翟維, 肖軍, 郭遠(yuǎn)超, 張恒

(西安航空學(xué)院,電子工程學(xué)院，陜西,西安 710077)

0 引言

減少城市交通擁堵是大多數(shù)城市的首要目標(biāo)之一，公共停車智能管理系統(tǒng)的發(fā)展是解決這一問題的基本方法。由于缺乏停車位使得司機經(jīng)常占用為特定類別的人保留的停車位，例如殘疾人或執(zhí)法人員車位。這不僅會給尋找停車位的司機造成時間和燃料的浪費，還會增加空氣污染和司機的焦灼情緒。針對這些問題，大力發(fā)展新的智能泊車系統(tǒng)，能夠更好地管理城市停車場，更有效地解決道路交通問題。

RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)是一種低成本、低功耗技術(shù)，由無源或電池輔助無源設(shè)備組成，能夠在由詢問器生成的電磁場供電時傳輸數(shù)據(jù)[1]。由于無源RFID標(biāo)簽的使用不需要能源，其使用壽命可以保持幾十年，從而使RFID技術(shù)非常適合于各種應(yīng)用場景[2]。然而，RFID標(biāo)簽的主要缺點在于它們只能在讀寫器覆蓋區(qū)域內(nèi)工作，即分別使用完全無源標(biāo)簽和BAP標(biāo)簽時最高可達(dá)10 m和50 m[3]。顯然，這樣的限制使超高頻射頻識別技術(shù)只能在相當(dāng)小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)識別和監(jiān)測。

WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本上是由小型設(shè)備組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備以多跳方式進(jìn)行通信，以提供監(jiān)視和控制功能。目前，大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是電池供電的計算臺,集成模擬/數(shù)字傳感器和IEEE 802.15.4無線電的電池供電計算平臺，可實現(xiàn)高達(dá)100 m的室外通信范圍[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號比RFID標(biāo)簽消耗更多的功率，從而使整個網(wǎng)絡(luò)壽命成為這種技術(shù)的主要限制[5]。RFID和WSN代表了兩種互補的技術(shù)，它們的物理集成可以提供更豐富的功能，并為廣泛的不可替代應(yīng)用提供新的視角。

本文提出并討論了一種新穎的物聯(lián)網(wǎng)感知智能停車系統(tǒng)。通過利用不同但互補的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)為停車位的自動監(jiān)控和管理提供創(chuàng)新服務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地收集環(huán)境狀況和停車位占用狀況的信息，并將這些信息傳送到控制中心。高級監(jiān)控應(yīng)用程序分析接收到的數(shù)據(jù)，并向最近交通警察的移動應(yīng)用程序發(fā)送警報消息，以防未經(jīng)授權(quán)使用預(yù)留空間或停車超時。駕駛員可以使用不同的定制移動應(yīng)用程序來查找最近的停車位并支付費用。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 智能停車系統(tǒng)架構(gòu)

假定在每個停車位上放置定制的UHF RFID標(biāo)簽，以檢測汽車的存在，同時將路由器讀卡器節(jié)點放置在停車位附近的桿上。一旦標(biāo)簽提供足夠的光照水平，它們就會將ID傳回路由器讀卡器。這里采用定制的RFID標(biāo)簽作為檢測傳感器而不是選用WSN節(jié)點，是為了保持高可靠性的同時降低安裝成本。檢索到的信息通過部署的WSN傳遞到物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)。然后直接與混合傳感網(wǎng)絡(luò)連接，另一方面通過通信接口與因特網(wǎng)連接。

邊界路由器節(jié)點用于檢查只有授權(quán)的汽車占用預(yù)留的停車位。這些汽車標(biāo)有RFID標(biāo)簽，其中包含有關(guān)其特殊權(quán)限的信息。在不久的將來，可以使用特殊的RFID車牌來存儲有關(guān)汽車及其所有者的大量信息。當(dāng)安裝在中央服務(wù)器上的管理應(yīng)用程序意識到已經(jīng)占用了預(yù)留的停車位時，它會檢查是否已識別出新的標(biāo)簽，驗證汽車的授權(quán)。為此，中央服務(wù)器建立了一個控制數(shù)據(jù)庫，存儲有關(guān)停車位可用性和用戶付款等大量信息(圖1中的控制數(shù)據(jù)庫)。

此外，管理應(yīng)用利用推送方式來通知交警不正當(dāng)使用預(yù)留空間或停車時間的車輛信息。交警通過智能手機連接RFID閱讀器并運行定制的交通協(xié)管App。交警還可以直接與放置在汽車上的標(biāo)簽交互。停車交費App可以引導(dǎo)駕駛員找到指定區(qū)域內(nèi)可用的停車位、支付停車費、檢查剩余停車時間并接收推送通知。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 超高射頻識別功能

如圖2所示，6LowPAN路由讀卡器由RFID讀寫器通過通用異步收發(fā)器(UART)通信總線與6LowPAN接口組成。它配備了一個16位超低功耗TI MSP430F2618微控制器單元(MCU)。無線通信功能由符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的TI CC2420收發(fā)器提供，傳輸頻率為2.4 GHz。所選的RFID讀寫器是通過傳感器ID發(fā)現(xiàn)超高頻門[6]，它可以很容易地通過接口控制板上的通用異步收發(fā)器(UART)。

圖2 6LowPAN路由讀卡器結(jié)構(gòu)

2.2 BAP RFID解決方案

為了檢測停車位中汽車的存在，開發(fā)了BAP RFID技術(shù)。BAP標(biāo)簽使用電池來運行標(biāo)簽電路，通信方式與完整的無源RFID相同，其中標(biāo)簽ID通過反射輸入的無線電波傳輸回讀取器，從而傳輸二進(jìn)制數(shù)字。我們考慮更換電池為太陽能電池。這樣，一旦太陽能電池被足夠多的光照亮，標(biāo)簽就能以其標(biāo)識特定停車位的ID碼對讀取器作出反應(yīng)了。

3 軟件結(jié)構(gòu)

3.1 混合傳感網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計采用了搭載CoAP消息的REST請求/響應(yīng)范例。CoAP是物聯(lián)網(wǎng)中最常用的通信協(xié)議之一，其主要目標(biāo)是提供對物理資源的輕量級訪問，以滿足嵌入式設(shè)備的有限功能。CoAP設(shè)計類似于HTTP，因為它在2個端點之間提供請求/響應(yīng)模型交互，并包括Web的關(guān)鍵概念[7]。此外，CoAP提供了一種資源檢測機制，允許客戶端在其先前訂閱的資源狀態(tài)發(fā)生變化時接收通知。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是設(shè)計架構(gòu)的重要組成部分。它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和傳輸，以及付款的執(zhí)行。通過連接Rasperry Pi板實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)。它還配備了GPRS模塊。從功能的角度來看，它主要由2個不同的塊組成：代理服務(wù)器和計費系統(tǒng)。

代理服務(wù)器允許與CoAP設(shè)備進(jìn)行透明通信。它負(fù)責(zé)將來自用戶界面和管理應(yīng)用的HTTP請求轉(zhuǎn)換為CoAP消息。具體而言，代理服務(wù)器能夠以JSON格式接收，處理和回復(fù)來自管理應(yīng)用和用戶界面的請求。它部署在物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)上,安裝在Jetty應(yīng)用服務(wù)器上。通過實現(xiàn)緩存服務(wù)擴(kuò)展代理邏輯，從而支持對同一資源的多個請求，并限制了注入物聯(lián)網(wǎng)外圍網(wǎng)絡(luò)的通信量。

3.3 中央服務(wù)器

中央服務(wù)器是本設(shè)計架構(gòu)的核心。它控制整體物聯(lián)網(wǎng)感知智能停車系統(tǒng)。中央服務(wù)器的不同組件在圖1中突出顯示，具體描述如下。

(1)管理應(yīng)用程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。管理應(yīng)用程序是一個獨立的Java應(yīng)用程序，可通過用戶界面輕松配置和訪問。它執(zhí)行兩項不同的任務(wù)：允許環(huán)境操作員控制環(huán)境條件；監(jiān)控停車場狀態(tài)并在發(fā)生危急情況時給交警發(fā)出警告。出于這些目的，管理應(yīng)用程序?qū)幕旌蟼鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點檢索到的信息存儲在控制數(shù)據(jù)庫上。該數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)處理和可視化分離，因此操作人員在正常操作模式下不需要直接詢問混合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

(2)安全訪問管理器和用戶數(shù)據(jù)庫。安全訪問管理器可確保隱私和數(shù)據(jù)保護(hù)。它協(xié)調(diào)終端用戶和中央服務(wù)器之間的所有通信，僅向授權(quán)用戶提供對存儲信息的訪問，即在用戶數(shù)據(jù)庫上注冊。

3.4 用戶界面

授權(quán)用戶可以通過用戶界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互，可通過Web瀏覽器的固定工作區(qū)和移動設(shè)備訪問。允許用戶通過代理服務(wù)器與混合傳感網(wǎng)絡(luò)通信。開發(fā)的用戶界面根據(jù)2個可能的客戶端配置文件提供2個主要功能。

交通人員界面：該界面允許交通運營商管理來自環(huán)境傳感器的當(dāng)前和歷史信息，可視化并最終更改有關(guān)停車場狀態(tài)和存儲在控制數(shù)據(jù)庫中的用戶付款的數(shù)據(jù)。

驅(qū)動程序接口：該界面允許駕駛員可以看到停車場的占用狀態(tài)和執(zhí)行支付的信息。

4 系統(tǒng)測試

4.1 檢測系統(tǒng)實驗

為了開發(fā)能夠檢測汽車存在的太陽能RFID，需要選擇合適的RFID標(biāo)簽和足夠的太陽能電池。標(biāo)簽性能取決于其芯片靈敏度，天線性能以及標(biāo)簽和天線之間的阻抗匹配，而太陽能電池的性能取決于不同太陽輻照度下的電流-電壓特性。

為了分析太陽能標(biāo)簽的可行性，文章在特定情況下使用2個電池進(jìn)行了一些測試。我們使用了一種能提供太陽輻射強度(W/m2)的日照器。對2個信源進(jìn)行了測量。在室外、陽光明媚的日子和室內(nèi)環(huán)境中(沒有窗簾，并打開燈)。測量結(jié)果如表1所示。

表1 日射強度和太陽能電池測量

實驗中，RFID標(biāo)簽被放置在桌子、椅子、木制櫥柜和計算機設(shè)備的室內(nèi)環(huán)境中。閱讀器天線安裝在天花板上，而標(biāo)簽位于離天線約4 m的地板上，并且在60°的角度下。為了檢查功率要求，電壓設(shè)置略有變化，以便評估為標(biāo)簽供電和可靠讀取所需的最小值。從圖3中可以看出，低于10 W/m2的光照水平無法提供足夠的功率來運行標(biāo)簽，所以我們需要大于10 W/m2來運行標(biāo)簽，特別是在由于金屬條件而傳播無線電波很難的汽車位置下方。若低于此閾值會關(guān)閉標(biāo)簽，從而發(fā)出停車位占用信號。

圖3 標(biāo)簽和太陽電池的電壓、電流和功率特性測量

5 總結(jié)

本文將WSN的通信技術(shù)與RFID技術(shù)的識別特征相結(jié)合，通過利用不同但互補的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實時收集關(guān)于停車位的占用狀態(tài)的環(huán)境參數(shù)和信息。為了降低整體系統(tǒng)成本，我們采用配備太陽能和電池兼容的RFID標(biāo)簽來檢測汽車的存在。本文提出了該系統(tǒng)的初步結(jié)果，未來的工作將包括對這種系統(tǒng)的完整評估，通過實際的發(fā)展來開展和進(jìn)行。