基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能停車場系統(tǒng)設計

狄巨星 趙建光 范晶晶

(河北建筑工程學院，河北張家口075024)

1 引言

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展和車輛普及化，城市靜態(tài)交通問題將越來越突出，解決城市的交通堵塞和停車難的問題，已成為影響和制約城市建設和經濟發(fā)展的一個重要因素.中國城市停車場劃分為三類:配建停車場、路外公共停車場和路面停車場，配建停車場是提高停車場供應水平的主要停車設施，而智能小區(qū)停車場在停車場整體中占主導地位，因此，智能小區(qū)停車場的研究迫在眉睫.伴隨著傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，其在智能小區(qū)車輛管理中的應用日漸突出.

2 RFID系統(tǒng)的組成和基本原理

射頻識別技術(Radio Frequency Identification RFID)是一種利用無線射頻技術在讀寫器和標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸、以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換目的的自動識別技術［1］.近年來，射頻識別技術尤其是UHF RFID(超高頻射頻識別)技術發(fā)展迅速，得到廣泛應用.

RFID識別系統(tǒng)通過射頻無線耦合的方式傳遞能量與信號(數(shù)據(jù))，并且有一系列的通訊協(xié)議為支撐，組成一個無線數(shù)據(jù)讀寫系統(tǒng).

2.1 RFID系統(tǒng)的組成

RFID系統(tǒng)由讀卡器、電子標簽、天線、控制器組成.

(1)讀卡器.

讀卡器實現(xiàn)對標簽數(shù)據(jù)的讀出和寫入功能.該部分主要包括射頻信號發(fā)送部分、射頻信號接收部分、信號處理部分.讀卡器通常還包括與上位機通信所必須的外圍接口(如:RS－232、USB)，以便與上位機進行通信并完成進一步的操作.

讀卡器的功能首先是提供必要的能量給被動標簽或半主動標簽，激活電子標簽.不同頻率的讀卡器的通信距離不同，對功耗的要求也不同.讀卡器最重要的任務是完成對標簽數(shù)據(jù)的讀寫.使用可讀寫的RFID電子標簽，用戶能在標簽的有效期內重復使用.讀卡器還應具有與主機通信的功能，以便實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)操作.

(2)電子標簽.

電子標簽是一個微型的無線收發(fā)裝置，通常附著在產品上，在電子標簽內保存有一定的數(shù)據(jù)，當讀卡器查詢時電子標簽發(fā)送數(shù)據(jù)給讀卡器.在電子標簽內存有關于存儲對象的唯一性的識別數(shù)據(jù).

電子標簽按獲得能量的方式可以分為主動標簽、被動標簽和半主動標簽.當前最常見的是被動標簽.被動標簽不需要電池，依靠讀卡器發(fā)射的電磁能量工作，成本較低，壽命較長，得到廣泛的應用.主動標簽成本較高，壽命比被動標簽短，但通信距離較遠，適合貴重物品的追蹤［2］.

(3)天線.

天線是電子標簽和讀卡器之間數(shù)據(jù)通信的通道，負責無線信號的發(fā)射和接收.天線的設計和位置對于RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍、識讀距離和操作通信的準確性起著重要的作用.工作在不同頻率的讀卡器決定了天線尺寸的不同，進而影響讀卡器的作用范圍不同.

雖然RFID讀卡器與電子標簽之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，但天線發(fā)送和接收的是模擬信號，信號的傳輸質量很容易受到環(huán)境的干擾.一個設計合理的天線能夠很好的處理環(huán)境的干擾，對一個RFID系統(tǒng)成功與否起著重要的作用.

2.2 RFID系統(tǒng)的基本原理

RFID系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示:

射頻識別技術利用無線射頻信號實現(xiàn)移動設備與PC機之間的數(shù)據(jù)交換.射頻識別技術中最關鍵的是數(shù)據(jù)的傳輸交換，它發(fā)生在RFID讀卡器和RFID電子標簽之間.RFID系統(tǒng)的基本工作流程是:讀卡器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活，將自身編碼等信息通過電子標簽內置天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從電子標簽發(fā)送來的載波信號，經天線調節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器對接收的信號進行解調和解碼后送到主機進行相關處理;主機根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行部件動作［3］.

3 嵌入式技術

嵌入式系統(tǒng)具有如下三個主要特點:

(1)與應用緊密結合、具有很強的專用性，必須結合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用.

(2)嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng).

(3)嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求.所以，建立相對通用的軟硬件基礎，在其上開發(fā)出適應各種需要的系統(tǒng)，是一個比較好的發(fā)展模式.

嵌入式系統(tǒng)中的兩個核心概念是嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng):嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元，其范圍極其廣泛，從最初的4位處理器，到8位單片機，再到最新的受到廣泛青睞的32位、64位嵌入式CPU.ARM(Advanced RISC Machines)是一類嵌入式處理器的簡稱，應用涉及到日常生活各個領用.本系統(tǒng)采用的是Samsung公司生產的ARM S3C2410 32位微處理器［4］.

嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System，EOS)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，負責嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動.嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點.被系統(tǒng)采用的嵌入式操作系統(tǒng)是微軟公司的WINCE.NET.

4 物聯(lián)網(wǎng)智能小區(qū)停車場設計與仿真

4.1 系統(tǒng)模型

智能小區(qū)停車場系統(tǒng)模型如圖2所示.

系統(tǒng)可對停車場的月租及臨時卡兩類用戶進行管理.系統(tǒng)各模塊功能如下:

(1)自動出卡機功能:臨時卡進場采用車輛檢測器與自動出卡機結合自動取卡并控制升閘.做到“無車不出卡、一車出一卡”.自動出卡機缺卡時可在入口顯示屏及電腦屏幕上報警提示.

(2)語音提示功能:出入口均設有語音自動提示.入口提示歡迎信息，出口提示臨時車輛的收費金額及歡送禮貌用語.

(3)讀卡器:射頻模塊選擇NXP半導體公司生產的Mifare 1卡，可讀可寫.讀卡距離:3～15cm;通訊方式:RS232通訊、USB 通訊、鍵盤口通訊;通訊格式:RS232(9600/1200，n，8，1)、ASCII編碼、或鍵盤口擴展碼;輸出格式:10位卡號或10位序列號.讀卡時間:0.3s;激發(fā)頻率:125Khz或13.56Mhz［5］.

(4)計費方式:月卡計費有:按月、季度、年、一次性四種方式;臨時卡有:按時、按次、按日三種方式.在線運行及脫機運行均可，并可使用中央收費及出口收費兩種模式.

(5)顯示屏功能:入口顯示屏:平時顯示歡迎信息與滾動提示車場內剩余車位信息.車輛進入后提示操作，出卡機狀態(tài)、出卡機缺卡提示、刷卡后狀態(tài)提示、月卡即將到期提示、月卡過期提示.出口顯示屏:月卡、臨時卡刷卡狀態(tài)提示、臨時卡收費金額提示.月租卡到期提示功能、月卡過期提示等.

(6)停車場控制板功能:選用Samsung公司生產的ARM S3C2410 32位微處理器作為控制單元，通過對嵌入式操作系統(tǒng)WINCE的移植實現(xiàn)多任務的處理和接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的處理.并在WINCE平臺上運行嵌入式輕型數(shù)據(jù)庫SQLite來存儲每張卡的信息，停車場系統(tǒng)的收費與刷卡記錄數(shù)據(jù)具有不可修改性，保證數(shù)據(jù)來源的唯一性.

本系統(tǒng)有多種通訊方式供選擇，如“TCP/IP、RS485、RS232、GPRS、ZIGBEE”等.

系統(tǒng)具有圖像對比功能，自動抓拍出入口車輛圖像存檔，防盜車.車輛出入圖片資料統(tǒng)一在數(shù)據(jù)庫存儲，統(tǒng)計分析功能強大，方便隨時查詢分析歷史資料.

系統(tǒng)具有防砸車功能，采用紅外對射檢測車輛是否完全通過.

所有硬件設備采用RS485的現(xiàn)場工業(yè)總線協(xié)議，上層管理主機間則采用TCP/IP協(xié)議、上層數(shù)據(jù)庫采用是SQLSERVER，底層數(shù)據(jù)庫采用嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，數(shù)據(jù)庫可以不間斷維護，不用停止操作即可對數(shù)據(jù)庫進行備份，數(shù)據(jù)整理工作.

整個系統(tǒng)實時自控，定時巡檢，確保停車場管理中心、各臺停車場控制器及通訊線路的正常工作.如果出現(xiàn)通訊情況異常，停車場管理監(jiān)控主機就會產生通訊異常提示.系統(tǒng)管理員可增加不同的操作員，管理員可以針對不同操作的職責進行不同權限的設置進行分級管理.系統(tǒng)的控制器軟件和控制系統(tǒng)終端軟件都采用多任務、多線程處理機制，系統(tǒng)的軟件除了快速響應并處理人機對話，還高速響應和處理網(wǎng)絡通訊任務，而且還監(jiān)控事件端口并實時響應和處理事件.

4.2 系統(tǒng)工作流程

車輛進入停車場和離開停車場流程圖如圖3、圖4所示.

用戶進場過程中，通過RFID卡自動識別，系統(tǒng)抓拍車輛照片、記錄車輛車牌號以及進場時間等信息，讀卡機讀入RFID卡號，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內進行數(shù)據(jù)檢索，搜索相關資料判斷用戶合法性［6］.車輛到達出口時，系統(tǒng)通過讀取RFID卡信息自動識別卡號，通過數(shù)據(jù)庫信息檢索，查到相應車輛記錄并顯示用戶類型、車輛號碼、車輛照片、以及出場時間.非法用戶系統(tǒng)將啟動報警模塊.臨時用戶繳納停車費，歸還卡后方可出場.

4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)與模擬仿真

采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件模擬運行環(huán)境對系統(tǒng)進行仿真，MCGS嵌入版組態(tài)軟件是昆侖通態(tài)公司開發(fā)的組態(tài)軟件，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制.MCGS嵌入版組態(tài)軟件與其它相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設備，如可靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用設備.開發(fā)出的軟件可安全、高效的運行在WINCE嵌入式操作系統(tǒng)平臺下［7］.系統(tǒng)在模擬器下仿真運行的登錄界面如圖5所示.不同權限用戶登錄后會進入相應的系統(tǒng)模擬仿真界面，下面以管理員身份為例來進行系統(tǒng)的登錄模擬仿真運行.以管理員身份登錄成功后，系統(tǒng)主界面在模擬器中仿真運行如圖6所示.

出入管理是系統(tǒng)的主要功能模塊，出入管理的界面包括:出、入口車輛的圖像采集、車輛圖像對比、RF卡號、卡的類別、戶主姓名、出入場時間、車牌號碼、卡上余額、所扣金額和補交金額、以及操作人員的姓名及卡號、停車場內的車位信息.該模塊在模擬器中仿真運行界面如圖7所示.

在出入管理屏幕上顯示四個口的視頻，其中下面兩個口用來圖像對比，上面兩個口用來實時監(jiān)控出入口，并可實時監(jiān)控道閘的使用.車輛入場時，車主通過入口控制機讀卡，并自動攝錄車輛的圖像，所讀到的RF卡上的有關信息和攝錄的入口車輛圖像被傳送到工作站，并在屏幕上顯示上述的信息，同時將相關信息送入服務器.

當在模擬放著下按下報警按鈕后，系統(tǒng)立刻啟動報警模塊，記錄當前信息、存儲在SQLite數(shù)據(jù)庫中［8］，同時發(fā)出語音報警，啟動聯(lián)動模塊［9］，報警模塊在模擬器中仿真的結果如圖8所示.

5 結論

作者根據(jù)基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式技術設計實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能小區(qū)停車場管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行在嵌入式操作系統(tǒng)WINCE平臺下，采用了MF1卡，并采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲實時信息，最終通過MCGS嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)了WINCE平臺下的監(jiān)測終端軟件，并進行了模擬仿真.經模擬仿真系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，實時性良好，系統(tǒng)市場前景極為廣闊.

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