首頁熱門文章
基于射頻識(shí)別技術(shù)的智慧停車場無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析
發(fā)布時(shí)間：2017-11-17 分類：交通百科
隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長，汽車的社會(huì)擁有量不斷增加，汽車停車場的數(shù)量將隨之增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大，這給智慧停車場的車輛管理(停車效率、停車安全)提出了新的挑戰(zhàn)。智慧停車場的管理既要使車輛存取方便、快捷，又要保證安全、可靠。如何在車場中找到車位或者定位自己的車輛，引起了人們對(duì)智慧停車場管理系統(tǒng)及服務(wù)的興趣。目前，有很多定位技術(shù)都可以對(duì)物體進(jìn)行定位，但在小區(qū)域(如室內(nèi))定位服務(wù)中，現(xiàn)有的定位技術(shù)存在著一定的缺陷，如GPS技術(shù)用于停車場這種小區(qū)域的定位服務(wù)中，成本太高而且定位精度不高。其它技術(shù)如超聲波技術(shù)、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、IEEE802.11、超寬帶(UWB)等，應(yīng)用于室內(nèi)定位服務(wù)，各有優(yōu)劣。
(1)超聲波技術(shù)：采用超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行測量定位。它的最大優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，但是，這種技術(shù)有著自身不可避免的局限性，如超聲波信號(hào)遇到障礙物會(huì)丟失、反射形成虛假信號(hào)以及高頻噪聲的干擾等，另外，需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施才能獲得很高的定位精度，成本昂貴。
(2)IEEE802.11：RADAR是一個(gè)基于射頻的室內(nèi)定位和跟蹤系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)適配器，在指定的區(qū)域，通過測試多個(gè)已定位的提供重疊覆蓋的基站的信號(hào)強(qiáng)度來進(jìn)行定位。這種技術(shù)結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)測試和信號(hào)傳播模型。以決定用戶的位置，因此，它可以實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)容易建立，要求很少的基站，并且采用相同的構(gòu)架就可以在室內(nèi)提供通用的無線網(wǎng)絡(luò)。
(3)射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)：一個(gè)著名的采用RFID技術(shù)的定位系統(tǒng)是SpotON。SpotON根據(jù)無線信號(hào)強(qiáng)度分析，采用聚合算法進(jìn)行三維定位。SpotON 系統(tǒng)中硬件標(biāo)簽成網(wǎng)絡(luò)狀分布，無需中央控制單元，通過標(biāo)簽檢測到的信號(hào)強(qiáng)弱來估計(jì)交互標(biāo)簽的距離。然而，完整的SpotON系統(tǒng)到目前為止還沒有建成。
(4)超寬帶UWB：使用非常寬的頻帶來收發(fā)數(shù)據(jù)的技術(shù)。它的最大數(shù)傳輸速度可超過100Mbps。UWB在民用領(lǐng)域是一項(xiàng)新技術(shù)，F(xiàn)CC直到2002—02—14才下令開放UWB的民用用途。目前的使用范圍暫限制在3.1～ 10.6GHz。UWB技術(shù)特別適合室內(nèi)使用，它具有抗多徑衰落的固有魯棒性。其定位精度小于幾個(gè)cm， 并通常遵循自由空間傳播規(guī)律。低成本和低系統(tǒng)復(fù)雜性，可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。
RFID技術(shù)同其它技術(shù)比較而言，具有成本上的優(yōu)勢(shì)，而且RFID定位技術(shù)對(duì)環(huán)境的要求和受到的環(huán)境影響都很小，定位精度較高，傳輸范圍大;RFID技術(shù)在定位物體的同時(shí)還從定位目標(biāo)中讀取有關(guān)該對(duì)象的大量信息。針對(duì)這種情況，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于射頻識(shí)別技術(shù)，采用基于信號(hào)強(qiáng)度與到達(dá)時(shí)間差的復(fù)合定位算法，對(duì)車場車輛進(jìn)行無線定位引導(dǎo)。通過智慧停車場的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)獲得停車場?？寇囕v的個(gè)體信息。包括空余停車位的數(shù)量與分布情況，方便車主順利地找到停車位置;在智慧停車場的人口處可以通過終端查詢系統(tǒng)很方便地查詢到自己的車輛在智慧停車場中的具體位置;在出口處，根據(jù)車載卡報(bào)告時(shí)記錄的起始?？繒r(shí)間，可以很方便地得出車輛停靠時(shí)間及應(yīng)付費(fèi)用。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是電子系統(tǒng)復(fù)雜性低，容易實(shí)現(xiàn)且成本低;定位精度高，抗干擾能力強(qiáng)。
1 定位系統(tǒng)的硬件組成
射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是從2O世紀(jì)8O年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別目的。和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比， 射頻卡最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸，因此完成識(shí)別工作時(shí)無須人工干預(yù)，適合于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化且不易損壞。目前，RFID技術(shù)在應(yīng)用中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)是讀寫沖突、RFID安全和隱私保護(hù)、天線和RFID定位等問題。最基本的RFID系統(tǒng)由3部分組成：電子標(biāo)簽(Tag)、讀卡器(Reader)和在標(biāo)簽與讀卡器之間傳遞射頻信號(hào)的微型天線(Antenna)。
1.1 系統(tǒng)硬件組成
智慧停車場車位定位系統(tǒng)是基于主動(dòng)射頻識(shí)別校驗(yàn)的動(dòng)態(tài)定位識(shí)別系統(tǒng)， 由標(biāo)簽(車載卡)、讀寫器(Reader)、微型天線和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這4個(gè)主要部分組成。其標(biāo)簽的讀寫工作范圍為200 m。
標(biāo)簽(車載卡)的電路由單片機(jī)控制模塊、信號(hào)強(qiáng)度測算模塊、射頻收發(fā)模塊及無線喚醒電路幾部分組成。單片機(jī)用于控制射頻收發(fā)模塊和保存與車載卡ID 相關(guān)的信息;射頻收發(fā)模塊則負(fù)責(zé)接收和發(fā)射讀寫器送來的信號(hào);無線喚醒電路則在收到讀寫器發(fā)送的特定信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)喚醒休眠的單片機(jī)和射頻收發(fā)模塊;信號(hào)強(qiáng)度測算模塊主要完成接收信號(hào)強(qiáng)度的測量，采用ADI公司生產(chǎn)的對(duì)數(shù)放大器AD8313來實(shí)現(xiàn)其功能。標(biāo)簽固定在車前的玻璃上。
讀寫器的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、接口控制及定位解算模塊幾部分組成， 其中接口控制及定位解算模塊具有極強(qiáng)的計(jì)算能力，用于控制定位系統(tǒng)中射頻信號(hào)發(fā)射和接收。單片機(jī)模塊采用Microchip公司的PIC16F系列， 射頻收發(fā)模塊采用美國模擬器件公司推出的低功耗ISM 頻段收發(fā)器ADF7020，其特點(diǎn)是：(1)頻移鍵控調(diào)制，收發(fā)合一，工作在431～478MHz和862～956MHz的ISM 頻段， 工作速率最高可達(dá)200Kbit/s， 電源電壓在2.3～3.6V 內(nèi)均可正常工作;(2)接收模式的功耗為20mA，lOdBm 輸出的發(fā)送模式的功耗為30mA，關(guān)斷模式的電流小于1 μA;(3)可編程配置載波頻率和數(shù)據(jù)率等內(nèi)容。有關(guān)ADF7020的詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)。其工作頻率采用跳頻機(jī)制，發(fā)射功率都預(yù)先確定并可調(diào)。
讀寫器和標(biāo)簽都有工作及休眠二種工作模式。讀寫器的工作模式由接口控制模塊控制，而標(biāo)簽的工作模式由讀寫器控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，發(fā)出定位控制請(qǐng)求，將定位解算出的數(shù)據(jù)與車場的位置地圖比較后，確定車的位置并在顯示屏上顯示結(jié)果。
1.2 低功耗設(shè)計(jì)
本無線定位系統(tǒng)的車載卡采用電池供電， 而電池是一種消耗性的電源，工作時(shí)間短。為了延長車載卡的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電源管理，以降低功耗。當(dāng)前大多數(shù)的電源管理方法采用一種周密設(shè)計(jì)的喚醒、休眠方法。但大多數(shù)情況下，喚醒周期的大部分時(shí)間是徒勞無用的，消耗能量。本系統(tǒng)中采用一種無線觸發(fā)喚醒的電源管理方法。在這種方法中，車載卡進(jìn)人休眠模式后就會(huì)一直保持睡眠狀態(tài)，在讀寫器沒有發(fā)送出特定頻率的無線信號(hào)時(shí)，它是不會(huì)被喚醒的。當(dāng)然，這個(gè)特定頻率的無線信號(hào)會(huì)立即地喚醒休眠的車載卡。這樣，就節(jié)省了在喚醒前和監(jiān)測期間的電源消耗。喚醒脈沖通過特定頻率傳送，而數(shù)據(jù)通信采用另外的無線頻率傳送。一旦讀寫器與標(biāo)簽建立通信連接后，雙方便跳到由讀寫器指定的固定頻率上工作，這樣，即使車場中其它標(biāo)簽在無線通信范圍內(nèi)也不會(huì)被喚醒，避免了同頻干擾。無線觸發(fā)喚醒電路主要由無源元件構(gòu)成。
2 定位方法
對(duì)車輛進(jìn)行定位前，首先根據(jù)停車場的實(shí)際情況規(guī)劃出停車場的車位位置分布圖，存入信息處理的數(shù)據(jù)庫;然后根據(jù)停車場系統(tǒng)的情況布置讀寫器，最少需要布置3個(gè)讀寫器。同時(shí)，在停車場中還布置一個(gè)位置固定的參考標(biāo)簽，作為一個(gè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)來幫助位置校準(zhǔn)，布設(shè)的讀寫器數(shù)量依據(jù)停車場環(huán)境而定。
當(dāng)車進(jìn)入停車場或者車停放在某個(gè)車位后，計(jì)算機(jī)發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)喚醒車場中的某一個(gè)讀寫器，再由讀寫器發(fā)出一個(gè)無線喚醒信號(hào)，喚醒標(biāo)簽。標(biāo)簽接收到信號(hào)后，從睡眠模式中喚醒，然后，比較自身ID號(hào)與接收信號(hào)中的ID號(hào)是否一致，ID號(hào)不相符的標(biāo)簽再次進(jìn)入休眠模式，而ID相符的標(biāo)簽則進(jìn)入工作模式，接收信號(hào)并定位解算出其位置數(shù)據(jù)，最后上傳其位置數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)。
由于多徑效應(yīng)和非視距傳輸所帶來的傳輸延時(shí)使定位精度不高。系統(tǒng)采用基于信號(hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差的復(fù)合定位算法對(duì)車輛進(jìn)行位置計(jì)算，獲得車輛的位置數(shù)據(jù)。定位算法在接口控制及定位解算模塊中完成?；谛盘?hào)強(qiáng)度的定位算法是用一個(gè)位置已知的參考標(biāo)簽與待定位的標(biāo)簽接收同一個(gè)讀寫器的定位信號(hào)。參考標(biāo)簽所測得的位置與該點(diǎn)已知值進(jìn)行比較后，獲得讀寫器定位數(shù)據(jù)的校正值，然后及時(shí)將此校正值發(fā)送給待定位的標(biāo)簽，修正標(biāo)簽所測得的實(shí)時(shí)位置信息S，并將此信息上傳給讀寫器。在此過程中始終保持只有一個(gè)讀寫器工作，其余的讀寫器處于休眠中。當(dāng)一個(gè)讀寫器完成位置信息采集后，再由其它讀寫器完成同樣的過程，這種定位方式下至少需要進(jìn)行3次位置信息的采集。假設(shè)信號(hào)強(qiáng)度公式與讀寫器和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)，則簡單信號(hào)傳播模型可用式(1)表示。
式中，P (r)是標(biāo)簽接收到的功率，其與讀寫器的距離為r; r0為相對(duì)于讀寫器的參考距離;P (r0)為該參考點(diǎn)的信號(hào)功率。參數(shù)a為路徑損耗隨著距離r的增加而增加的速率。該模型計(jì)算出的某個(gè)位置信號(hào)強(qiáng)度往往被估計(jì)得過高，實(shí)用性不大，比較實(shí)用的信號(hào)強(qiáng)度模型在文獻(xiàn)中有比較詳細(xì)的介紹。
采用到達(dá)時(shí)間差(TD0A)算法是通過測量不同讀寫器接收到同一標(biāo)簽的定位信號(hào)的時(shí)間差，并由此計(jì)算出標(biāo)簽到不同讀寫器間的距離差。標(biāo)簽到任何兩個(gè)讀寫器的距離差D為定值，標(biāo)簽必定位于以兩個(gè)讀寫器為焦點(diǎn)的雙曲線上， 當(dāng)同時(shí)有N個(gè)讀頭參與測距時(shí)(N≥ 3)， 由多個(gè)雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對(duì)標(biāo)簽位置的估計(jì)。TDOA 只是測量各讀寫器接收到同一標(biāo)簽定位信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差，參加定位的各個(gè)讀寫器在時(shí)間上不要求嚴(yán)格同步。假定測量第i個(gè)讀寫器和第j個(gè)讀寫器的到達(dá)時(shí)間分別為TA i和TA j，那么信號(hào)到達(dá)第i個(gè)和第j個(gè)讀寫器的時(shí)間差就是TAji =TAi -TAj。它們的距離差Rji=C*TAji則標(biāo)簽坐標(biāo)與讀寫器坐標(biāo)存在如下關(guān)系：
解上述方程組，利用基于信號(hào)強(qiáng)度定位算法解算出的坐標(biāo)值及一些先驗(yàn)知識(shí)(如停車場半徑等)從其兩個(gè)解中分辨出標(biāo)簽具體的位置。
3 定位系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)的定位解算軟件構(gòu)架分為基于信號(hào)強(qiáng)度的定位算法和到達(dá)時(shí)間差定位算法二個(gè)模塊，二者過程相似，只是測算對(duì)象不同在到達(dá)時(shí)間差定位算法過程中，不需要喚醒參考標(biāo)簽，只有待定位標(biāo)簽向讀寫器發(fā)送信號(hào)，保持只有一個(gè)標(biāo)簽發(fā)信號(hào);基于信號(hào)強(qiáng)度的定位算法過程中，首先在標(biāo)簽上完成信號(hào)強(qiáng)度的測量，然后再上傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將信號(hào)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為幾何距離，解算出待定位標(biāo)簽的位置數(shù)據(jù)，在信號(hào)強(qiáng)度的測算過程中保持只有一個(gè)讀寫器工作。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
基于這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境：一個(gè)近似矩形的露天停車場，在其4角各布置一個(gè)讀定器，在車場中央位置布置一個(gè)參考標(biāo)簽，對(duì)本定位系統(tǒng)做了實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無線觸發(fā)喚醒電源方式的工作時(shí)間要比周期查詢方式、待機(jī)方式下的工作時(shí)間長好幾倍，大大減少了系統(tǒng)在等待狀態(tài)下的功耗，提高了電池的使用壽命?；谛盘?hào)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間差的復(fù)合定位算法下的定位精度可達(dá)到1m左右，讀寫器與參考標(biāo)簽的數(shù)量和布置位置影響定位精度，外界環(huán)境因素對(duì)定位精度的影響大大降低。定位精度可以滿足停車場的車輛定位要求。
