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基于窄带物联网技术的车位锁控制系统设计

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戴路张洁

摘要：随着经济的发展，全国民用汽车保有量越来越高，但我国停车位增幅远低于汽车增长率，因而导致停车难、停车乱等问题，需要针对该问题提出相应解决方案。为此，提出采用窄带物联网技术作为通信方式，以OneNET中国移动物联网平台作为服务平台，并采用MQTT通讯协议，设计一种车位锁控制系统。系统可通过手机APP实现实时开锁与远程开锁功能，同时还增加了通过手机定位检测车辆，待车辆进入车位锁规定范围后则自动开锁等功能。该车位锁具有安装方便、功耗低、使用便捷等优势，为车位锁发展提供了一种新思路，具有一定的经济与社会效益。

关键词：窄带物联网技术;中国移动物联网平台;MQTT通讯协议;电子车位锁

DOI：10. 11907/rjdk. 182880 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319文献标识码：A 文章编号：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：福建省虚拟仿真实验教学中心项目（2017SJSY01）;福建省教育厅科技B类基金项目（JB12259）

作者简介：戴路（1985-），男，硕士，阳光学院信息工程学院工程师，研究方向为物联网应用、深度学习;张洁（1980-），女，硕士，阳光学院信息工程学院讲师，研究方向为信号系统。

0 引言

据国家统计局数据显示，2017年全国民用汽车保有量达到21 743万辆，比上年末增长11.8%，其中私人汽车保有量18 695万辆，增长12.9%;民用轿车保有量12 185万辆，增长12.0%，而私人轿车也达到11 416万辆，增长12.5%。根据保守估计，我国停车位缺口超过5 000万个，车位已然成为城市的稀缺资源。随之产生的则是停车难、停车乱等问题，容易引发社会矛盾[1]。

目前已有不少学者针对基于物联网技术的电子车位锁控制系统进行了相关研究。其中，霍海波等[2]为了解决广大市民停车难、停车贵等问题，将Zigbee与WiFi无线通信技术相结合，并引入实时时钟模块和继电器模块，设计开发了智能车位锁管理系统。通过测试，采用CC2530模块与ZStack-CC2530-2.5.1a协议栈组网，但当组建超过20个节点时，会出现节点掉线问题;李渊博[3]针对传统手动车位锁使用不便，以及现有智能车位锁功耗高、安全系数低等弊端，利用低功耗蓝牙技术设计一个感应式智能车位锁。系统主要由控制模块、蓝牙电子标签、地磁车位检测模块、电源管理模块及手机5部分构成。该方案需要进行蓝牙配对，但受到蓝牙通信距离的限制，无法进行统一组网。

针对以上情况，本文将物联网技术、云计算技术、传感技术等多种技术相结合，设计一种基于物联网技术的电子车位锁控制系统，系统可通过手机APP实现实时开锁与远程开锁，同时还增加了通过GPS检测车辆，待车辆进入车位锁规定范围内则自动开锁等功能，为解决停车难问题提供了一种新思路。

1 系统框架设计

电子车位锁控制系统结构如图1所示，系统分为用户层、车位锁服务层、NB-IoT通信层与车位锁感知层共4层。车位锁感知层由检测模块、控制模块、电源模块和NB-IoT模块构成，用于感知车辆并实现远程开关锁等功能，其通过检测模块获取当前车位信息，以防出现误操作，控制模块可驱动电机进行开关锁操作[4-5];NB-IoT通信层由不同NB-IoT基站汇聚车位锁感知层信息，并统一转发给中国电信IoT平台;车位锁服务层通过中国电信IoT核心网将感知层所有数据汇集起来，并转发给云服务器，云服务器通过相关数据分析为前端提供开锁、关锁、位置开锁等相关应用接口[6-7]。用户可通过手机APP实现开锁、关锁，以及进入预设区域后自动开锁等功能[8]。

2 窄带物联网技术

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是华为在2014年提出的窄带技术，NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点[9]，可采取带内、保护带及独立载波3种部署方式，与现有网络共存，实现平滑升级。由于车位锁在室内外都需要部署，要求具有较大的并发量以及较低的功耗与成本，可适用于车位信息的实时获取，因此系统采用NB-IoT作为系统通信模块[10-11]。

3 车位锁硬件设计

车位锁硬件部分采用MSP430G2553作为车位锁核心控制器，由于车位锁需要长期在电池环境下工作，因此需要优先考虑功耗问题。车位锁长期处于待机模式，MSP430G2553在待机耗模式下的功耗为0.5μA，且能够在1μs时间内完成从低功耗模式到运行模式的转换，符合车位锁运行需求;车辆感知模块采用高灵敏度的地磁模块实现车辆感知[12];步进电机作为车位锁的控制单元，能够精准控制锁体开合精度，且不需要其它传感器辅助，符合车位锁锁体的控制需求[13];NB-IoT采用华为海思的BC26模组，该模组体积较小，且具有高性能、低功耗、多频段等优点，符合车位锁通信部分的设计需求;电源模块为节点提供稳定电源，由两颗标称容量为13 000mAh、电压为3.6V的锂亚电池组成。锂亚电池工作温度范围为-55～+80℃，年自放电率小于2%，符合车位锁对电源的要求。车位锁硬件具体设计如图2所示。

BC28模组][MSP430][电源模块][步进电机][地磁模块]

图2 车位锁硬件设计

4 车位锁软件设计

由于采用电池供电，因此车位锁软件部分需要考虑功耗问题。系统启动后先初始化NB-IoT模块，之后MCU进入休眠状态。

系统通过AT指令使模块注册入网，处于连接状态（Connected），该状态可实现与IoT云平台的数据交互;当数据交互停止超过预定时间后，模块将进入空闲状态（Idle），在空闲模式下执行不连续接收模式（Discontinuous Reception，DRX）。在该模式下，模块核心会在预设周期内定时激活接收机，用于数据侦听，当收到数据时，系统将切回连接状态，并唤醒MCU进行数据处理[14]。

当系统收到指令时，进行数据判断，若接收到开锁指令，先通过地磁模块检测当前车位是否有车辆停入，若检测到已有车辆停入，则发送当前车位有车的信号给服务器;若未检测到车辆停入，则执行开锁操作，并开启定时器，同时将开锁成功的信号发送给数据服务端[15]，之后MCU进入休眠状态。

定时器会周期性地唤醒MCU，检测车辆是否离开，若地磁模块检测到车辆已离开，则执行关闭车位锁指令，同时关闭定时器，使MCU再次进入休眠状态。具体流程如图3所示。

NB-IoT模块][开始][NB-IoT接收数据，唤醒MCU][定时器唤醒MCU][唤醒MCU][检测车辆是否离开][Y][关闭车位锁][关闭定时器][进入休眠][是否接收到开锁指令][发送车位有车信号][判断是否有车停入][进入休眠][开锁][发送开锁成功信号][等待车辆停入][启动定时器][进入休眠][Y][Y][N][N]

图3 车位锁软件设计

5 NB-IoT通信设计

系统中的NB-IoT采用BC26模组，MCU可通过AT指令控制BC26模组，实现与服务端的连接。系统采用OneNET中国移动物联网平台作为数据服务层，系统与前端通信协议将采用MQTT接入方式，MQTT是基于TCP/IP的能够实现低速网络状况发布/订阅范式的消息协议。MQTT协议提供了一对多的消息分发与应用解耦，消息传输不需要知道负载内容，并提供了3种不同等级的通信服务，其开销小，协议交换少，且当连接断开时能通知相关各方。设备在连接前需要在OneNET中国移动物联网平台上注册设备，平台会分配产品ID和设备注册码，登录时需根据ID与注册码进行设备访问[16]。

BC26模块在连接时，CPU通过串口采用AT指令进行操作，首先需要对BC26进行初始化，采用AT+NRB命令重启BC26模块;采用AT+CMEE=1命令让系统报错，进入简略报错模式;利用AT+CGSN=1命令获取物聯网卡的IMEI码;使用AT+NBAND？命令查询物联网卡运营商，当前运营商为电信则返回+NBAND：5;利用AT+CIMI命令查询卡号;采用AT+CSQ命令查询信号，若返回+CSQ：99，99，则当前无窄带物联网信号;通过AT+QIOPEN=1，0，“TCP”，“183.230.40.39”，6002，1234，1命令建立与OneNET服务器连接的TCP客户端，183.230.40.39是MQTT服务器的服务器IP，其端口号为6002，该服务器能将数据上传到OneNET平台;最后通过OneNET平台分配的设备ID与设备注册码进行登录。登录成功后，即能通过构建MQTT报文实现设备与平台的通信。模块与平台通信流程如图4所示[17]。

建立一个TCP客户端，连接OneNET服务器][通过平台分配的ID和Master-APIkey进行登录][构建MQTT报文进行数据通信][结束][开始]

图4 BC26模块与平台通信流程

6 数据服务层与用户层

数据服务层采用OneNET中国移动物联网平台，当设备接入时，通过开发者中心的应用开发模块实现数据服务层开发。开发过程可采用平台提供的应用模板，能够很便捷地搭建数据服务，搭建完成后手机端通过HTTP协议进行数据请求，服务端根据需求将数据转发给用户层，为用户层提供相应数据接口。用户层为用户提供了两种开锁方式：①手动开锁，可通过手机端相关操作实现开锁;②自动开锁，当用户手机定位进入车辆预设范围时，车位锁自动打开，当用户手机定位离开预设范围时，车位锁自动关闭。

用户层采用HTML5技术开发手机端应用程序[18]。HTML5技术是2014年10月推出的可兼容多种移动平台的设计语言，可实现设备与服务层的实时连接，使浏览器在设备端进行本地资源交互，并支持微信、支付宝等小程序。在为用户提供最大便利的同时，还可为将来商业行为预留接口[19-20]。

7 结语

本系统与传统车位锁相比具有以下创新：①系统采用低功耗设计，利用电池为前端供电，因此在安装时不需要接入电源，安装方便、快捷;②具有自动开锁功能，当车辆进入预设范围时自动开锁，当车辆离开预设范围时，车位锁自动关闭;③手机端采用HTML5技术，支持微信、支付宝等小程序，可为后期开发共享车位等盈利型模式打下基础。

随着我国汽车保有量的不断攀升，在停车位方面存在极大缺口。如今自动车位锁已逐渐开始取代手动车位锁，但目前市面上的智能车位锁占比仍然较小。本文采用物联网技术设计的智能车位锁具有安装方便、功耗低、使用便捷等优势，为车位锁发展提供了一种新思路，具有一定的经济与社会效益。

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[20] 田智雁，张晓丽，梁波. 基于微信小程序的学生家校信息系统设计与实现[J]. 软件导刊， 2018，17（9）：122-124.

[21] 戎力. 探秘微信小程序电子身份证[J]. 计算与网络，2018（1）：28-29.

（责任编辑：黄健）

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