基于射頻識別技術(shù)的停車場無線定位系統(tǒng)設計

隨著經(jīng)濟的高速增長，汽車的社會擁有量不斷增加，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的興趣。目前，有很多定位技術(shù)都可以對物體進行定位，但在小區(qū)域(如室內(nèi))定位服務中，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)、射頻識別(RFID)技術(shù)、IEEE802．11、超寬帶(UWB)等，應用于室內(nèi)定位服務，各有優(yōu)劣。 

   (1)超聲波技術(shù)：采用超聲波的傳播時間進行測量定位。它的最大優(yōu)點是定位精度高，但是，這種技術(shù)有著自身不可避免的局限性，如超聲波信號遇到障礙物會丟失、反射形成虛假信號以及高頻噪聲的干擾等，另外，需要大量的基礎設施才能獲得很高的定位精度，成本昂貴。 
    (2)IEEE802．11：RADAR是一個基于射頻的室內(nèi)定位和跟蹤系統(tǒng)，采用標準的IEEE802．11網(wǎng)絡適配器，在指定的區(qū)域，通過測試多個已定位的提供重疊覆蓋的基站的信號強度來進行定位。這種技術(shù)結(jié)合了經(jīng)驗測試和信號傳播模型。以決定用戶的位置，因此，它可以實現(xiàn)定位服務。它的主要優(yōu)點是系統(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。但是，到目前為止，大部分使用802．11技術(shù)的系統(tǒng)的定位精度未能達到理想的尺度。 
    (3)射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)：一個著名的采用RFID技術(shù)的定位系統(tǒng)是SpotON。SpotON根據(jù)無線信號強度分析，采用聚合算法進行三維定位。SpotON 系統(tǒng)中硬件標簽成網(wǎng)絡狀分布，無需中央控制單元，通過標簽檢測到的信號強弱來估計交互標簽的距離。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cm， 并通常遵循自由空間傳播規(guī)律。低成本和低系統(tǒng)復雜性，可全數(shù)字化實現(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)在定位物體的同時還從定位目標中讀取有關(guān)該對象的大量信息。針對這種情況，本系統(tǒng)設計基于射頻識別技術(shù)，采用基于信號強度與到達時間差的復合定位算法，對車場車輛進行無線定位引導。通過停車場的計算機管理系統(tǒng)獲得停車場�？寇囕v的個體信息。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)車載卡報告時記錄的起始�？繒r間，可以很方便地得出車輛停靠時間及應付費用。本系統(tǒng)的特點是電子系統(tǒng)復雜性低，容易實現(xiàn)且成本低；定位精度高，抗干擾能力強。

1 定位系統(tǒng)的硬件組成 

    射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是從2O世紀8O年代起走向成熟的一項自動識別技術(shù)_2]。它利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別目的。和傳統(tǒng)的磁卡、IC卡相比， 射頻卡最大的優(yōu)點就在于非接觸，因此完成識別工作時無須人工干預，適合于實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化且不易損壞。目前，RFID技術(shù)在應用中研究的熱點和難點是讀寫沖突、RFID安全和隱私保護、天線和RFID定位等問題。最基本的RFID系統(tǒng)由3部分組成：電子標簽(Tag)、讀卡器(Reader)和在標簽與讀卡器之間傳遞射頻信號的微型天線(Antenna)。 

1．1 系統(tǒng)硬件組成 

    停車場車位定位系統(tǒng)是基于主動射頻識別校驗的動態(tài)定位識別系統(tǒng)， 由標簽(車載卡)、讀寫器(Reader)、微型天線和計算機系統(tǒng)這4個主要部分組成，如圖1所示。其標簽的讀寫工作范圍為200     m。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

    標簽(車載卡)的電路由單片機控制模塊、信號強度測算模塊、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)模塊則負責接收和發(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和射頻收發(fā)模塊；信號強度測算模塊主要完成接收信號強度的測量，采用ADI公司生產(chǎn)的對數(shù)放大器AD8313來實現(xiàn)其功能。標簽固定在車前的玻璃上。
 
    讀寫器的電路由單片機控制模塊、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的詳細內(nèi)容見參考文獻。其工作頻率采用跳頻機制，發(fā)射功率都預先確定并可調(diào)。 

    讀寫器和標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，而標簽的工作模式由讀寫器控制。計算機系統(tǒng)負責后臺數(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，需要進行電源管理，以降低功耗。當前大多數(shù)的電源管理方法采用一種周密設計的喚醒、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簽，作為一個測量基準點來幫助位置校準，布設的讀寫器數(shù)量依據(jù)停車場環(huán)境而定。讀寫器與標簽分布示意圖如圖3所示。
                     

圖3 車場車位定位引導系統(tǒng)讀寫器和標簽分布示意圖 

    當車進入停車場或者車停放在某個車位后，計算機發(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，喚醒標簽。標簽接收到信號后，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號不相符的標簽再次進入休眠模式，而ID相符的標簽則進入工作模式，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。 

    由于多徑效應和非視距傳輸所帶來的傳輸延時使定位精度不高。系統(tǒng)采用基于信號強度和到達時間差的復合定位算法對車輛進行位置計算，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。基于信號強度的定位算法是用一個位置已知的參考標簽與待定位的標簽接收同一個讀寫器的定位信號。參考標簽所測得的位置與該點已知值進行比較后，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)送給待定位的標簽，修正標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行3次位置信息的采集。假設信號強度公式與讀寫器和標簽之間的距離有關(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度往往被估計得過高，實用性不大，比較實用的信號強度模型在文獻中有比較詳細的介紹。
 
    采用到達時間差(TD0A)算法是通過測量不同讀寫器接收到同一標簽的定位信號的時間差，并由此計算出標簽到不同讀寫器間的距離差。標簽到任何兩個讀寫器的距離差D為定值，標簽必定位于以兩個讀寫器為焦點的雙曲線上， 當同時有N個讀頭參與測距時(N≥ 3)， 由多個雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對標簽位置的估計。TDOA 只是測量各讀寫器接收到同一標簽定位信號的到達時間差，參加定位的各個讀寫器在時間上不要求嚴格同步。假定測量第i個讀寫器和第j個讀寫器的到達時間分別為TA i和TA j，那么信號到達第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則標簽坐標與讀寫器坐標存在如下關(guān)系：

    解上述方程組，利用基于信號強度定位算法解算出的坐標值及一些先驗知識(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)架分為基于信號強度的定位算法和到達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時間差定位算法過程中，不需要喚醒參考標簽，只有待定位標簽向讀寫器發(fā)送信號，保持只有一個標簽發(fā)信號；基于信號強度的定位算法過程中，首先在標簽上完成信號強度的測量，然后再上傳給計算機系統(tǒng)，將信號強度信息轉(zhuǎn)化為幾何距離，解算出待定位標簽的位置數(shù)據(jù)，在信號強度的測算過程中保持只有一個讀寫器工作�；�于信號強度的程序框圖如圖4所示。

圖4 基于信號強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簽，對本定位系統(tǒng)做了實際應用實驗。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�；�于信號強度和到達時間差的復合定位算法下的定位精度可達到1m左右，讀寫器與參考標簽的數(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。