基于RFID的車輛管理系統設計

田野，郝蕓

（天津理工大學 中環(huán)信息學院，天津 300380）

射頻識別技術作為一種新興的非接觸式自動識別技術，在國內外快速普及，在許多領域都有較大應用價值和發(fā)展前景?；赗FID技術的車輛管理系統是集RFID技術、計算機管理技術和自動化控制于一體的現代化的車輛出入管理系統。與傳統車輛出入的人工管理相比，有著獨特的優(yōu)勢：合法車輛在出入小區(qū)時，車主無需停車，大大的節(jié)省了時間；減少了人工的干預，節(jié)省勞動力；臨時車輛進入小區(qū)，采用收費制度；對于非法車輛拒絕出入小區(qū)，保證小區(qū)車輛的安全；系統可以隨時記錄車輛出入的信息，以備查詢和打印報表。整個系統使用起來方便可靠。系統通過了模擬調試，運行可靠，達到預期的設計目標。該設計方案合理、先進，效果顯著，是一種很有推廣價值的小區(qū)車輛出入管理系統。

1 射頻識別原理

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術，又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸[1－2]。其基本工作原理并不復雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。根據RFID系統工作的頻率的不同可以將其分為低頻、高頻、超高頻和微波系統。低頻系統的頻率范圍為30～300 kHz，基于這些頻率的RFID系統一般都有相應的國際標準；高頻系統的頻率在3～30 MHz之間；超高頻系統頻率范圍為300 MHz～3 GHz，常見的工作頻率為915 MHz；微波系統的頻率范圍2.4～5 GHz。

2 系統的總體結構設計

整個系統設計的過程中必須滿足以下要求：保證擁有合法身份的車輛在出入小區(qū)時，車主無需停車，可快速通過；對于外來車輛，采用發(fā)放臨時卡，讀卡后允許車輛通過，并根據車輛的停留時間收取一定的費用；系統可以自動記錄車輛出入小區(qū)的時間；用戶可以查詢通過管理系統查詢車輛各種信息；嚴格控制一車一卡，不允許同一張卡帶幾輛車出入小區(qū)；防止小區(qū)丟車事件的發(fā)生。

根據車輛出入管理系統的要求，系統采用局域網管理模式[3]。在此模式中，管理系統的數據庫服務器放在小區(qū)的服務器上，出入口控制室位于出口和入口的中間。每個控制室放置一臺管理計算機和一臺RFID控制器和一臺PLC。連接在RFID控制器上的兩個讀寫頭分別放置在小區(qū)的入口和出口處，實現對進入或者離開車輛信息的讀取。另外，在入口和出口處還分別放置兩個地感線圈和一個道閘。對于長期用戶，由RFID標簽組成的RFID卡，放置在汽車左邊的門上。各個出入口的計算機和小區(qū)的局域網連接，這樣無論車輛從哪個出入口進入或者離開小區(qū)，車輛的出入信息都會被實時記錄并保存到中央數據庫。管理信息系統和車輛出入控制系統結合在一起，實現了車輛出入的智能化管理。這樣不僅滿足車輛進出小區(qū)方便、快捷、安全的要求，也提高了小區(qū)物業(yè)的服務水平，為建設智能化小區(qū)奠定了基礎。該系統的入口結構設計如圖1所示。出口和入口結構基本相同。

圖1 系統入口結構圖Fig.1 System structure diagram

3 車輛出入控制子系統

車輛出入控制子系統是小區(qū)車輛出入管理的一個重要的組成部分，主要實現對車輛出入的自動控制。整個系統的控制過程簡單，主要功能包括控制器（PLC）與RFID控制器之間的通信，驗證車輛的合法身份；控制出入口道閘的開啟；出入口的指示燈指示和車輛防砸等等。圖2為入口工作的流程圖。

圖2 入口工作流程圖Fig.2 Entry work flowchart

擁有長期卡的車輛離開小區(qū)時，出口車道下面的地感線圈1檢測車到，允許RFID控制器讀RFID卡信息，驗證身份后，道閘自動抬起，車輛離開。車輛通過道閘且離開地感線圈2后，閘桿自動落下。如果閘桿下落過程中，線圈檢測到閘下面有車輛，則閘桿會自動抬起，直到車輛離開后，閘桿才重新落下。臨時車輛離開小區(qū)時，RFID控制器讀卡，管理系統根據車輛進入和離開的時間計算出車輛停留的時間。車主根據車輛停留的時間繳納一定的費用，車輛離開小區(qū)時，管理員收回臨時卡。出口工作流程圖如圖3所示。

1）設備選型

圖3 出口工作流程圖Fig.3 Export work flowchart

本系統是使用于小區(qū)車輛識別，出入小區(qū)的車輛行駛的速度相對緩慢，所以選用歐姆龍V600系列RFID系統。V600系列RFID系統是工作頻率為530 kHz高標準的電磁耦合式RFID系統。它的編碼體系完全符合EPC標準[4]，最大的識別距離為10 cm左右，通信的速率非常的快，讀取數據時為40～60 ms，寫數據的速率為90～170 ms。它具有優(yōu)良的環(huán)境適應性，可以在高溫150℃的環(huán)境中工作；產品類型豐富，RFID標簽的存儲容量為254字節(jié)～8k字節(jié)；小型無電池型標簽可改寫30萬次。

整個系統由 RFID控制器V600－CA5D02、RFID讀寫頭V600－H07和 RFID 標簽 V600－D23P66N 3部分組成[5]。 主控制器為歐姆龍的CP1L－M20DR－APLC。它與傳統的CPM1A和CPM2A不同，除了具有它們的一般功能之外，還增加了脈沖輸出功能、變頻定位功能和以太網功能等等。它的程序的存儲容量為8KB，輸入輸出最大可以擴展到60個點，完全可以滿足一般用戶的需求。通過安裝選件板，可以選擇RS－232或 RS－422/485通信。

2）PLC與RFID控制器的通信

PLC[6]與RFID控制器之間采用無協議通信，即不使用重試處理、不經過數據格式的轉換處理及具有對應接收的數據進行處理分支等的順序通信協議。在無協議且無轉換的條件下，通過通信端口的輸入輸出指令（TXD，RXD）發(fā)送和接收數據[7]。PLC與RFID控制器之間使用RS－422方式進行通信。根據RFID控制器通信規(guī)格要求，使用歐姆龍CXProgrammer7.1編程軟件將CP1L串口1模式設置為RS－232，通信波特率設置9600，數據格式為7、2、E。CP1L端口1選用插件 CP1W－CIF11，為 RS－422/485 型。

PLC與RFID控制器通信時，使用專用的SYSWAY通信協議，上位機優(yōu)先發(fā)送通信指令，RFID控制器接收后，首先分析來自主機的命令，然后對RFID標簽進行讀寫。通信結束后，RFID控制器返回一個響應代碼到主機。SYSWAY通信協議支持1：1和1：N通信。當主機與RFID控制器是1對1連接時，采用1：1方式通信；當連接主機的RFID控制器超過一個時，采用1：N方式通信。在1：N通信模式下，可以通過對RFID控制器設置來實現主機與RFID控制器的1：1通信。

V600系列RFID控制的指令系統共23條指令，可以靈活的實現與主機之間的通信，其中包括通信命令、一般的通信子命令、主機命令等。通信命令多用于執(zhí)行與RFID標簽的通信，例如，對靜止或者是移動的RFID標簽進行讀寫等。通信子命令一般用于取消某個命令的執(zhí)行，而主機命令則用于主機設備控制RFID控制器。在1：1的通信模式下，通信過程中不計算校驗碼，因此，只能通過響應代碼來判斷通信結果的正確性。

3）控制要求及I/O分配

車輛出入控制基本要求如下：車輛出入小區(qū)時，應首先驗證車輛的身份，身份合法，要有指示功能，同時道閘自動打開，允許車輛通過。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O distribution table

如果身份不合法，同樣有指示功能，道閘不打開。車輛駛入或者駛出的過程中，要有指示作用。車輛完全進入或者離開時，道閘才能落下，否則道閘不下落。關鍵應該注意車輛身份的驗證和車輛的防砸功能。根據以上控制要求，車輛出入控制系統的I/O分配表1所示。

4 信息管理子系統設計

本系統使用Visual Basic作為前臺開發(fā)工具。它提供強有力的數據庫存取能力，通過ADO控件和后臺SQLServer2000有機的結合在一起。車輛出入管理系統軟件的使用人員是小區(qū)的管理人員或者保安，實例中包括車輛基本信息管理、車輛用戶的基本信息管理、射頻卡的類型管理、射頻卡管理、車輛出入管理以及收費管理等主要功能。

根據管理系統功能需求設計系統的功能模塊圖，如圖4所示。在功能模塊的圖的樹狀結構中，每個節(jié)點就是一個很小的功能模塊。每個功能模塊要針對數據庫中不同的表來完成相似的操作，即添加記錄、修改記錄、刪除記錄、以及查詢和顯示記錄等。

系統中，還有一個系統用戶管理模塊。這個模塊相對簡單，包括用戶信息管理和權限控制兩個部分。在初始化時，有兩個默認用戶。系統管理員用戶Admin，普通用戶wang，在設計程序時手動添加到數據庫中。兩個用戶密碼分別為Admin和123。系統管理員用戶擁有整個系統的最高權限，可以創(chuàng)建其它的普通用戶、修改用戶信息、刪除用戶等；而普通用戶只能修改自己的用戶名和密碼。

用戶對數據庫的需求，主要體現在各種信息的提供、保存、更新和查詢，因此數據庫系統必須充分的滿足各種信息的輸出和輸入?；緮祿?、數據結構以及數據處理的流程，組成了一份詳盡的數據詞典，對數據庫的設計起到非常重要的作用。通過對系統需求的分析，得到如圖5所示的數據流程。

圖4 車輛出入管理系統模塊圖Fig.4 Vehicles in and out management system module chart

圖5 數據流程圖Fig.5 Data flowchart

計算機與RFID控制器使用MSComm控件進行通信[8]。其通信協議、指令及數據傳輸格式與PLC與RFID控制器通信完全相同。計算機與RFID控制器之間的無握手信號的連接方案。這種方式連線方便，僅需要1根信號地線GND和2根數據線：發(fā)送線TXD和接收線RXD。接線時，計算機串口的發(fā)射端TXD、接收端RXD分別與RFID控制器的接收端RXD、發(fā)射端TXD連接，雙方的GND相連，各自的請求發(fā)送線RTS、允許發(fā)送線CTS短接。控制線RTS、CTS自連，默認對方信號存在，以確保進入握手后的狀態(tài)，可直接交換數據。

計算機與RFID控制器進行通信時雙方的通信參數設置（如波特率、校驗方式、數據位等）應該一致。為了方便起見，雙方的通信參數多設置為RFID控制器的默認值。

下面談一下通信的具體實現。在VB環(huán)境下，新建一個工程，在這個工程的新窗體上進行用戶界面設計。首先，窗體的caption屬性設置為“計算機與RFID控制器通信”，然后再窗體上添加7個對象，2個標簽、2個文本框、兩個按鈕和一個MSComm控件。標簽是用來顯示信息，不能用來輸入；文本框用來數據也可顯示；命令按鈕用來執(zhí)行相關的操作；MSComm控件用來實現通信。對象建立好以后，要為其設置屬性值。建立好的用戶界面窗體。在視圖菜單中選擇“代碼窗口”或者雙擊用戶窗口，進入代碼窗口編寫事件過程代碼程序。整個通信程序主要由以下幾個部分組成：串口初始化、發(fā)送數據、串口事件處理。

串口初始化的功能是打開端口，設置通信參數。程序代碼如下：

發(fā)送數據的功能是將命令數據按通信協議組成數據包發(fā)往RFID控制器。程序實現如下：

串口事件處理程序的主要功能是接收數據，并把數據顯示在文本框內。程序實現如下：

在“運行”菜單的“啟動”命令，系統運行程序，彈出計算機與RFID控制器通信的窗體。在對窗體內，按照RFID控制器與計算機通信數據的格式將要發(fā)送的數據寫入通信對話框的發(fā)送數據文本框中，然后點擊發(fā)送數據按鈕，即可實現二者之間的數據交換。

管理軟件運行在管理計算機上，對整個系統的各種信息進行管理。運行系統后，先進入管理軟件的登陸界面，系統管理員輸入用戶名和密碼登陸到系統主界面。

主界面的上部是系統的菜單信息，主要包括以下幾個方面：基本信息管理、車輛管理以及系統用戶。在“基本信息管理”菜單下可以實現對射頻卡、射頻卡類型以及用戶基本信息的管理；“車輛管理”菜單下的子菜單可以實現車輛基本信息管理和車輛出入信息的管理。在“系統用戶”中主要實現對用戶名和密碼的管理。

雖然整個管理系統有幾個的模塊構成，但是系統中各個模塊基本功能、設計方法和操作步驟基本相同。

5 結 論

本系統主要由車輛出入控制子系統和車輛出入管理信息子系統兩個部分組成?？刂谱酉到y的主要通過控制器與RFID控制器之間通信，讀取車輛RFID卡（RFID標簽）的信息，然后驗證車輛的合法身份，控制車輛的出入。管理信息子系統主要實現對小區(qū)車輛各種信息的管理；通過計算機與RFID控制器的通信，采集RFID卡的信息，記錄車輛的出入信息，加強車輛的出入管理；對外來車輛的收費管理等。本系統充分利用RFID技術實現了對小區(qū)出入車輛的無人化安全管理。

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