基于物联网技术的智能停车场系统设计

狄巨星 赵建光 范晶晶

(河北建筑工程学院，河北张家口075024)

1 引言

随着中国汽车工业的发展和车辆普及化，城市静态交通问题将越来越突出，解决城市的交通堵塞和停车难的问题，已成为影响和制约城市建设和经济发展的一个重要因素.中国城市停车场划分为三类:配建停车场、路外公共停车场和路面停车场，配建停车场是提高停车场供应水平的主要停车设施，而智能小区停车场在停车场整体中占主导地位，因此，智能小区停车场的研究迫在眉睫.伴随着传感网、物联网技术的发展，其在智能小区车辆管理中的应用日渐突出.

2 RFID系统的组成和基本原理

射频识别技术(Radio Frequency Identification RFID)是一种利用无线射频技术在读写器和标签之间进行非接触双向数据传输、以达到目标识别和数据交换目的的自动识别技术［1］.近年来，射频识别技术尤其是UHF RFID(超高频射频识别)技术发展迅速，得到广泛应用.

RFID识别系统通过射频无线耦合的方式传递能量与信号(数据)，并且有一系列的通讯协议为支撑，组成一个无线数据读写系统.

2.1 RFID系统的组成

RFID系统由读卡器、电子标签、天线、控制器组成.

(1)读卡器.

读卡器实现对标签数据的读出和写入功能.该部分主要包括射频信号发送部分、射频信号接收部分、信号处理部分.读卡器通常还包括与上位机通信所必须的外围接口(如:RS－232、USB)，以便与上位机进行通信并完成进一步的操作.

读卡器的功能首先是提供必要的能量给被动标签或半主动标签，激活电子标签.不同频率的读卡器的通信距离不同，对功耗的要求也不同.读卡器最重要的任务是完成对标签数据的读写.使用可读写的RFID电子标签，用户能在标签的有效期内重复使用.读卡器还应具有与主机通信的功能，以便实现联网操作.

(2)电子标签.

电子标签是一个微型的无线收发装置，通常附着在产品上，在电子标签内保存有一定的数据，当读卡器查询时电子标签发送数据给读卡器.在电子标签内存有关于存储对象的唯一性的识别数据.

电子标签按获得能量的方式可以分为主动标签、被动标签和半主动标签.当前最常见的是被动标签.被动标签不需要电池，依靠读卡器发射的电磁能量工作，成本较低，寿命较长，得到广泛的应用.主动标签成本较高，寿命比被动标签短，但通信距离较远，适合贵重物品的追踪［2］.

(3)天线.

天线是电子标签和读卡器之间数据通信的通道，负责无线信号的发射和接收.天线的设计和位置对于RFID系统的覆盖范围、识读距离和操作通信的准确性起着重要的作用.工作在不同频率的读卡器决定了天线尺寸的不同，进而影响读卡器的作用范围不同.

虽然RFID读卡器与电子标签之间传输的是数字信号，但天线发送和接收的是模拟信号，信号的传输质量很容易受到环境的干扰.一个设计合理的天线能够很好的处理环境的干扰，对一个RFID系统成功与否起着重要的作用.

2.2 RFID系统的基本原理

RFID系统的工作原理框图如图1所示:

射频识别技术利用无线射频信号实现移动设备与PC机之间的数据交换.射频识别技术中最关键的是数据的传输交换，它发生在RFID读卡器和RFID电子标签之间.RFID系统的基本工作流程是:读卡器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活，将自身编码等信息通过电子标签内置天线发送出去;系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器对接收的信号进行解调和解码后送到主机进行相关处理;主机根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行部件动作［3］.

3 嵌入式技术

嵌入式系统具有如下三个主要特点:

(1)与应用紧密结合、具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用.

(2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统.

(3)嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求.所以，建立相对通用的软硬件基础，在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式.

嵌入式系统中的两个核心概念是嵌入式处理器和嵌入式操作系统:嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元，其范围极其广泛，从最初的4位处理器，到8位单片机，再到最新的受到广泛青睐的32位、64位嵌入式CPU.ARM(Advanced RISC Machines)是一类嵌入式处理器的简称，应用涉及到日常生活各个领用.本系统采用的是Samsung公司生产的ARM S3C2410 32位微处理器［4］.

嵌入式操作系统(Embedded Operation System，EOS)是一种用途广泛的系统软件，负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动.嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点.被系统采用的嵌入式操作系统是微软公司的WINCE.NET.

4 物联网智能小区停车场设计与仿真

4.1 系统模型

智能小区停车场系统模型如图2所示.

系统可对停车场的月租及临时卡两类用户进行管理.系统各模块功能如下:

(1)自动出卡机功能:临时卡进场采用车辆检测器与自动出卡机结合自动取卡并控制升闸.做到“无车不出卡、一车出一卡”.自动出卡机缺卡时可在入口显示屏及电脑屏幕上报警提示.

(2)语音提示功能:出入口均设有语音自动提示.入口提示欢迎信息，出口提示临时车辆的收费金额及欢送礼貌用语.

(3)读卡器:射频模块选择NXP半导体公司生产的Mifare 1卡，可读可写.读卡距离:3～15cm;通讯方式:RS232通讯、USB 通讯、键盘口通讯;通讯格式:RS232(9600/1200，n，8，1)、ASCII编码、或键盘口扩展码;输出格式:10位卡号或10位序列号.读卡时间:0.3s;激发频率:125Khz或13.56Mhz［5］.

(4)计费方式:月卡计费有:按月、季度、年、一次性四种方式;临时卡有:按时、按次、按日三种方式.在线运行及脱机运行均可，并可使用中央收费及出口收费两种模式.

(5)显示屏功能:入口显示屏:平时显示欢迎信息与滚动提示车场内剩余车位信息.车辆进入后提示操作，出卡机状态、出卡机缺卡提示、刷卡后状态提示、月卡即将到期提示、月卡过期提示.出口显示屏:月卡、临时卡刷卡状态提示、临时卡收费金额提示.月租卡到期提示功能、月卡过期提示等.

(6)停车场控制板功能:选用Samsung公司生产的ARM S3C2410 32位微处理器作为控制单元，通过对嵌入式操作系统WINCE的移植实现多任务的处理和接收、发送数据的处理.并在WINCE平台上运行嵌入式轻型数据库SQLite来存储每张卡的信息，停车场系统的收费与刷卡记录数据具有不可修改性，保证数据来源的唯一性.

本系统有多种通讯方式供选择，如“TCP/IP、RS485、RS232、GPRS、ZIGBEE”等.

系统具有图像对比功能，自动抓拍出入口车辆图像存档，防盗车.车辆出入图片资料统一在数据库存储，统计分析功能强大，方便随时查询分析历史资料.

系统具有防砸车功能，采用红外对射检测车辆是否完全通过.

所有硬件设备采用RS485的现场工业总线协议，上层管理主机间则采用TCP/IP协议、上层数据库采用是SQLSERVER，底层数据库采用嵌入式数据库SQLite，数据库可以不间断维护，不用停止操作即可对数据库进行备份，数据整理工作.

整个系统实时自控，定时巡检，确保停车场管理中心、各台停车场控制器及通讯线路的正常工作.如果出现通讯情况异常，停车场管理监控主机就会产生通讯异常提示.系统管理员可增加不同的操作员，管理员可以针对不同操作的职责进行不同权限的设置进行分级管理.系统的控制器软件和控制系统终端软件都采用多任务、多线程处理机制，系统的软件除了快速响应并处理人机对话，还高速响应和处理网络通讯任务，而且还监控事件端口并实时响应和处理事件.

4.2 系统工作流程

车辆进入停车场和离开停车场流程图如图3、图4所示.

用户进场过程中，通过RFID卡自动识别，系统抓拍车辆照片、记录车辆车牌号以及进场时间等信息，读卡机读入RFID卡号，在系统数据库内进行数据检索，搜索相关资料判断用户合法性［6］.车辆到达出口时，系统通过读取RFID卡信息自动识别卡号，通过数据库信息检索，查到相应车辆记录并显示用户类型、车辆号码、车辆照片、以及出场时间.非法用户系统将启动报警模块.临时用户缴纳停车费，归还卡后方可出场.

4.3 系统实现与模拟仿真

采用MCGS嵌入式组态软件模拟运行环境对系统进行仿真，MCGS嵌入版组态软件是昆仑通态公司开发的组态软件，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制.MCGS嵌入版组态软件与其它相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备，如可灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备.开发出的软件可安全、高效的运行在WINCE嵌入式操作系统平台下［7］.系统在模拟器下仿真运行的登录界面如图5所示.不同权限用户登录后会进入相应的系统模拟仿真界面，下面以管理员身份为例来进行系统的登录模拟仿真运行.以管理员身份登录成功后，系统主界面在模拟器中仿真运行如图6所示.

出入管理是系统的主要功能模块，出入管理的界面包括:出、入口车辆的图像采集、车辆图像对比、RF卡号、卡的类别、户主姓名、出入场时间、车牌号码、卡上余额、所扣金额和补交金额、以及操作人员的姓名及卡号、停车场内的车位信息.该模块在模拟器中仿真运行界面如图7所示.

在出入管理屏幕上显示四个口的视频，其中下面两个口用来图像对比，上面两个口用来实时监控出入口，并可实时监控道闸的使用.车辆入场时，车主通过入口控制机读卡，并自动摄录车辆的图像，所读到的RF卡上的有关信息和摄录的入口车辆图像被传送到工作站，并在屏幕上显示上述的信息，同时将相关信息送入服务器.

当在模拟放着下按下报警按钮后，系统立刻启动报警模块，记录当前信息、存储在SQLite数据库中［8］，同时发出语音报警，启动联动模块［9］，报警模块在模拟器中仿真的结果如图8所示.

5 结论

作者根据基于RFID的物联网技术、嵌入式技术设计实现了物联网智能小区停车场管理系统，该系统运行在嵌入式操作系统WINCE平台下，采用了MF1卡，并采用SQLite数据库存储实时信息，最终通过MCGS嵌入式组态软件开发了WINCE平台下的监测终端软件，并进行了模拟仿真.经模拟仿真系统安全、稳定，实时性良好，系统市场前景极为广阔.

［1］游战清，李苏剑，张益强等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用［M］.北京:电子工业出版社，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］赵曦，张有光.一种新颖的RFID多标签防碰撞算法［J］.北京航空航天大学学报，2008，34(3):276～279

［4］焦海波，刘健康.嵌入式网络系统设计——基于Atmel ARM7系列［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008

［5］谭民，刘禹，曾隽芳.RFID技术系统工程及应用指南［M］.北京:机械工业出版社，2007:9～11

［6］何煦岚.实时嵌入式系统的高速内存数据库设计［J］.计算机工程与设计，2008，29(19):4957～4959

［7］韩宝俊，卢建华，闵华松.WinCE下串口通讯模型设计与实现［J］.计算机工程与设计，2008，29(8):1997～1999

［8］雷小俊，李伟.SQLite在嵌入式Web服务器中的应用［J］.信息技术，2006(6):127～130

［9］陈虎，吴涛，张安定.嵌入式系统课程设计［M］.北京:电子工业出版社，2008:10～62