、讀寫器(Reader)、微型天線和計算機(jī)系統(tǒng)這4個主要部分組成，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；無線喚醒電路則在收到讀寫器發(fā)送的特定信號后產(chǎn)生一個中斷信號喚醒休眠的單片機(jī)和射頻收發(fā)模塊；信號強(qiáng)度測算模塊主要完成接收信號強(qiáng)度的測量，采用ADI公司生產(chǎn)的對數(shù)放大器AD8313來實現(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)的計算能力

，用于控制定位系統(tǒng)中射頻信號發(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

。計算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)后臺數(shù)據(jù)存儲和管理，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 

    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

，工作時間短

。為了延長車載卡的工作時間，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)計的喚醒、休眠方法

。但大多數(shù)情況下

，喚醒周期的大部分時間是徒勞無用的，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時

，它是不會被喚醒的。當(dāng)然

，這個特定頻率的無線信號會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個讀寫器。同時

，在停車場中還布置一個位置固定的參考標(biāo)簽

，作為一個測量基準(zhǔn)點來幫助位置校準(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車位后

，計算機(jī)發(fā)出一個中斷信號喚醒車場中的某一個讀寫器，再由讀寫器發(fā)出一個無線喚醒信號

，喚醒標(biāo)簽

。標(biāo)簽接收到信號后，從睡眠模式中喚醒

，然后

，比較自身ID號與接收信號中的ID號是否一致，ID號不相符的標(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)給計算機(jī)

。 

    由于多徑效應(yīng)和非視距傳輸所帶來的傳輸延時使定位精度不高。系統(tǒng)采用基于信號強(qiáng)度和到達(dá)時間差的復(fù)合定位算法對車輛進(jìn)行位置計算

，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�

；�于信號強(qiáng)度的定位算法是用一個位置已知的參考標(biāo)簽與待定位的標(biāo)簽接收同一個讀寫器的定位信號

。參考標(biāo)簽所測得的位置與該點已知值進(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)簽所測得的實時位置信息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讀寫器工作

，其余的讀寫器處于休眠中。當(dāng)一個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)為該參考點的信號功 
率

。參數(shù)a為路徑損耗隨著距離r的增加而增加的速率

。該模型計算出的某個位置信號強(qiáng)度往往被估計得過高，實用性不大

，比較實用的信號強(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)簽的定位信號的時間差

，并由此計算出標(biāo)簽到不同讀寫器間的距離差。標(biāo)簽到任何兩個讀寫器的距離差D為定值

，標(biāo)簽必定位于以兩個讀寫器為焦點的雙曲線上

， 當(dāng)同時有N個讀頭參與測距時(N≥ 3)， 由多個雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對標(biāo)簽位置的估計

。TDOA 只是測量各讀寫器接收到同一標(biāo)簽定位信號的到達(dá)時間差

，參加定位的各個讀寫器在時間上不要求嚴(yán)格同步。假定測量第i個讀寫器和第j個讀寫器的到達(dá)時間分別為TA i和TA j

，那么信號到達(dá)第i個和第j個讀寫器的時間差就是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，利用基于信號強(qiáng)度定位算法解算出的坐標(biāo)值及一些先驗知識(如停車場半徑等)從其兩個解中分辨出標(biāo)簽具體的位置

。

3 定位系統(tǒng)的軟件實現(xiàn) 
系統(tǒng)的定位解算軟件構(gòu)架分為基于信號強(qiáng)度的定位算法和到達(dá)時間差定位算法二個模塊

，二者過程相似，只是測算對象不同在到達(dá)時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，保持只有一個標(biāo)簽發(fā)信號

；基于信號強(qiáng)度的定位算法過程中

，首先在標(biāo)簽上完成信號強(qiáng)度的測量，然后再上傳給計算機(jī)系統(tǒng)

，將信號強(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)，在信號強(qiáng)度的測算過程中保持只有一個讀寫器工作

�

；�于信號強(qiáng)度的程序框圖如圖4所示。

               

圖4 基于信號強(qiáng)度的定位解算算法模塊框圖

4 實驗結(jié)果及結(jié)論 

    基于這樣一個實驗環(huán)境：一個近似矩形的露天停車場

，在其4角各布置一個讀定器

，在車場中央位置布置一個參考標(biāo)簽，對本定位系統(tǒng)做了實際應(yīng)用實驗

。實驗結(jié)果表明

，無線觸發(fā)喚醒電源方式的工作時間要比周期查詢方式、待機(jī)方式下的工作時間長好幾倍

，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�

；�于信號強(qiáng)度和到達(dá)時間差的復(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

。

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