基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車位鎖控制系統(tǒng)設計

戴路 張潔

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，全國民用汽車保有量越來越高，但我國停車位增幅遠低于汽車增長率，因而導致停車難、停車亂等問題，需要針對該問題提出相應解決方案。為此，提出采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為通信方式，以OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺作為服務平臺，并采用MQTT通訊協(xié)議，設計一種車位鎖控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過手機APP實現(xiàn)實時開鎖與遠程開鎖功能，同時還增加了通過手機定位檢測車輛，待車輛進入車位鎖規(guī)定范圍后則自動開鎖等功能。該車位鎖具有安裝方便、功耗低、使用便捷等優(yōu)勢，為車位鎖發(fā)展提供了一種新思路，具有一定的經(jīng)濟與社會效益。

關(guān)鍵詞：窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺;MQTT通訊協(xié)議;電子車位鎖

DOI：10. 11907/rjdk. 182880 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）007-0119-04

Design of Parking Lock Control System Based on NB-IoT Technology

DAI Lu，ZHANG Jie

（Information Engineering College， Yango University， Fuzhou 350015， China）

Absrtact： With the development of economy， the number of civil automobiles in China is increasing， but the growth rate of parking space in China is far less than that of automobiles. In view of the above situation， this topic proposes to use narrowband Internet of Things technology as a communication mode， OneNET China Mobile Internet of Things platform as a service platform and MQTT communication protocol. A parking lock control system is designed. The system realizes real-time and remote unlocking through mobile APP， and adds the functions of locating and unlocking vehicles in the specified range of parking locks by mobile positioning detection. The parking lock has the advantages of convenient installation， low power consumption and convenient use. It provides a new idea for the development of parking lock and has certain economic and social benefits.

Key Words：narrow-band Internet of Things technology; China mobile Internet of Things platform; MQTT communication protocol; electronic parking lock

基金項目：福建省虛擬仿真實驗教學中心項目（2017SJSY01）;福建省教育廳科技B類基金項目（JB12259）

作者簡介：戴路（1985-），男，碩士，陽光學院信息工程學院工程師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應用、深度學習;張潔（1980-），女，碩士，陽光學院信息工程學院講師，研究方向為信號系統(tǒng)。

0 引言

據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2017年全國民用汽車保有量達到21 743萬輛，比上年末增長11.8%，其中私人汽車保有量18 695萬輛，增長12.9%;民用轎車保有量12 185萬輛，增長12.0%，而私人轎車也達到11 416萬輛，增長12.5%。根據(jù)保守估計，我國停車位缺口超過5 000萬個，車位已然成為城市的稀缺資源。隨之產(chǎn)生的則是停車難、停車亂等問題，容易引發(fā)社會矛盾[1]。

目前已有不少學者針對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電子車位鎖控制系統(tǒng)進行了相關(guān)研究。其中，霍海波等[2]為了解決廣大市民停車難、停車貴等問題，將Zigbee與WiFi無線通信技術(shù)相結(jié)合，并引入實時時鐘模塊和繼電器模塊，設計開發(fā)了智能車位鎖管理系統(tǒng)。通過測試，采用CC2530模塊與ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧組網(wǎng)，但當組建超過20個節(jié)點時，會出現(xiàn)節(jié)點掉線問題;李淵博[3]針對傳統(tǒng)手動車位鎖使用不便，以及現(xiàn)有智能車位鎖功耗高、安全系數(shù)低等弊端，利用低功耗藍牙技術(shù)設計一個感應式智能車位鎖。系統(tǒng)主要由控制模塊、藍牙電子標簽、地磁車位檢測模塊、電源管理模塊及手機5部分構(gòu)成。該方案需要進行藍牙配對，但受到藍牙通信距離的限制，無法進行統(tǒng)一組網(wǎng)。

針對以上情況，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、傳感技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合，設計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電子車位鎖控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過手機APP實現(xiàn)實時開鎖與遠程開鎖，同時還增加了通過GPS檢測車輛，待車輛進入車位鎖規(guī)定范圍內(nèi)則自動開鎖等功能，為解決停車難問題提供了一種新思路。

1 系統(tǒng)框架設計

電子車位鎖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為用戶層、車位鎖服務層、NB-IoT通信層與車位鎖感知層共4層。車位鎖感知層由檢測模塊、控制模塊、電源模塊和NB-IoT模塊構(gòu)成，用于感知車輛并實現(xiàn)遠程開關(guān)鎖等功能，其通過檢測模塊獲取當前車位信息，以防出現(xiàn)誤操作，控制模塊可驅(qū)動電機進行開關(guān)鎖操作[4-5];NB-IoT通信層由不同NB-IoT基站匯聚車位鎖感知層信息，并統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)給中國電信IoT平臺;車位鎖服務層通過中國電信IoT核心網(wǎng)將感知層所有數(shù)據(jù)匯集起來，并轉(zhuǎn)發(fā)給云服務器，云服務器通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析為前端提供開鎖、關(guān)鎖、位置開鎖等相關(guān)應用接口[6-7]。用戶可通過手機APP實現(xiàn)開鎖、關(guān)鎖，以及進入預設區(qū)域后自動開鎖等功能[8]。

2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是華為在2014年提出的窄帶技術(shù)，NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應用的新興技術(shù)，具有覆蓋廣、連接多、速率快、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點[9]，可采取帶內(nèi)、保護帶及獨立載波3種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡共存，實現(xiàn)平滑升級。由于車位鎖在室內(nèi)外都需要部署，要求具有較大的并發(fā)量以及較低的功耗與成本，可適用于車位信息的實時獲取，因此系統(tǒng)采用NB-IoT作為系統(tǒng)通信模塊[10-11]。

3 車位鎖硬件設計

車位鎖硬件部分采用MSP430G2553作為車位鎖核心控制器，由于車位鎖需要長期在電池環(huán)境下工作，因此需要優(yōu)先考慮功耗問題。車位鎖長期處于待機模式，MSP430G2553在待機耗模式下的功耗為0.5μA，且能夠在1μs時間內(nèi)完成從低功耗模式到運行模式的轉(zhuǎn)換，符合車位鎖運行需求;車輛感知模塊采用高靈敏度的地磁模塊實現(xiàn)車輛感知[12];步進電機作為車位鎖的控制單元，能夠精準控制鎖體開合精度，且不需要其它傳感器輔助，符合車位鎖鎖體的控制需求[13];NB-IoT采用華為海思的BC26模組，該模組體積較小，且具有高性能、低功耗、多頻段等優(yōu)點，符合車位鎖通信部分的設計需求;電源模塊為節(jié)點提供穩(wěn)定電源，由兩顆標稱容量為13 000mAh、電壓為3.6V的鋰亞電池組成。鋰亞電池工作溫度范圍為-55～+80℃，年自放電率小于2%，符合車位鎖對電源的要求。車位鎖硬件具體設計如圖2所示。

BC28模組][MSP430][電源模塊][步進電機][地磁模塊]

圖2 車位鎖硬件設計

4 車位鎖軟件設計

由于采用電池供電，因此車位鎖軟件部分需要考慮功耗問題。系統(tǒng)啟動后先初始化NB-IoT模塊，之后MCU進入休眠狀態(tài)。

系統(tǒng)通過AT指令使模塊注冊入網(wǎng)，處于連接狀態(tài)（Connected），該狀態(tài)可實現(xiàn)與IoT云平臺的數(shù)據(jù)交互;當數(shù)據(jù)交互停止超過預定時間后，模塊將進入空閑狀態(tài)（Idle），在空閑模式下執(zhí)行不連續(xù)接收模式（Discontinuous Reception，DRX）。在該模式下，模塊核心會在預設周期內(nèi)定時激活接收機，用于數(shù)據(jù)偵聽，當收到數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將切回連接狀態(tài)，并喚醒MCU進行數(shù)據(jù)處理[14]。

當系統(tǒng)收到指令時，進行數(shù)據(jù)判斷，若接收到開鎖指令，先通過地磁模塊檢測當前車位是否有車輛停入，若檢測到已有車輛停入，則發(fā)送當前車位有車的信號給服務器;若未檢測到車輛停入，則執(zhí)行開鎖操作，并開啟定時器，同時將開鎖成功的信號發(fā)送給數(shù)據(jù)服務端[15]，之后MCU進入休眠狀態(tài)。

定時器會周期性地喚醒MCU，檢測車輛是否離開，若地磁模塊檢測到車輛已離開，則執(zhí)行關(guān)閉車位鎖指令，同時關(guān)閉定時器，使MCU再次進入休眠狀態(tài)。具體流程如圖3所示。

NB-IoT模塊][開始][NB-IoT接收數(shù)據(jù)，喚醒MCU][定時器喚醒MCU][喚醒MCU][檢測車輛是否離開][Y][關(guān)閉車位鎖][關(guān)閉定時器][進入休眠][是否接收到開鎖指令][發(fā)送車位有車信號][判斷是否有車停入][進入休眠][開鎖][發(fā)送開鎖成功信號][等待車輛停入][啟動定時器][進入休眠][Y][Y][N][N]

圖3 車位鎖軟件設計

5 NB-IoT通信設計

系統(tǒng)中的NB-IoT采用BC26模組，MCU可通過AT指令控制BC26模組，實現(xiàn)與服務端的連接。系統(tǒng)采用OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺作為數(shù)據(jù)服務層，系統(tǒng)與前端通信協(xié)議將采用MQTT接入方式，MQTT是基于TCP/IP的能夠?qū)崿F(xiàn)低速網(wǎng)絡狀況發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。MQTT協(xié)議提供了一對多的消息分發(fā)與應用解耦，消息傳輸不需要知道負載內(nèi)容，并提供了3種不同等級的通信服務，其開銷小，協(xié)議交換少，且當連接斷開時能通知相關(guān)各方。設備在連接前需要在OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺上注冊設備，平臺會分配產(chǎn)品ID和設備注冊碼，登錄時需根據(jù)ID與注冊碼進行設備訪問[16]。

BC26模塊在連接時，CPU通過串口采用AT指令進行操作，首先需要對BC26進行初始化，采用AT+NRB命令重啟BC26模塊;采用AT+CMEE=1命令讓系統(tǒng)報錯，進入簡略報錯模式;利用AT+CGSN=1命令獲取物聯(lián)網(wǎng)卡的IMEI碼;使用AT+NBAND？命令查詢物聯(lián)網(wǎng)卡運營商，當前運營商為電信則返回+NBAND：5;利用AT+CIMI命令查詢卡號;采用AT+CSQ命令查詢信號，若返回+CSQ：99，99，則當前無窄帶物聯(lián)網(wǎng)信號;通過AT+QIOPEN=1，0，“TCP”，“183.230.40.39”，6002，1234，1命令建立與OneNET服務器連接的TCP客戶端，183.230.40.39是MQTT服務器的服務器IP，其端口號為6002，該服務器能將數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺;最后通過OneNET平臺分配的設備ID與設備注冊碼進行登錄。登錄成功后，即能通過構(gòu)建MQTT報文實現(xiàn)設備與平臺的通信。模塊與平臺通信流程如圖4所示[17]。

建立一個TCP客戶端，連接OneNET服務器][通過平臺分配的ID和Master-APIkey進行登錄][構(gòu)建MQTT報文進行數(shù)據(jù)通信][結(jié)束][開始]

圖4 BC26模塊與平臺通信流程

6 數(shù)據(jù)服務層與用戶層

數(shù)據(jù)服務層采用OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺，當設備接入時，通過開發(fā)者中心的應用開發(fā)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務層開發(fā)。開發(fā)過程可采用平臺提供的應用模板，能夠很便捷地搭建數(shù)據(jù)服務，搭建完成后手機端通過HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)請求，服務端根據(jù)需求將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶層，為用戶層提供相應數(shù)據(jù)接口。用戶層為用戶提供了兩種開鎖方式：①手動開鎖，可通過手機端相關(guān)操作實現(xiàn)開鎖;②自動開鎖，當用戶手機定位進入車輛預設范圍時，車位鎖自動打開，當用戶手機定位離開預設范圍時，車位鎖自動關(guān)閉。

用戶層采用HTML5技術(shù)開發(fā)手機端應用程序[18]。HTML5技術(shù)是2014年10月推出的可兼容多種移動平臺的設計語言，可實現(xiàn)設備與服務層的實時連接，使瀏覽器在設備端進行本地資源交互，并支持微信、支付寶等小程序。在為用戶提供最大便利的同時，還可為將來商業(yè)行為預留接口[19-20]。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)車位鎖相比具有以下創(chuàng)新：①系統(tǒng)采用低功耗設計，利用電池為前端供電，因此在安裝時不需要接入電源，安裝方便、快捷;②具有自動開鎖功能，當車輛進入預設范圍時自動開鎖，當車輛離開預設范圍時，車位鎖自動關(guān)閉;③手機端采用HTML5技術(shù)，支持微信、支付寶等小程序，可為后期開發(fā)共享車位等盈利型模式打下基礎。

隨著我國汽車保有量的不斷攀升，在停車位方面存在極大缺口。如今自動車位鎖已逐漸開始取代手動車位鎖，但目前市面上的智能車位鎖占比仍然較小。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計的智能車位鎖具有安裝方便、功耗低、使用便捷等優(yōu)勢，為車位鎖發(fā)展提供了一種新思路，具有一定的經(jīng)濟與社會效益。

參考文獻：

[1] 國家統(tǒng)計局. 中華人民共和國2017年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報[R]. 2017.

[2] 霍海波，張加昇，潘陶紅，等. 智能車位鎖管理系統(tǒng)設計[J]. 測控技術(shù)，2017，36（10）：93-97.

[3] 李淵博. 基于藍牙的低功耗智能車位鎖系統(tǒng)設計[D]. 成都：電子科技大學，2017.

[4] 李雪艷，戴路. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能共享快遞系統(tǒng)的設計與研究[J]. 綿陽師范學院學報，2018，37（11）：104-109.

[5] 李雪艷，廖一鵬. 基于有用時序偏差的時序優(yōu)化方法[J]. 微型機與應用，2013，32（4）：81-84.

[6] 李媛媛，湯飛碧，徐張唯，等. 基于ZigBee的停車場車輛信息采集及顯示系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索，2014，33（11）：128-131.

[7] 張良德. NB-IoT的特點及應用研究[J]. 通訊世界，2017（2）：115-116.

[8] 董玉榮，聶云峰. 基于NB-IoT的智慧停車系統(tǒng)研究與設計[J]. 南昌航空大學學報：自然科學版，2017，31（3）：95-99.

[9] 戴博，袁弋，余媛芳. 窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 標準與關(guān)鍵技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2016.

[10] 張建國. 中國移動NB-IoT部署策略研究[J]. 移動通信，2017，41（1）：25-30.

[11] WANG Y P E，LIN X Q，ADHIKARY A，et al. A primer on 3GPP narrowband Internet of Things（NB-IoT）[J]. IEEE Communications Magazine，2017，55（3）：117-123.

[12] 郭剛強，高鵬，王龍. 地磁測量模塊系統(tǒng)誤差補償方法研究[J]. 機械工程與自動化，2017，46（5）：20-23.

[13] 張瑞增. 基于智能車位鎖的共享停車位管理系統(tǒng)研究與設計[D]. 濟南：山東大學，2017.

[14] 劉方森，王建. 某地區(qū)NB-IoT網(wǎng)絡部署方案探討[J]. 電信工程技術(shù)與標準化，2017，30（5）：30-33.

[15] 王儀. 4G移動通信技術(shù)的特點及應用探討[J]. 數(shù)字通信世界，2015（12）：59-60.

[16] International Business Machines Corporation.MQTT協(xié)議3.1.1中文版[S]. 2014.

[17] OneNET文檔中心. MQTT協(xié)議概述[EB/OL]. https：//open.iot.10086. cn/doc/art253.html.

[18] 孫陸楠. 基于RFID的標簽室內(nèi)定位算法研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學，2014.

[19] 萬寨雨. 基于HTML5的移動調(diào)查評估系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 軟件導刊，2015，14（6）：86-88.

[20] 田智雁，張曉麗，梁波. 基于微信小程序的學生家校信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 軟件導刊， 2018，17（9）：122-124.

[21] 戎力. 探秘微信小程序電子身份證[J]. 計算與網(wǎng)絡，2018（1）：28-29.

（責任編輯：黃 健）