趙世民 劉奇鋒 李淑芝

摘 ?要：針對(duì)目前私家車保有量快速增長，城市車位資源緊缺，停車?yán)щy，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和MQTT傳輸協(xié)議的“楓?！敝悄苘囄绘i控制系統(tǒng)。使用IOT設(shè)備、移動(dòng)端、服務(wù)器三端數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合的APP控制系統(tǒng)。軟件可監(jiān)控附近的車位狀態(tài)、車位鎖狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端對(duì)硬件的操控。對(duì)比現(xiàn)在市場上已有的多種藍(lán)牙車位鎖，該系統(tǒng)具有信號(hào)穩(wěn)定、設(shè)備成本低、移動(dòng)端使用便捷和尋找車位周期短等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：OneNET;MQTT;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智慧停車;智能車位鎖

中圖分類號(hào)：TP39 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Feng Ting Intelligent Parking Lock Control System is developed to provide solution to the shortage of parking spaces caused by increasing volume of private cars. This is an APP control system which is designed based on the Internet of Things （IoT） platform and MQTT （Message Queuing Telemetry Transport） transfer protocol， using interactive data collected from IoT devices， mobile terminals and servers. The APP is able to monitor the nearby parking occupancy and the parking lock status， which make it possible for users to control the hardware by mobile terminal. Compared with the already existing Bluetooth parking locks in the market， this system has more advantages， such as stable signal， low equipment cost， convenient use of mobile terminal and short period for finding parking spaces.

Keywords： OneNET; MQTT; Internet of Things; intelligent parking; intelligent parking lock

1 ? 引言（Introduction）

隨著私家車數(shù)量的增多，車位資源日益稀少，停車?yán)щy成為困擾車主的首要問題。造成停車難的主要原因有很多種：停車場和固定車位的緊缺、路邊亂停亂放的現(xiàn)象、車位使用不合理、尋找空閑車位困難[1]等。更重要的是車主在尋找車位的過程中也會(huì)造成局部交通堵塞、增加污染排放和噪聲等問題，甚至因車位引發(fā)市民之間的矛盾和交通事故。目前市面上的車位鎖主要有以下幾種：

（1）金屬機(jī)械車位鎖：這種車位鎖不僅使用麻煩，上鎖、開鎖都需要下車手動(dòng)操作。

（2）藍(lán)牙車位鎖[2]：藍(lán)牙遙控有效距離較低，在車內(nèi)可能無法成功下發(fā)指令。無法實(shí)現(xiàn)共享車位狀態(tài)。

（3）單片機(jī)伸縮型車位鎖：需要專用遙控器，或需要識(shí)別車牌號(hào)。此類車鎖獨(dú)立性較強(qiáng)，沒有提供數(shù)據(jù)上傳、車鎖定位[3]等功能。不方便集中管理，無法實(shí)現(xiàn)車位信息共享。

本文提出的基于OneNET[4]的“楓?！避囄绘i不依托藍(lán)牙控制，采用NB-IoT通訊模塊由OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送指令，車位鎖實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)給平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)車位鎖的集中管理。移動(dòng)端APP能夠?qū)崟r(shí)顯示車位狀態(tài)、車位鎖狀態(tài)、空閑車位的精確位置，預(yù)定車位等豐富的功能。車位鎖信號(hào)穩(wěn)定不易掉線，功耗小，待機(jī)時(shí)間長。

2 ? 總體設(shè)計(jì)（Overall desigon）

基于OneNET平臺(tái)的“楓?！避囄绘i控制系統(tǒng)由硬件車位鎖和軟件控制系統(tǒng)組成，軟件系統(tǒng)包括手機(jī)客戶端和后臺(tái)服務(wù)器。用戶通過手機(jī)客戶端可以查找和定位車位，控制硬件車位鎖，硬件開發(fā)平臺(tái)為OneNET平臺(tái)。OneNET是中國移動(dòng)面向公眾服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，硬件可通過LwM2M、MQTT、EDP、TCP等多種協(xié)議接入。軟件系統(tǒng)和硬件車位鎖的通信通過OneNET平臺(tái)的MQTT通信接口實(shí)現(xiàn)。

硬件車位鎖通過無線通信將車位鎖的狀態(tài)信息傳輸至OneNET，手機(jī)客戶端通過訪問云平臺(tái)可獲取車位鎖的實(shí)時(shí)狀態(tài);手機(jī)客戶端上產(chǎn)生的操作通過云平臺(tái)發(fā)送給車位鎖，實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)車位鎖的實(shí)時(shí)控制。

3 ? 硬件車位鎖設(shè)計(jì)（Hardware parking lock design）

3.1 ? 車位鎖性能需求分析

硬件車位鎖需滿足以下需求：

（1）車位鎖本身防水且外殼堅(jiān)硬，在室外環(huán)境不會(huì)輕易受損。

（2）車位鎖功耗低，無須頻繁更換電池。

（3）車位鎖在信號(hào)欠佳的地點(diǎn)仍可以與“楓停”控制系統(tǒng)通信。

（4）異物檢測功能防止機(jī)械臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受力損傷自身。

3.2 ? 車位鎖核心模塊設(shè)計(jì)

硬件車位鎖使用鋼結(jié)構(gòu)外殼保證車位鎖不易受損。主控模塊采用STM32F103C8T6對(duì)各模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，無線模塊采用NB-IoT通信模組通過消息發(fā)布/訂閱的方式向OneNET發(fā)布車位鎖的狀態(tài)信息。客戶端下發(fā)的對(duì)車位鎖控制的指令后電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在轉(zhuǎn)動(dòng)車位鎖時(shí)為電機(jī)提供瞬時(shí)大電流，E18-D80NK紅外模塊可檢測車位鎖上方是否有汽車或異物。使用4個(gè)一號(hào)鋰電池可使車位鎖能在該主控模塊下持續(xù)工作一年。各模塊之間關(guān)系如圖1所示，硬件車位鎖成品圖如圖2所示。

3.3 ? 車位鎖通信協(xié)議

根據(jù)需求，車位鎖選用MQTT協(xié)議作為與OneNET連接的通信方式。由于發(fā)布數(shù)據(jù)量較小，只需通過設(shè)置MQTT傳輸過程中的發(fā)布主題topic和消息傳遞等級(jí)，平臺(tái)即可成功訂閱車位鎖發(fā)布的信息。

4 ?軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Software control system design）

4.1 ? 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括移動(dòng)端APP和服務(wù)器后臺(tái)組成。APP前端主要用于用戶操作，后臺(tái)服務(wù)器采用MySQL數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，服務(wù)器部署在阿里云平臺(tái)上。系統(tǒng)功能主要包括用戶信息管理、車位鎖控制和停車服務(wù)管理。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 ? 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體使用流程是首先用戶注冊(cè)登錄“楓?！盇PP，接著查找停車位，找到后預(yù)約車位，到達(dá)車位附近后即可在手機(jī)APP上遠(yuǎn)程開鎖。具體功能模塊設(shè)計(jì)介紹如下。

（1）用戶信息管理

用戶信息管理主要包括用戶注冊(cè)登錄、個(gè)人車位管理和個(gè)人信息管理三個(gè)功能。

①用戶登錄可通過手機(jī)號(hào)登錄，也可使用已注冊(cè)的賬號(hào)登錄。設(shè)計(jì)中使用第三方合作賬號(hào)登錄（QQ、微信），用戶登錄后才能使用預(yù)約車位等功能。

②個(gè)人車位管理主要實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)自己的私人車位設(shè)置租用時(shí)間段?？稍谧约核饺塑囄豢臻e的時(shí)候?qū)④囄幌蚬姵鲎狻?/p>

③個(gè)人信息管理主要包含：賬號(hào)密碼管理、停車記錄、個(gè)人錢包和優(yōu)惠卡券。

（2）停車服務(wù)管理

停車服務(wù)模塊需包括：實(shí)時(shí)車位信息，車位預(yù)約及繳費(fèi)和目的車位導(dǎo)航等功能。

①實(shí)時(shí)車位信息：車位鎖無線通訊模塊將設(shè)備經(jīng)緯度信息發(fā)布到OneNET平臺(tái)，服務(wù)器端通過OneNET平臺(tái)API獲取指定設(shè)備的經(jīng)緯度信息后，將位置信息通過Json格式傳給移動(dòng)端APP。

②車位預(yù)約及繳費(fèi)：在手機(jī)上點(diǎn)擊空閑車位即可選擇預(yù)約時(shí)間，使用支付寶或微信支付完成后即可成功預(yù)約并占用車位。

③車位導(dǎo)航：通過調(diào)用百度地圖API實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)用戶IP位置定位，用戶授權(quán)系統(tǒng)獲取IP位置信息后，調(diào)用location方法獲取用戶所在位置經(jīng)緯度坐標(biāo)，點(diǎn)擊目的停車位后即可通過兩個(gè)經(jīng)緯坐標(biāo)規(guī)劃初行車路線圖。

（3）車位鎖控制

車位鎖控制主要包括指定車位控制、車位鎖實(shí)時(shí)狀態(tài)和汽車駛離檢測三個(gè)功能。

客戶端APP和OneNET平臺(tái)對(duì)接后設(shè)備在線即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端對(duì)車位鎖下發(fā)開鎖、上鎖指令。車位鎖的紅外檢測模塊會(huì)將車位實(shí)時(shí)信息上傳到OneNET平臺(tái)接口，若用戶下發(fā)上鎖指令但鎖上有車時(shí)車位鎖會(huì)拒絕上鎖，確保不會(huì)因操作失誤造成的財(cái)產(chǎn)損失。此模塊技術(shù)難點(diǎn)是車位鎖、平臺(tái)數(shù)據(jù)和客戶端數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)通信，其方法描述詳見表1。

4.3 ? 軟硬件通信接口設(shè)計(jì)

采用OneNET平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軟硬件的交互。首先在OneNET平臺(tái)上添加硬件設(shè)備，然后設(shè)計(jì)接口實(shí)現(xiàn)軟件客戶端與硬件的通信。

（1）OneNET平臺(tái)添加車位鎖

初次使用OneNET平臺(tái)需要注冊(cè)平臺(tái)賬號(hào)。在開發(fā)者中心選擇創(chuàng)建與設(shè)備相同協(xié)議的產(chǎn)品，產(chǎn)品創(chuàng)建成功后選擇添加設(shè)備，一個(gè)產(chǎn)品中可以創(chuàng)建并管理多臺(tái)設(shè)備。添加完設(shè)備，平臺(tái)會(huì)給分配給每個(gè)設(shè)備一個(gè)獨(dú)有的設(shè)備ID，根據(jù)設(shè)備ID及該產(chǎn)品的Master-APIkey，用戶便可通過硬件接入到云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（2）終端與OneNET的對(duì)接

OneNET平臺(tái)提供API進(jìn)行通信，對(duì)官方指定URL執(zhí)行POST或GET類型的HTTP請(qǐng)求（如，http：//api.heclouds.com/cmds/devices/），OneNET會(huì)以JSON的形式返回?cái)?shù)據(jù)。系統(tǒng)后臺(tái)解析JSON數(shù)據(jù)后即可控制車位鎖?？刂平涌趯?shí)現(xiàn)方法詳見表2。

5 ? 功能實(shí)現(xiàn)（Function realization）

移動(dòng)端APP使用Spring Boot搭建后臺(tái)服務(wù)，后臺(tái)服務(wù)器采用Ubuntu16.04云服務(wù)器。服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與終端的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理。MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)用戶賬號(hào)、密碼，車位鎖的經(jīng)緯度定位、車位當(dāng)前狀態(tài)信息。短信驗(yàn)證碼使用阿里云短信服務(wù)平臺(tái)，第三方賬號(hào)登錄已獲得QQ授權(quán)。軟件控制系統(tǒng)的部分截圖如圖4所示。

6 ?性能測試與對(duì)比分析（Performance test and comparative analysis）

在完成該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與制作、軟件開發(fā)和與OneNET平臺(tái)對(duì)接后，經(jīng)過對(duì)本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)全面測試，本系統(tǒng)可以正常執(zhí)行客戶端下發(fā)的各種命令，平臺(tái)數(shù)據(jù)上傳及更新服務(wù)正常運(yùn)行，移動(dòng)端APP可成功預(yù)約車位，設(shè)備各模塊功能正常運(yùn)行。目前該系統(tǒng)在校園固定停車位做測試投入使用，截至2020年2月，使用次數(shù)達(dá)326次，其中命令下發(fā)失敗2次，車位預(yù)約超時(shí)1次，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常2次，系統(tǒng)測試成功率達(dá)98.4%。

本文設(shè)計(jì)的硬件車位鎖物料成本約為200元，為市面上已有智能車位鎖平均價(jià)格的65%，并有自研車位共享與預(yù)約平臺(tái)。與現(xiàn)有文獻(xiàn)和產(chǎn)品相對(duì)比，文獻(xiàn)[5]使用智能推薦附近停車場，沒有提供車位管理的功能，用戶也無法選擇租借的時(shí)間段。文獻(xiàn)[6]沒有移動(dòng)端APP，用戶只能在電腦上查看車位信息，用戶無法隨時(shí)獲得車位的最新信息。而本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只需1—2分鐘即可精確預(yù)約固定車位，根據(jù)導(dǎo)航即可直接停入所預(yù)約的車位，無須因車位被占用而二次尋找，有效減少車主尋找車位的周期。

7 ? 結(jié)論（Conclusion）

“楓停”利用OneNET平臺(tái)搭建了一個(gè)軟件系統(tǒng)+硬件車位鎖的智能停車系統(tǒng)，系統(tǒng)容錯(cuò)率更高，可實(shí)時(shí)監(jiān)控車位情況，通過手機(jī)即可對(duì)車位鎖下發(fā)命令。為車主提供了一個(gè)可以預(yù)約車位、智能化管理車位的便捷系統(tǒng)。提高了城市車位的使用效率，一定程度減緩了尋找車位難、車位資源不足的

問題。

參考文獻(xiàn)（References）

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[6] 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(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2017.

作者簡介：

趙世民（1999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：數(shù)字水印.

劉奇鋒（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：數(shù)字水印.

李淑芝（1964-），女，碩士，教授.研究領(lǐng)域：數(shù)字水印.