惠鵬飛，鄒立穎，李琪林

（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

隨著我國(guó)汽車保有量的迅速增加，城市停車難問題越發(fā)突出，很多傳統(tǒng)停車場(chǎng)無法滿足目前的城市交通需求，例如有些停車場(chǎng)需要車主在進(jìn)出時(shí)停車刷卡，這種方式在高峰時(shí)期會(huì)造成擁堵，也容易出現(xiàn)刮碰事故。有些人工收費(fèi)的停車場(chǎng)在收費(fèi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)現(xiàn)象，工作效率較低，還有些停車場(chǎng)車位管理全靠人工，場(chǎng)內(nèi)空位信息無法及時(shí)更新，車主需要花費(fèi)時(shí)間尋找車位等[1-2]。

針對(duì)上述問題，結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于NB-IOT技術(shù)的地下停車場(chǎng)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋NB-IOT、STM32、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、傳感器、C#程序設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)，采用智能化的管理方式，合理地布局地下停車場(chǎng)內(nèi)設(shè)施，提高了停車系統(tǒng)運(yùn)行效率。實(shí)現(xiàn)了車輛引導(dǎo)功能，準(zhǔn)確快捷的引導(dǎo)車輛到達(dá)停車位，車主不停車進(jìn)出停車場(chǎng)且自動(dòng)計(jì)費(fèi)。開發(fā)了系統(tǒng)的硬件和上位機(jī)，并進(jìn)行功能測(cè)試。該系統(tǒng)應(yīng)用于停車場(chǎng)的新建或改造升級(jí)，對(duì)于提高停車場(chǎng)的智能化、信息化管理水平具有重要意義。

1 智能地下停車場(chǎng)整體方案設(shè)計(jì)

智能地下停車場(chǎng)管理系統(tǒng)由智能終端管理系統(tǒng)、出入口控制管理系統(tǒng)、車位狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、車位引導(dǎo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)非常關(guān)鍵，如圖1所示，各個(gè)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

出入口控制管理系統(tǒng)包括出入口讀卡天線、車輛檢測(cè)裝置、出入口自動(dòng)閘機(jī)、狀態(tài)顯示屏以及收發(fā)卡系統(tǒng)[3]，車位狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括車位檢測(cè)模塊，車位引導(dǎo)系統(tǒng)包括引導(dǎo)指示燈，智能終端管理系統(tǒng)包括用戶管理、計(jì)費(fèi)收費(fèi)和注冊(cè)充值等[4]。智能終端管理系統(tǒng)是智能地下停車場(chǎng)系統(tǒng)的核心控制部分，與出入口管理系統(tǒng)相結(jié)合來管理車輛的進(jìn)出，收集車輛進(jìn)出信息上傳到數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)智能繳費(fèi)功能，車輛可不停車快速進(jìn)出停車場(chǎng)。同時(shí)，結(jié)合車位檢測(cè)系統(tǒng)了解車位實(shí)時(shí)信息，控制車輛引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)引導(dǎo)指示設(shè)備，引導(dǎo)車輛進(jìn)入停車場(chǎng)。系統(tǒng)的硬件裝置包括停車場(chǎng)管理控制終端、出入口一體化設(shè)備、崗?fù)そK端、車位引導(dǎo)終端、車輛識(shí)別終端、車位狀態(tài)檢測(cè)終端等[5]。

停車場(chǎng)有兩種用戶群體，經(jīng)常停車的用戶（固定用戶群體）和偶爾來停車的用戶（臨時(shí)用戶），對(duì)于固定用戶采取注冊(cè)的制度，記錄其車輛信息并簡(jiǎn)化繳費(fèi)流程。對(duì)于臨時(shí)用戶，因其停車的頻率不高且流動(dòng)性很大，停車場(chǎng)一般采用發(fā)臨時(shí)卡方式。根據(jù)停車場(chǎng)用戶群體的差異，車輛入場(chǎng)的工作流程有所不同。車輛入場(chǎng)流程如圖2所示。

圖2 車輛入場(chǎng)工作流程圖

2 停車管理系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)核心板微處理器的選取及外圍電路設(shè)計(jì)

在不同的應(yīng)用場(chǎng)合和不同的系統(tǒng)對(duì)主控模塊的選型要求各不相同，本裝置為地下停車管理系統(tǒng)，為了系統(tǒng)的整體運(yùn)行以及升級(jí)維護(hù)等需求，要求主控模塊獨(dú)立為一個(gè)最小系統(tǒng)，可控制其他模塊完成具體的功能，加上性價(jià)比等原因，選用的主控芯片為STM32F103C8T6型號(hào)單片機(jī)，其結(jié)構(gòu)、功能以及豐富的資源完全符合本系統(tǒng)要求。STM32分STM32F101基本型和STM32F103增強(qiáng)型兩種[6-7]，本系統(tǒng)使用STM32F103增強(qiáng)型。時(shí)鐘電路由8 MHz晶振、2個(gè)20 pF電容串聯(lián)構(gòu)成，復(fù)位電路包括1 kΩ電阻、104電容和按鍵構(gòu)成，1 kΩ電阻一端接3.3 V電源，另一端接按鍵。電源電路選用AMS1117穩(wěn)壓器，AMS1117的3腳接5 V電源，1腳接地，2腳為輸出3.3 V。STM32的各引腳連接如圖3所示。

圖3 微處理器STM32引腳連接圖

2.2 車輛識(shí)別模塊電路設(shè)計(jì)

車輛識(shí)別模塊電路包括車輛電子標(biāo)簽和讀卡器，射頻識(shí)別電子標(biāo)簽安裝在車輛中，含有車輛的信息，讀卡器需要對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀取來識(shí)別車輛的信息，本裝置選用的識(shí)別標(biāo)簽為S50非接觸式IC卡，與普通的IC卡的大小相同，但具有更復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)。電路芯片使用的是內(nèi)部集成了1 kB的存儲(chǔ)器的UCODE-HSL，可以存儲(chǔ)用戶的車輛相關(guān)信息，將此標(biāo)簽放在車內(nèi)可以滿足停車場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛識(shí)別需求[8]。

當(dāng)車內(nèi)IC卡電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)被讀寫器接收后，讀寫器會(huì)對(duì)接收的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，為了避免軟件解碼占用處理器資源，影響地下停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的功能，本系統(tǒng)采用信號(hào)相乘，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)，之后采用電壓比較器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理。

2.3 車位檢測(cè)與引導(dǎo)電路設(shè)計(jì)

2.3.1 紅外傳感器和NB-IOT模塊

車位檢測(cè)裝置由紅外傳感車輛檢測(cè)器HC-SR501和NB-IOT通信模塊組成，停車場(chǎng)的每個(gè)停車位都裝有紅外傳感器，當(dāng)有車輛進(jìn)入停車位后，紅外傳感器采集車輛信息，通過NB-IOT模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，配合其它電路完成停車場(chǎng)相關(guān)功能。每個(gè)停車位均設(shè)置車位檢測(cè)電路，檢測(cè)電路由2個(gè)1 kΩ電阻和LED數(shù)碼管串聯(lián)電路并聯(lián)組成，1 kΩ電阻一端接VCC電源，另一端接LED數(shù)碼管的陽極，LED數(shù)碼管的陰極接地。HC-SR501電路主要包括VCC、GND和DO口，VCC供5 V電源，當(dāng)檢測(cè)到有車輛靠近時(shí)，DO口輸出為高電平，否則輸出低電平。

NB-IOT模塊選擇BC95，BC95模塊可與眾多終端設(shè)備進(jìn)行連接，并具有19.9 mm×23.6 mm×2.2 mm的超小尺寸，非常方便嵌入到客戶產(chǎn)品應(yīng)用中，具有高可靠性，可以滿足地下停車管理系統(tǒng)的需求。BC95的1腳接3.3 V直流電源，2腳和3腳分別接STM32F103C8T6的N TXD端（30腳）和N RXD端（31腳）。

2.3.2 車位引導(dǎo)算法

車輛引導(dǎo)是地下停車管理系統(tǒng)必不可少的一部分，車輛引導(dǎo)最重要的就是找到車輛到車位的最短距離，然后通過地面LED燈光將車輛引導(dǎo)到停車位。車輛路徑引導(dǎo)算法有SPFA算法、A*算法、Johnson算法、Floyd-Warshall算法及Dijkstra算法等[9-10]。

因?yàn)榈叵峦＼噲?chǎng)的車位是固定的，出入口也都是固定的，因此，本系統(tǒng)使用經(jīng)典Dijkstra最短路徑算法，這種算法簡(jiǎn)單方便且易于實(shí)現(xiàn)，它是以一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)，然后將起點(diǎn)作為圓心向外層層擴(kuò)展，求出車輛到不同車位的最短路徑，根據(jù)最優(yōu)路徑引導(dǎo)車輛，縮短停車時(shí)間。Dijkstra算法步驟如圖4所示。

圖4 Dijkstra算法步驟圖

本系統(tǒng)采用地面指示燈引導(dǎo)車輛進(jìn)出停車場(chǎng)，當(dāng)車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后，紅外傳感器檢測(cè)車位信息，將車位信息實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，然后中央處理器將車位情況顯示到顯示屏上，同時(shí)通過最短路徑算法算出車輛到各個(gè)停車位的距離，求出最短距離后，通過主控器控制相應(yīng)的地面指示燈，點(diǎn)亮指示燈引導(dǎo)車輛快速到達(dá)空閑停車位，當(dāng)車輛停放后，車位檢測(cè)裝置上傳實(shí)時(shí)車位信息，控制器控制顯示裝置更新車位信息，同時(shí)準(zhǔn)備為下一輛車提供引導(dǎo)功能。車位引導(dǎo)電路由若干個(gè)LED數(shù)碼管和電阻串聯(lián)電路構(gòu)成，電阻為1 kΩ，電阻的一端連接LED數(shù)碼管的陰極，另一端接地。

2.4 信息發(fā)送模塊電路

本系統(tǒng)具備發(fā)送信息功能，可以在用戶停車后給發(fā)送車位信息，以便用戶尋車方便，還可以在用戶離開后，給用戶發(fā)送停車時(shí)間、計(jì)費(fèi)信息、余額等信息，給用戶提供便捷的服務(wù)。發(fā)送短信功能模塊使用NB-IOT模塊上集成的SIM7000C電路。SIM7000C屬于多頻及雙頻無線模塊，支持LTE-FDD/LTETDD/GP、RS/GSM等多個(gè)頻段，采用SMT方式封裝，其外觀小、功耗低、性價(jià)比高、性能穩(wěn)定，這些特性可以滿足地下停車管理系統(tǒng)的需求，同時(shí)SIM7000C可以提供的硬件接口和軟件接口很多，如USB、PCM、UART、TCP、HTTP等，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來方便。停車場(chǎng)整體模型如圖5所示。

圖5 停車場(chǎng)模型圖

3 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)管理軟件開發(fā)

使用的開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2017，上位機(jī)端管理軟件部分可以存儲(chǔ)地下停車場(chǎng)用戶的車輛信息情況，還可以幫助管理人員進(jìn)行停車場(chǎng)系統(tǒng)管理，它可以將進(jìn)入停車場(chǎng)的車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)庫中已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，完成一系列的車輛管理工作，還可以存儲(chǔ)車輛的相關(guān)信息，如車輛的顏色、車主的信息、車輛的進(jìn)出情況、車輛的繳費(fèi)情況等。

當(dāng)上位機(jī)管理軟件啟動(dòng)后首先會(huì)連接數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)庫建立連接后，上位機(jī)會(huì)進(jìn)入待操作狀態(tài)，當(dāng)串口有下位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)來時(shí)，上位機(jī)會(huì)讀取車輛數(shù)據(jù)信息，然后處理后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)進(jìn)行人工操作如車主查詢車輛信息或者查詢繳費(fèi)情況時(shí)，上位機(jī)會(huì)從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)車輛信息并進(jìn)行相關(guān)的操作，如果有新用戶需要注冊(cè)等操作，需要向數(shù)據(jù)庫中添加信息，上位機(jī)可以添加新用戶的信息，并進(jìn)行保存更新用戶車輛信息。

3.2 NB-IOT程序設(shè)計(jì)

此處包括擾碼程序設(shè)計(jì)和組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)，BC95模塊從B656版本開始增加了擾碼（Scrambling）控制功能，此功能可通過AT命令進(jìn)行控制。模塊出廠默認(rèn)開啟此功能，此時(shí)基站（Base Transceiver Station）也需要開啟擾碼功能，否則模塊搜不到信號(hào)，無法連接基站。若關(guān)閉擾碼功能，此時(shí)基站也需要關(guān)閉擾碼功能，模塊才可連接基站。通過AT命令關(guān)閉和開啟模塊擾碼。

在組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)中，模塊找網(wǎng)前需確認(rèn)模塊型號(hào)與頻段是否對(duì)應(yīng)，所有模塊出廠頻段默認(rèn)為900 MHz，可通過AT+NBAND=n來設(shè)置，AT+NRB 重啟后生效。手動(dòng)找網(wǎng)流程為

AT+CFUN? //若值為0，此時(shí)可以設(shè)置CDP服務(wù)器。

AT+NCDP=10.41.129.115,8653 //設(shè)置地址和端口，設(shè)置后會(huì)保存（如不需要配置，可跳過此操作）。

AT+CFUN=1；

AT+CIMI //執(zhí)行CFUN=1，等待4 s后查詢IMSI，如果能查到表示卡已識(shí)別。若查不到，請(qǐng)檢查卡是否插好并確認(rèn)是否是USIM卡。

除擾碼程序和組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)之外，還要編寫車位引導(dǎo)和短信發(fā)送的相應(yīng)程序，編程語言為C#.NET。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 主控模塊測(cè)試

本系統(tǒng)具備不停車進(jìn)出停車場(chǎng)、車輛引導(dǎo)、自動(dòng)計(jì)費(fèi)、短信發(fā)送功能，入口由顯示器、讀卡裝置和閘道組成，當(dāng)車輛進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)，讀卡器會(huì)識(shí)別車輛信息，然后主控器控制閘道開啟，車輛通過，進(jìn)入停車場(chǎng)后會(huì)有指示燈引導(dǎo)車輛到相應(yīng)車位。系統(tǒng)使用兩塊STM32主控模塊，一個(gè)控制車位檢測(cè)和路徑引導(dǎo)，另一個(gè)控制顯示屏、讀卡裝置和舵機(jī)等部分，主控模塊測(cè)試功能正常。

4.2 停車場(chǎng)進(jìn)出口功能測(cè)試

停車場(chǎng)入口使用12864液晶模塊和射頻讀卡裝置以及舵機(jī)和閘道組成，當(dāng)系統(tǒng)開啟后，顯示屏?xí)@示停車場(chǎng)的車位情況。當(dāng)車輛到達(dá)入口時(shí)，讀卡裝置可以識(shí)別車輛是否為本停車場(chǎng)車輛，識(shí)別成功后會(huì)打開舵機(jī)對(duì)其放行，如圖6所示。當(dāng)車輛進(jìn)入停車場(chǎng)后，車位檢測(cè)裝置會(huì)檢測(cè)車位實(shí)時(shí)信息，然后主控器會(huì)控制引導(dǎo)指示燈閃爍，引導(dǎo)車輛停到閃爍的停車位，當(dāng)車輛離開時(shí)，指示燈會(huì)長(zhǎng)亮，引導(dǎo)車輛離開停車場(chǎng)。調(diào)試如圖7所示。

圖6 進(jìn)出口顯示調(diào)試圖

圖7 車位引導(dǎo)調(diào)試

4.3 上位機(jī)調(diào)試

地下停車場(chǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要上位機(jī)來控制以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，管理員可以通過上位機(jī)智能的對(duì)停車場(chǎng)進(jìn)行管理，車主可以在上位機(jī)上查看自己的停車記錄和出入記錄，外來車輛可以在上位機(jī)上進(jìn)行注冊(cè)，然后進(jìn)行充值，充值后可以查看充值記錄和收費(fèi)記錄，上位機(jī)界面如圖8所示。

圖8 上位機(jī)查看收費(fèi)記錄界面

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于NB-IOT技術(shù)的地下停車管理系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)停車場(chǎng)的諸多缺陷，STM32F103處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制與處理，BC95NB-IOT模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，利用RFID實(shí)現(xiàn)車輛不停車進(jìn)出停車場(chǎng)，減少了車主進(jìn)入停車場(chǎng)的等待時(shí)間。采用紅外傳感器檢測(cè)車位，并根據(jù)車位引導(dǎo)算法引導(dǎo)車輛到達(dá)最佳停車位，然后通過燈光引導(dǎo)車輛進(jìn)出停車場(chǎng)，有效地減少用戶尋找車位的時(shí)間。系統(tǒng)可以給車主用戶發(fā)送短信，提示車位信息。管理員可以通過上位機(jī)對(duì)停車場(chǎng)進(jìn)行智能高效的管理。該系統(tǒng)對(duì)于城市停車場(chǎng)的新建以及升級(jí)改造，具有重要的參考應(yīng)用價(jià)值。