狄巨星 趙建光 范晶晶

(河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075024)

1 引言

隨著中國(guó)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(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素.中國(guó)城市停車場(chǎng)劃分為三類:配建停車場(chǎng)、路外公共停車場(chǎng)和路面停車場(chǎng)，配建停車場(chǎng)是提高停車場(chǎng)供應(yīng)水平的主要停車設(shè)施，而智能小區(qū)停車場(chǎng)在停車場(chǎng)整體中占主導(dǎo)地位，因此，智能小區(qū)停車場(chǎng)的研究迫在眉睫.伴隨著傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其在智能小區(qū)車輛管理中的應(yīng)用日漸突出.

2 RFID系統(tǒng)的組成和基本原理

射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification RFID)是一種利用無線射頻技術(shù)在讀寫器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸、以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換目的的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［1］.近年來，射頻識(shí)別技術(shù)尤其是UHF RFID(超高頻射頻識(shí)別)技術(shù)發(fā)展迅速，得到廣泛應(yīng)用.

RFID識(shí)別系統(tǒng)通過射頻無線耦合的方式傳遞能量與信號(hào)(數(shù)據(jù))，并且有一系列的通訊協(xié)議為支撐，組成一個(gè)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(biāo)簽、天線、控制器組成.

(1)讀卡器.

讀卡器實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀出和寫入功能.該部分主要包括射頻信號(hào)發(fā)送部分、射頻信號(hào)接收部分、信號(hào)處理部分.讀卡器通常還包括與上位機(jī)通信所必須的外圍接口(如:RS－232、USB)，以便與上位機(jī)進(jìn)行通信并完成進(jìn)一步的操作.

讀卡器的功能首先是提供必要的能量給被動(dòng)標(biāo)簽或半主動(dòng)標(biāo)簽，激活電子標(biāo)簽.不同頻率的讀卡器的通信距離不同，對(duì)功耗的要求也不同.讀卡器最重要的任務(wù)是完成對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫.使用可讀寫的RFID電子標(biāo)簽，用戶能在標(biāo)簽的有效期內(nèi)重復(fù)使用.讀卡器還應(yīng)具有與主機(jī)通信的功能，以便實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)操作.

(2)電子標(biāo)簽.

電子標(biāo)簽是一個(gè)微型的無線收發(fā)裝置，通常附著在產(chǎn)品上，在電子標(biāo)簽內(nèi)保存有一定的數(shù)據(jù)，當(dāng)讀卡器查詢時(shí)電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)給讀卡器.在電子標(biāo)簽內(nèi)存有關(guān)于存儲(chǔ)對(duì)象的唯一性的識(shí)別數(shù)據(jù).

電子標(biāo)簽按獲得能量的方式可以分為主動(dòng)標(biāo)簽、被動(dòng)標(biāo)簽和半主動(dòng)標(biāo)簽.當(dāng)前最常見的是被動(dòng)標(biāo)簽.被動(dòng)標(biāo)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(zhǎng)，得到廣泛的應(yīng)用.主動(dòng)標(biāo)簽成本較高，壽命比被動(dòng)標(biāo)簽短，但通信距離較遠(yuǎn)，適合貴重物品的追蹤［2］.

(3)天線.

天線是電子標(biāo)簽和讀卡器之間數(shù)據(jù)通信的通道，負(fù)責(zé)無線信號(hào)的發(fā)射和接收.天線的設(shè)計(jì)和位置對(duì)于RFID系統(tǒng)的覆蓋范圍、識(shí)讀距離和操作通信的準(zhǔn)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(jìn)而影響讀卡器的作用范圍不同.

雖然RFID讀卡器與電子標(biāo)簽之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，但天線發(fā)送和接收的是模擬信號(hào)，信號(hào)的傳輸質(zhì)量很容易受到環(huán)境的干擾.一個(gè)設(shè)計(jì)合理的天線能夠很好的處理環(huán)境的干擾，對(duì)一個(gè)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(shí)別技術(shù)利用無線射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換.射頻識(shí)別技術(shù)中最關(guān)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(biāo)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(hào)，當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活，將自身編碼等信息通過電子標(biāo)簽內(nèi)置天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后送到主機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理;主機(jī)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行部件動(dòng)作［3］.

3 嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)具有如下三個(gè)主要特點(diǎn):

(1)與應(yīng)用緊密結(jié)合、具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用.

(2)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng).

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

嵌入式系統(tǒng)中的兩個(gè)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(yùn)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(jī)，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(jiǎn)稱，應(yīng)用涉及到日常生活各個(gè)領(lǐng)用.本系統(tǒng)采用的是Samsung公司生產(chǎn)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(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng).嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn).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(chǎng)設(shè)計(jì)與仿真

4.1 系統(tǒng)模型

智能小區(qū)停車場(chǎng)系統(tǒng)模型如圖2所示.

系統(tǒng)可對(duì)停車場(chǎng)的月租及臨時(shí)卡兩類用戶進(jìn)行管理.系統(tǒng)各模塊功能如下:

(1)自動(dòng)出卡機(jī)功能:臨時(shí)卡進(jìn)場(chǎng)采用車輛檢測(cè)器與自動(dòng)出卡機(jī)結(jié)合自動(dòng)取卡并控制升閘.做到“無車不出卡、一車出一卡”.自動(dòng)出卡機(jī)缺卡時(shí)可在入口顯示屏及電腦屏幕上報(bào)警提示.

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

(3)讀卡器:射頻模塊選擇NXP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)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(kuò)展碼;輸出格式:10位卡號(hào)或10位序列號(hào).讀卡時(shí)間:0.3s;激發(fā)頻率:125Khz或13.56Mhz［5］.

(4)計(jì)費(fèi)方式:月卡計(jì)費(fèi)有:按月、季度、年、一次性四種方式;臨時(shí)卡有:按時(shí)、按次、按日三種方式.在線運(yùn)行及脫機(jī)運(yùn)行均可，并可使用中央收費(fèi)及出口收費(fèi)兩種模式.

(5)顯示屏功能:入口顯示屏:平時(shí)顯示歡迎信息與滾動(dòng)提示車場(chǎng)內(nèi)剩余車位信息.車輛進(jìn)入后提示操作，出卡機(jī)狀態(tài)、出卡機(jī)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(shí)卡刷卡狀態(tài)提示、臨時(shí)卡收費(fèi)金額提示.月租卡到期提示功能、月卡過期提示等.

(6)停車場(chǎng)控制板功能:選用Samsung公司生產(chǎn)的ARM S3C2410 32位微處理器作為控制單元，通過對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)WINCE的移植實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的處理和接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的處理.并在WINCE平臺(tái)上運(yùn)行嵌入式輕型數(shù)據(jù)庫SQLite來存儲(chǔ)每張卡的信息，停車場(chǎng)系統(tǒng)的收費(fèi)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(duì)比功能，自動(dòng)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(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析功能強(qiáng)大，方便隨時(shí)查詢分析歷史資料.

系統(tǒng)具有防砸車功能，采用紅外對(duì)射檢測(cè)車輛是否完全通過.

所有硬件設(shè)備采用RS485的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線協(xié)議，上層管理主機(jī)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(hù)，不用停止操作即可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，數(shù)據(jù)整理工作.

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)自控，定時(shí)巡檢，確保停車場(chǎng)管理中心、各臺(tái)停車場(chǎng)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(chǎng)管理監(jiān)控主機(jī)就會(huì)產(chǎn)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(duì)不同操作的職責(zé)進(jìn)行不同權(quán)限的設(shè)置進(jìn)行分級(jí)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(wù)、多線程處理機(jī)制，系統(tǒng)的軟件除了快速響應(yīng)并處理人機(jī)對(duì)話，還高速響應(yīng)和處理網(wǎng)絡(luò)通訊任務(wù)，而且還監(jiān)控事件端口并實(shí)時(shí)響應(yīng)和處理事件.

4.2 系統(tǒng)工作流程

車輛進(jìn)入停車場(chǎng)和離開停車場(chǎng)流程圖如圖3、圖4所示.

用戶進(jìn)場(chǎng)過程中，通過RFID卡自動(dòng)識(shí)別，系統(tǒng)抓拍車輛照片、記錄車輛車牌號(hào)以及進(jìn)場(chǎng)時(shí)間等信息，讀卡機(jī)讀入RFID卡號(hào)，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，搜索相關(guān)資料判斷用戶合法性［6］.車輛到達(dá)出口時(shí)，系統(tǒng)通過讀取RFID卡信息自動(dòng)識(shí)別卡號(hào)，通過數(shù)據(jù)庫信息檢索，查到相應(yīng)車輛記錄并顯示用戶類型、車輛號(hào)碼、車輛照片、以及出場(chǎng)時(shí)間.非法用戶系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警模塊.臨時(shí)用戶繳納停車費(fèi)，歸還卡后方可出場(chǎng).

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與模擬仿真

采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件模擬運(yùn)行環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、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(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)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(chǎng)采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備.開發(fā)出的軟件可安全、高效的運(yùn)行在WINCE嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)下［7］.系統(tǒng)在模擬器下仿真運(yùn)行的登錄界面如圖5所示.不同權(quán)限用戶登錄后會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的系統(tǒng)模擬仿真界面，下面以管理員身份為例來進(jìn)行系統(tǒng)的登錄模擬仿真運(yùn)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(yùn)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(duì)比、RF卡號(hào)、卡的類別、戶主姓名、出入場(chǎng)時(shí)間、車牌號(hào)碼、卡上余額、所扣金額和補(bǔ)交金額、以及操作人員的姓名及卡號(hào)、停車場(chǎng)內(nèi)的車位信息.該模塊在模擬器中仿真運(yùn)行界面如圖7所示.

在出入管理屏幕上顯示四個(gè)口的視頻，其中下面兩個(gè)口用來圖像對(duì)比，上面兩個(gè)口用來實(shí)時(shí)監(jiān)控出入口，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控道閘的使用.車輛入場(chǎng)時(shí)，車主通過入口控制機(jī)讀卡，并自動(dòng)攝錄車輛的圖像，所讀到的RF卡上的有關(guān)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(shí)將相關(guān)信息送入服務(wù)器.

當(dāng)在模擬放著下按下報(bào)警按鈕后，系統(tǒng)立刻啟動(dòng)報(bào)警模塊，記錄當(dāng)前信息、存儲(chǔ)在SQLite數(shù)據(jù)庫中［8］，同時(shí)發(fā)出語音報(bào)警，啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)模塊［9］，報(bào)警模塊在模擬器中仿真的結(jié)果如圖8所示.

5 結(jié)論

作者根據(jù)基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能小區(qū)停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)WINCE平臺(tái)下，采用了MF1卡，并采用SQLite數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信息，最終通過MCGS嵌入式組態(tài)軟件開發(fā)了WINCE平臺(tái)下的監(jiān)測(cè)終端軟件，并進(jìn)行了模擬仿真.經(jīng)模擬仿真系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性良好，系統(tǒng)市場(chǎng)前景極為廣闊.

［1］游戰(zhàn)清，李蘇劍，張益強(qiáng)等.無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:6～8

［2］Young－II Kim Joo－Sang Park，Tae－Su Cheong.Study of RFID middleware framework for ubiquitous computing environment［C］.Korea:Advanced Communication Technology on the 7th International Conference.IEEE Computer Science，2005:825～830

［3］趙曦，張有光.一種新穎的RFID多標(biāo)簽防碰撞算法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(3):276～279

［4］焦海波，劉健康.嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于Atmel ARM7系列［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008

［5］譚民，劉禹，曾雋芳.RFID技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:9～11

［6］何煦嵐.實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的高速內(nèi)存數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(19):4957～4959

［7］韓寶俊，盧建華，閔華松.WinCE下串口通訊模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(8):1997～1999

［8］雷小俊，李偉.SQLite在嵌入式Web服務(wù)器中的應(yīng)用［J］.信息技術(shù)，2006(6):127～130

［9］陳虎，吳濤，張安定.嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008:10～62