年。故可用于開(kāi)發(fā)部署于不容易布線的車位鎖設(shè)備。

（2）強(qiáng)鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。這就意味著我們可以在一個(gè)不太大的空間，放置更多設(shè)備而互相又不會(huì)有干擾。

（3）廣覆蓋：將提供改進(jìn)的室內(nèi)覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB。對(duì)于地下車庫(kù)、井蓋等網(wǎng)絡(luò)條件不好的應(yīng)用場(chǎng)合，NB-IoT比3G/4G無(wú)線通信或 433MHz等無(wú)線裝置更適合于部署。

（4）低成本：無(wú)論是模塊成本，還是供電、通訊運(yùn)營(yíng)成本都比其他無(wú)線裝置便宜。隨著NB-IoT的發(fā)展，單個(gè)連接模塊的預(yù)期價(jià)格不超過(guò)5美元，甚至?xí)椭?美元。

2.2 藍(lán)牙4.0近場(chǎng)通信模組

藍(lán)牙4.0近場(chǎng)通信模組采用CC2540，如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)車位鎖開(kāi)鎖APP應(yīng)用提供近場(chǎng)通信和控制指令加解密傳輸?shù)膽?yīng)用需求，同時(shí)也確保了開(kāi)鎖操作是在近距離進(jìn)行。為降低能耗開(kāi)銷，本方案設(shè)計(jì)的平均響應(yīng)性能為5秒之內(nèi)開(kāi)鎖。

2.3 超聲波模塊

采用US-100超聲波測(cè)距模塊（如圖4所示），對(duì)車位空閑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)NB-IOT通信模組同步到云端管理后臺(tái)，US-100超聲波模塊的接口如圖5。

2.4 MCU主控與鎖控模組

由MCU（STM32L151C8T6，如圖6）實(shí)現(xiàn)傳感模塊（數(shù)據(jù)采集與交互），用1個(gè)MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖控模塊開(kāi)關(guān)，MCU傳感模塊和鎖控模塊共同構(gòu)成一個(gè)主控與鎖控一體化模組。

2.5 電源與低功耗設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)原理如圖7，采用XC6206電源芯片，內(nèi)置3.7V/5AH鋰電池，支持外接5V常規(guī)充電器。為了實(shí)現(xiàn)整體功耗最小化，首先，NB-IOT模組主要用于喚醒后上報(bào)數(shù)據(jù)，大部分情況下處于PSM睡眠模式，BC95在PSM狀態(tài)下最大耗流僅為 5uA。能耗較大的開(kāi)鎖過(guò)程通過(guò)藍(lán)牙4.0進(jìn)行通信和控制， MCU只在藍(lán)牙配對(duì)或超聲波模塊激活后才啟動(dòng)去控制開(kāi)鎖過(guò)程處理，因此整體能耗最小化。

2.6 車位鎖集成

考慮到目前市場(chǎng)上的車位鎖絕大多數(shù)為密封式前裝結(jié)構(gòu)，非專家型的業(yè)主較難在后向自行改裝，同時(shí)，用戶端也必須使用鎖廠提供的專用遙控器或手機(jī)APP來(lái)操作交互。本方案設(shè)計(jì)定位是為滿足跨應(yīng)用和P2P模式的車位信息共享與有償分時(shí)使用需求提供一個(gè)并行的、疊加式的傳控一體化模組，不影響車位鎖原有的單點(diǎn)控制模式與體驗(yàn)。所以，我們將提供通用串口線與藍(lán)牙4.0兩種車位鎖疊加集成，通過(guò)鎖控輸出電路的通用性設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)好適配不同車位電子鎖的開(kāi)關(guān)接口形態(tài)與電氣參數(shù)。另外，除了可以為車位鎖廠商或工程集成商前裝階段提供一個(gè)可選的配件（一個(gè)通用的植入式模組）外，我們還設(shè)計(jì)提供了開(kāi)放接入的云數(shù)據(jù)管理平臺(tái)與RESTful API接口，因此可以滿足跨應(yīng)用共享車位服務(wù)的需求。

3.系統(tǒng)軟件與第三方集成設(shè)計(jì)

云端后臺(tái)系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8，劃分為平臺(tái)級(jí)平臺(tái)（全局賬號(hào)）和企業(yè)級(jí)平臺(tái)（設(shè)備級(jí)賬號(hào)），以適應(yīng)多形態(tài)異構(gòu)設(shè)備的接入和開(kāi)放合作需求。對(duì)上游合作方（不同車位鎖設(shè)備廠商）而言，可通過(guò)云端平臺(tái)創(chuàng)建自有品牌的設(shè)備云后臺(tái)，將加裝模組作為一個(gè)可選配件的同時(shí)，延伸了產(chǎn)品價(jià)值鏈，提升用戶體驗(yàn)與粘性。系統(tǒng)將車位狀態(tài)數(shù)據(jù)和鎖控授權(quán)等封裝成RESTful API形態(tài)，以Https協(xié)議方式向第三方提供跨平臺(tái)的集成服務(wù)，可以調(diào)用車位狀態(tài)、藍(lán)牙車位鎖控制、狀態(tài)回調(diào)等接口API，用于政府交管信息發(fā)布、共享停車位服務(wù)等場(chǎng)景化應(yīng)用。

云端后臺(tái)系統(tǒng)基于LAMP（Linux+nginx+apache+Mysql+PHP）架構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)Web服務(wù)、通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和負(fù)載均衡服務(wù)器等形成多層次的云服務(wù)器集群架構(gòu)，以滿足高并發(fā)、海量用戶場(chǎng)景下的高性能與高可用性。

圖8 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.原型調(diào)試結(jié)果

為驗(yàn)證本方案的設(shè)計(jì)效果，我們以NB-IOT物聯(lián)卡（850MHZ頻段）及NB-IOT設(shè)備調(diào)試系統(tǒng)（如圖9）來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)潔原型的測(cè)試，NB-IOT平均數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延為2-5秒之間。另外，藍(lán)牙近場(chǎng)無(wú)線開(kāi)鎖的平均響應(yīng)時(shí)間在5秒之內(nèi)。

圖9 NB-IOT調(diào)試界面

5.小結(jié)

針對(duì)城市停車難的廣泛性民生痛點(diǎn)，本文提出一種低成本、低功耗的輕量級(jí)加裝方案，可在車位鎖基礎(chǔ)上簡(jiǎn)捷加裝的NB-IOT傳感控制一體化模組，結(jié)合NB-IOT低功耗通信、超聲波車位傳感、藍(lán)牙4.0近場(chǎng)控制、云端數(shù)據(jù)平臺(tái)與API開(kāi)放服務(wù)，為車位信息和資源共享使用提供了一套可實(shí)施的高可用性智能解決方案。

[1]王宏禮.大城市停車難問(wèn)題淺析[J].甘肅科技,2011(3).

[2]曾國(guó)良,張廣焯,薛冰瑩,郭方.基于NB_IOT的智能泊車誘導(dǎo)系統(tǒng)及方法[J].電信技術(shù),2017(7).

[3]董玉榮,聶云峰.基于NB-IoT的智慧停車系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,31(3).