《基于LoRa和NboT的智慧路边无人值守停车云系统》
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摘 要： 对目前路边停车场需要人工值守的缺点,提出一种采用地磁、地锁、LoRa和NB-oT多种技术结合的无人值守云系统.全面阐述了系统方案,设备选型,系统框架,通讯方案,难点功能等内容.采用LoRa和NB-oT相结合的通讯方案解决了类似系统单独用一种通讯方案时存在信号不畅、功耗较高和通讯费用高的问题.基于地磁和地锁的创新设计,用智能算法判断车辆驶入状态,可靠性强,无需人员值守.系统目前已经投入使用,效果良好,对类似系统的建设有借鉴作用.
关键词： 地磁; 地锁; LoRa; NB-oT
中图分类号： TP393 文献标志码： A
ntellgent Roadsde Unattended Parkng Cloud
System Based on LoRa and Nb-oT
CHEN Hongyng
（Computer nsttute, South Chna Normal Unversty, Guangzhou 500631）
Abstract： n vew of the shortcomngs of the current roadsde parkng, an unmanned cloud system usng geomagnetc, ground lock, LoRa and NB-oT technologes s proposed. The system scheme, equpment selecton, system framework, communcaton scheme, and dffcult functons of ths system are descrbed. The communcaton scheme combnng LoRa and NB-oT solves the problems of poor sgnal, hgh power consumpton and hgh communcaton cost when lar systems use a sngle communcaton scheme. Based on the nnovatve desgn of geomagnet and locks, an ntellgent algorthm s used to judge the drvng status of vehcles, whch s relable and does not requre personnel on duty. And t has been put nto use wth good results. t can be used as reference for lar systems.
Key words： Geomagnet; Ground lock; LoRa; NB-oT
0 引言
车位管理在目前停车越来越难的情况下显得尤为重要.目前的停车管理系统主要有停车场管理系统和路边停车系统两种.典型的路边停车系统如目前深圳的路边车位所用的宜停车系统,采用的方法是人工值守方式：车辆停到停车位后如果没有在一定时间内扫码登记,就有管理员来进行抄牌罚款.它采用的是地磁系统和云平台结合,地磁系统感应到车位上有车进入后开始计时,并向云平台发送信息报告车位状态变化,如果在一定时间司机登陆云平台进行登记,则云平台开始计时计费,否则云平台发出警报,通知管理员抄牌.
这种方式缺点是在一定地理范围内需要配备一个管理员.本文介绍的系统采用地磁系统,地锁系统,网关系统,云平台系统和APP,实现一个无人值守的智慧停车云系统.
1 系统方案
1.1 系统框架
系统由5个子系统组成：地磁系统,地锁系统,网关系统,云平台,APP.框架如图1所示.
1.2 具体工作流程
（1）扫码注册：首先登陆云平台,用户在云平台APP注册,输入相关信息.
（2）目的地车位搜索：用户在云平台APP搜索附近车位,发现空闲车位后驱车前往.
（3）扫码停车：对地锁进行扫码或输入地锁的编号,云平台命令地锁打开,地锁系统将地锁状态通过网关发送给云平台.
（4）地磁车辆驶入感应：车辆停好后,该地锁对应的地磁通过网关给云平台发送信息,表示车已经停好.同时开始计费.如果地锁打开后超过一定时间地磁没有发信息,则云平台通知地锁再次关上.
（5）车辆驶离感应：车辆驶离时,地磁系统通过网关向云平台发送消息,提示车位已空,计费结束.
（6）自动上锁：云平台发送关闭地锁的命令给地锁系统,同时登记该车位的状态.地锁系统将地锁状态通过网关发送给云平台.
（7）在线支付：车主按照手机端软件提示,微信支付本次费用,或者按照约定直接在账户中扣除.
1.3 设备选型
系统要求：无人值守、低功耗、超长待机、高可靠性、不影响现有设施和路面、无设置摄像头等停车场通用设备、无人工收费,需要及时结算.
（1）地磁传感器：地磁传感器可用于检测车辆的存在和车型识别.利用车辆通过道路时对地球磁场的影响来完成车辆检测,具有安装尺寸小、灵敏度高、施工量小、使用寿命长,对路面的破坏小（无线安装只需要在路面打一个直径55 毫米深150毫米的洞）.這里我们选择HMC5883L作为地磁传感器,它采用霍尼韦尔各向异性磁阻（AMR）技术,该技术领先于其他磁传感器技术,具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点.传感器具有的对正交轴的低灵敏度的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小,其测量范围从毫高斯到 8 高斯（gauss）,在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器.供电采用锂亚硫电池,持续工作6年以上[1].
（2）地锁：采用pshare智能防撞地锁,抗压6吨,上升时间小于5 S,下降时间小于4 S,待机电流小于10 uA,环境温度-30到85度,电池主机和底座都经过防水处理可以水浸,防水性能P67,采用锂电池充电时间4小时,续航时间2年.180度防撞设计,防止地锁损伤.
（3）通讯设备：
这里我们采用NB-oT和LoRa完成通讯功能：NB-oT技术具备统一标准、超高可靠性、全国覆盖等优点,但是同时也存在如下不足：a）部分地区信号不畅（如地下车库等）b）外部中断触发报警模式下使用功耗较低,但如需要实时响应外部无线指令则因休眠时间太短功耗较大,c）必须交付流量费.对此,本系统中采用具备个性化布设、满足场景化需求LoRa技术与之结合,弥补通讯的盲区和响应云平台指令的较大功耗影响,同时具备免费使用的优势.
LoRa设备：采用SX1268,SX1268集成了低噪声放大器（LNA）,LoRa调制下,最高接收灵敏度可达-148 dBm,同时还集成了功率放大器（PA）,其发射功率最大可达+22 dBm.SX1268集成的数字接口通过SP和外界进行数据交互.通讯距离达10 km.
Nb-oT：采用移远Nb-oT, 主要优势：超低功耗、超高灵敏度,有丰富的网络服务协议栈, LCC 封装,适合批量生产.
（4）控制器：选用了ST公司超低功耗处理器STM8L151C8,其核心芯片采用ST意法半导体公司生产的超低功耗的MCU,具有3级流水线的哈佛结构,专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构,提供业界领先的节能性能.程序存储器数据可保存20年,待机功耗微安级.有2C和SP两种通讯方式[2].
2 系统实现
分别实现五个子系统.
2.1 地磁系统
包含通讯系统、控制系统、地磁传感器系统,如图2所示.
地磁系统功能：
（1）设备自检：定时发送心跳包给网关磁场采集：三轴大地磁场XYZ轴信息采集分析.
（2）停车判断：检测车位状态变化,自动发送报文给网关.
（3）低电预警：定时发送电量等地磁系统状态信息发送给网关.
（4）磁场环境跟踪：在外部磁场环境发生变化时,自动动态修正初始磁场参数.
2.2 地锁系统
包括控制系统,驱动系统,电源系统、传感系统、通讯系统,如图3所示.
（1）控制系统：
接收来自通讯系统的指令,通过智能计算生成上锁、解锁、声光提示、电量汇报等指令,指挥驱动系统完成动作.
接收来自地锁传感系统的锁位状态信息,结合来自通讯系统的指令要求,生成地锁摇臂控制指令,指挥地锁复位,防止地锁人为碰撞.
自动计算运行周期,生成自检汇报指令,提交通讯系统.保证设备稳定运行.
（2）驱动系统：由电机、减速箱、传动机械组成.
主要功能是接收来自控制系统的指令,实现：摇臂的转动、上锁动作、开锁动作、声光提示.
电机、减速箱：采用齿轮减速结构和涡轮减压电机结合方式,寿命长,功耗低.
（3）电源系统
供电采用电池,设备超低功耗设计,待机功耗微安级,可工作2年以上.
（4）传感系统
采用组合式光电传感行位判断技术,准确判断摇臂位置,配合驱动系统严格按照控制系统指令完成规定的操作.
（5）通讯系统
通讯功能：a）接收来自网关的无线指令,传送到地锁控制系统.b）接收来自控制系统的信息反馈,传送到远程用户或监控中心.
2.3 网关系统
如图4所示.
（1）网关作为汇集单元转发地锁系统、地磁系统以及云平台之间的消息和指令,网关通过Nb-oT和云平台通讯,通过LoRa和地锁通讯.
（2）配置网关,主要实现需实现对网关设备各项参数的设置.
（3）网关实现loRa数据和Nb-oT数据格式的转换,交接内网和外网数据.
首先网关收到 LoRa 射频模块接受到的 LoRa 数据,同时判断数据的完整性,然后取出 LoRa 数据的负载 Payload,然后重新打Nb-oT将数据发送到云平台[3].
云平台下行反之：首先网关收到云平台通過 Nb-oT 发送的数据或者命令,然后网关将收到的数据作为 payload 发送给 LoRa 射频模块,然后发送给其他的网关设备或者终端设备.
2.4 云平台
云平台功能如下：
（1）数据采集：地锁信息、地磁信息、扫码信息、用户信息、停车场信息、车位信息、网关信息.
（2）数据处理：上锁逻辑处理、开锁逻辑处理、计费逻辑处理.
（3）数据推送：开锁成功、停车成功、驶入、驶出等信息推送到客户手机APP.
（4）指令服务：远程升级、设备复位、地锁控制、地磁矫正、参数设置.
（5）数据分析：驶入分析、驶离分析、车流量分析、车位使用率分析、停车行为分析.
（6）数据存储：1小时内数据存储于内存数据库reds,长期数据存储用Orcal,大数据用Hadoop.
（7）报警管理：报警采集（低电、遇阻、搬动、破坏、磁场扰动）、报警分级处理、处警管理、警情推送.
（8）系统管理：管理、权限管理、配置管理、分布式管理.
2.5 手机APP
（1）帐户设置：帐号注册和注销、管理、和昵称等设置.
（2）我的钱包：对活动红包进行管理,可进行帐号的充值、租用缴费、购物等.
（3）支付管理：可以通过微信或支付宝支付.
（4）车位选择：车位选定,可对地锁进行降控制,或预订车位.
（5）扫码停车：用手机扫二维码,启动停车流程.
（6）停车提示：车辆停入车位,通过地磁车位感应,手机提示停车完成,启动计费流程.
（7）停车结束：车辆驶出车位,地磁自动感应车位空,手机提示结束停车,启动结束计费流程.
（8）车位查询：以手机定位位置为中心10公里范围内进行可用车位查询.
设定区域车位信息查询：可在搜索栏内输入关键商圈进行可用车位查询.
在地图中查询：可在地图中浏览并可选择停车区域.
反向寻车：取车时,可在手机上导航到车辆所停放的车位.
3 系统软件实现
地磁系统停车状态的判断是系统原始数据的基础,如何有效获取车位信息是系统的重中之重,也是本文软件重点和难点.
地磁传感器根据x,y,z三个轴的数据判断传感器附近是否有铁物质.当有车辆停放在停车位上时,固定在停车位上的地磁传感器的三个轴的数据会产生波动.
测量到的数字等于地磁基准数据+车辆磁感+附近物体参数的干扰,通常附近物体干扰比较小且持续时间短可以忽略.我们可以通过将测量到的数字减去地磁基准数据得到车辆磁感数据,从而判断是否有车辆驶入驶出.如果测量到的数字-地磁基准数据<某个阈值R,则判断无车,否则判断有车[4].
3.1 地磁传感器数据获得
首先由于地磁数据不停波动,有的时候甚至有较大的扰动,在分析的时候需要进行平滑化,才能获取有效和有代表性的数字进行分析,那么第一步就是确定数据的获取方式[6,7].具体的获取方式有两种.a.基于滑动窗口的均值获取方式,对取得的传感器的三轴数据进行如下处理如式（1）.
B（k）等于h（k）+h（k-1）+等+h（1）k, k≤m
h（k）+h（k-1）+等+h（k-m+1）k, k>m
等于0,1,2
（1）
其中h（k）是k时刻X,Y,Z输出信号,m是滑动窗口的大小,等于0,1,2,分别代表XYZ三个轴.这种方式在数据波动不大时比较适用,但是如果有一个突发的大扰动数据,会使得获得的均值有较大的偏差,所以我们将它用于地磁基准数据的计算.b.基于中值的获取方式.将滑动窗口中的信号值进行排序,取中间位置的数据作为中值.这种方式可以过滤掉突发的比较大的扰动数据,用于动态判断车位状态[5].
3.2 地磁基准数据计算
有了数据获取方法,我们可以在此基础上进行X,Y,Z三组数字的计算.具体方法是：将在本车位无车且相邻车位也无车的状态下车辆传感器的X,Y,Z值,持续一段时间形成m个时间段的基准波形.
3.3 地磁基准数据更新
基准数据在环境发生变化（如温度）时可能会发生变化.我们首先判断以下情况是否存在：
（1）判断目前是否是本车位无车且相邻车位也无车的状态.
（2）判断是否连续m个h（J）在一定阈值范围内如式（2）.B（k）-R（2） 其中B（k）为时刻K的平均值（由公式（1）计算）,R为阈值,m为窗口个数.
如果两个判断条件都成立则基准数据更新如式（3）.T（k）等于T（k-1）·（1-β）+B（k）·β
（3）其中：T（k）是基线,B（k）是XYZ轴信号平均值,为3个磁轴,k为信号的数目,β是加权系数.
3.4 阈值R的设定
根据经验通常设定为30—50为适宜.
3.5 判断车位占用策略
如图5所示.
（1）现有波形（取中值）与基准波形比较,如果X,Y,Z 3个方向有两个值超出阈值,则置为疑似有车状态.
（2）判断时长,如果疑似有车状态持续时长不大,我们判断为过路车或其他设备影响.
（3）本车位在一定时间内的扰动只计算一次,这样对于车辆在停车位上来回调整的情况不会重复计算.
（4）相邻车位的影响我们采用以下方法
如果本车位有弱磁信号波动而相邻车位在并没有检测到磁信号波动,则认为有车辆进入车位[7].
如果本车位发现强磁或中等强度波信号,则认为有车.
如果本车位发现弱磁信号波动而相邻车位检测到强磁或中磁信号波动,需要进一步判断：
如果相邻车位的相邻车位有弱磁信号波动,则认为本车位无车;
如果相邻车位的相邻车位没有弱磁信号波动,则认为本车位有车.
4 总结
本文设计并实现了一个基于罗拉和Nb-oT的智慧路边无人值守停车云系统.首先介绍了系统框架,系统设备选型,然后详细介绍了各个子系统的设计方案、通讯系统设计方案以及各个系统的功能以及运行的流程,最后对系统软件设计的难点和重点--如何判断地磁系統中车位状态的实现做了详细的说明.与类似系统比较本系统有功耗低,通讯费用低,可靠性强,无人值守特点,目前系统已经投入运行,效果良好.
参考文献
[1] 唐山. 基于LoRaWan的广域物联网技术研究及实现[D]. 成都：电子科技大学, 2018.
[2] 梁振奇,陈文钊. 基于NB-oT技术和地磁传感器的路边停车检测系统[J]. 科技与创新,2018（6）：7-9.
[3] 董玉荣,聂云峰. 基于 NB-oT的智慧停车系统研究与设计[J]. 南昌航空大学学报： 自然科学版, 2017（9）：95-97.
[4] 王东. 基于LoRa和地磁传感器的智能停车系统[J]. 重庆理工大学学报, 2018（10）：158-165.
[5] 谭福奎. 基于地磁的车辆检测器设计[J]. 兴义民族师范学院学报,2016（3）：114-119.
[6] 胡琼. 磁阻传感器在停车场车位检测中的应用[D].上海：华东理工大学,2011.
[7] 余浥. 基于地磁的路边停车场车辆检测系统研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学,2017.
（收稿日期： 2018.12.03）
基金项目：广东省应用型科技研发重大专项（2016B020244003）
作者简介：陈红英（1969-）,女,副教授,博士,研究方向：人工智能.文章编号：1007-757X（2020）01-0048-04
总而言之:该文是关于对写作智慧论文范文与课题研究的大学硕士、lora和云系统本科毕业论文lora和云系统论文开题报告范文和相关文献综述及职称论文参考文献资料有帮助.
lora和云系统引用文献:
[1] lora和云系统论文参考文献范文 关于lora和云系统学术论文怎么写2万字
[2] 系统设计和lora论文范文例文 系统设计和lora论文范文资料2万字
[3] 实况参考文献格式范文 系统设计和lora方面有关论文写作资料范文2000字
