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基于射頻識(shí)別技術(shù)的停車場無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

更新時(shí)間： 2017.10.25 瀏覽次數(shù)：4394

摘要：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，這給停車場的車輛管理(停車效率

、停車安全)提出了新的挑戰(zhàn)

。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

，引起了人們對停車場管理及服務(wù)的興趣

。目前

，有很多定位技術(shù)...

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，這給停車場的車輛管理(停車效率

、停車安全)提出了新的挑戰(zhàn)

。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，引起了人們對停車場管理及服務(wù)的興趣

。目前

，有很多定位技術(shù)都可以對物體進(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)

。但是，到目前為止

，大部分使用802．11技術(shù)的系統(tǒng)的定位精度未能達(dá)到理想的尺度

。
(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)據(jù)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

，而且RFID定位技術(shù)對環(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)該對象的大量信息

。針對這種情況

，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

，對車場車輛進(jìn)行無線定位引導(dǎo)。通過停車場的計(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�

？繒r(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)_2]

。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

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

，如圖1所示。其標(biāo)簽的讀寫工作范圍為200 m

。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

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

，其基本電路圖如圖2所示

。

圖2 無線觸發(fā)喚醒電路

2 定位方法

對車輛進(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

。讀寫器與標(biāo)簽分布示意圖如圖3所示。

圖3 車場車位定位引導(dǎo)系統(tǒng)讀寫器和標(biāo)簽分布示意圖

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�

；谛盘�(hào)強(qiáng)度的程序框圖如圖4所示。

圖4 基于信號(hào)強(qiáng)度的定位解算算法模塊框圖

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