基于定向天線技術(shù)的小區(qū)車(chē)輛無(wú)線管控系統(tǒng)

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇常州,213022）

基于定向天線技術(shù)的小區(qū)車(chē)輛無(wú)線管控系統(tǒng)

鄧志祥

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇常州,213022）

基于RFID技術(shù)的小區(qū)車(chē)輛無(wú)線管控系統(tǒng)中，RFID技術(shù)作用距離短，需要停車(chē)刷卡驗(yàn)證，而基于Zigbee等無(wú)線技術(shù)的小區(qū)車(chē)輛無(wú)線管控系統(tǒng)，作用距離相對(duì)較遠(yuǎn)，但無(wú)線電波的無(wú)向性不便于判斷車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)。針對(duì)該矛盾，給出了基于定向天線技術(shù)的小區(qū)車(chē)輛無(wú)線管控系統(tǒng)，通過(guò)定向天線的指向性，合理設(shè)置出入口無(wú)線檢測(cè)器的安裝位置，可以使得出檢測(cè)器和入檢測(cè)器獨(dú)立、互不干擾地分別檢測(cè)車(chē)輛的出和入，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛身份的驗(yàn)證、停車(chē)費(fèi)用管理等功能。

定向天線； 無(wú)線檢測(cè)器；電子車(chē)牌；監(jiān)控主機(jī)

0 引言

車(chē)輛的智能管理是現(xiàn)代小區(qū)管理與安全的重要組成部分。小區(qū)的進(jìn)出口要求能夠?qū)崟r(shí)記錄車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)、自動(dòng)識(shí)別本小區(qū)的車(chē)輛、記錄車(chē)輛在小區(qū)的停車(chē)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扣費(fèi)等功能。

實(shí)現(xiàn)智能無(wú)線車(chē)輛管控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是車(chē)輛身份的自動(dòng)識(shí)別與身份驗(yàn)證，即如何實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的“電子車(chē)牌”。在目前的技術(shù)背景下，多種技術(shù)可用于無(wú)線車(chē)輛的身份識(shí)別。RFID技術(shù)是一種利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)，但RFID本身抗干擾性能較差、有效距離短。因此，要通過(guò)RFID卡記錄或驗(yàn)證車(chē)輛身份，車(chē)輛在通過(guò)小區(qū)進(jìn)出口時(shí)，車(chē)主必須停車(chē)刷卡，給車(chē)輛進(jìn)出帶來(lái)諸多不便。Zigbee技術(shù)在車(chē)輛身份識(shí)別中亦有應(yīng)用，與RFID相比，在低成本的前提下可提高識(shí)別的距離，車(chē)輛在距離進(jìn)出口一定距離時(shí)，能夠自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛，車(chē)輛無(wú)需停車(chē)驗(yàn)卡。但當(dāng)系統(tǒng)需要根據(jù)車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)計(jì)時(shí)扣費(fèi)時(shí)，由于無(wú)線電波的無(wú)向性，在無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)的車(chē)輛，很難判斷該車(chē)輛是入門(mén)車(chē)輛或出門(mén)車(chē)輛。

針對(duì)此，本系統(tǒng)采用定向天線技術(shù)，通過(guò)合理安裝出檢測(cè)器和入檢測(cè)器的位置，利用兩個(gè)獨(dú)立的無(wú)線檢測(cè)模塊分別檢測(cè)出門(mén)車(chē)輛和入門(mén)車(chē)輛，入檢測(cè)器檢測(cè)進(jìn)入小區(qū)的車(chē)輛，記錄車(chē)輛的進(jìn)入時(shí)間；出檢測(cè)器檢測(cè)出門(mén)車(chē)輛，記錄車(chē)輛離開(kāi)時(shí)間，生成停車(chē)費(fèi)用，自動(dòng)扣費(fèi)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

無(wú)線車(chē)輛管控系統(tǒng)主要包括五部分，分別是：車(chē)輛攜帶的電子車(chē)載卡、安裝在小區(qū)大門(mén)值班室的無(wú)線檢測(cè)器、通過(guò)內(nèi)部局域網(wǎng)連接的監(jiān)控主機(jī)、管理主機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 電子車(chē)載卡

電子車(chē)載卡記錄每輛車(chē)的基本信息，是每輛汽車(chē)的“電子車(chē)牌”。電子車(chē)載卡由無(wú)線收發(fā)器、控制處理器和ROM存儲(chǔ)器組成。ROM存儲(chǔ)器中保存唯一的電子ID和車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)等信息。無(wú)線收發(fā)器在車(chē)輛進(jìn)出小區(qū)時(shí)與無(wú)線檢測(cè)器通信，接收無(wú)線檢測(cè)器的查詢(xún)，并將車(chē)輛ID發(fā)送至無(wú)線檢測(cè)器?？刂铺幚砥鞯墓δ苁强刂茻o(wú)線收發(fā)器和無(wú)線檢測(cè)器的通信流程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 無(wú)線檢測(cè)器

無(wú)線檢測(cè)器的主要功能是搜索經(jīng)過(guò)出入口的車(chē)輛，獲取經(jīng)過(guò)出入口的車(chē)輛ID，通過(guò)RS232等通信接口將收到的車(chē)輛ID發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)車(chē)輛在小區(qū)停車(chē)時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)計(jì)費(fèi)，監(jiān)控主機(jī)需要判斷車(chē)輛是進(jìn)入小區(qū)或離開(kāi)小區(qū)，以執(zhí)行不同的操作。為了區(qū)分車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)，在出入口的兩側(cè)各自安裝無(wú)線檢測(cè)器，分別檢測(cè)進(jìn)入車(chē)輛和離開(kāi)車(chē)輛。通過(guò)定向天線的方向性，合理設(shè)置兩個(gè)檢測(cè)器的安裝位置，可以有效避免兩個(gè)檢測(cè)器無(wú)線覆蓋區(qū)的重疊，定向天線安裝示意圖如圖2所示。圖2中的陰影區(qū)域表示定向天線的無(wú)線覆蓋區(qū)域，根據(jù)定向天線的的輻射角度、安裝高度和安裝的下傾角度可以計(jì)算得到理論上的覆蓋區(qū)域，實(shí)際操作時(shí)，保證出檢測(cè)器和入檢測(cè)器的覆蓋區(qū)不相重疊即可。

圖2 出入檢測(cè)器無(wú)線覆蓋區(qū)域示意

2.3 監(jiān)控主機(jī)功能

監(jiān)控主機(jī)主要功能包括：車(chē)輛身份驗(yàn)證、車(chē)輛進(jìn)出記錄、外設(shè)控制等。監(jiān)控主機(jī)根據(jù)無(wú)線檢測(cè)器檢測(cè)到的車(chē)輛電子ID搜索車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)，驗(yàn)證車(chē)輛身份，記錄車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)。若車(chē)輛出門(mén)，則計(jì)算停車(chē)時(shí)長(zhǎng)，生成停車(chē)費(fèi)用，保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。若車(chē)輛進(jìn)入，則在記錄車(chē)輛狀態(tài)的同時(shí)，記錄車(chē)輛的駛?cè)霑r(shí)間，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。外設(shè)控制功能則是當(dāng)無(wú)線檢測(cè)器檢測(cè)到車(chē)輛進(jìn)出門(mén)時(shí)，控制擋車(chē)桿抬起，車(chē)輛駛過(guò)后，控制擋車(chē)桿落下。

3 系統(tǒng)工作流程

3.1 電子車(chē)載卡與無(wú)線檢測(cè)器工作流程

無(wú)線檢測(cè)器周期發(fā)送查詢(xún)幀，檢測(cè)是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)出入口；電子車(chē)載卡收到查詢(xún)幀時(shí)，將保存在ROM中的ID發(fā)送至無(wú)線檢測(cè)器。雙方通信的幀格式如圖3所示。

圖3 無(wú)線檢測(cè)器和車(chē)載卡通信幀格式

圖3所示幀格式中0x7E為幀同步頭；1字節(jié)的Src字段指明了幀的發(fā)送方：出檢測(cè)器或入檢測(cè)器或車(chē)載卡；1字節(jié)的Cmd字段表示幀類(lèi)型：查詢(xún)幀或ID應(yīng)答幀；2字節(jié)的Info字段是所發(fā)送的信息字段，如由車(chē)載卡發(fā)送，則Info字段的內(nèi)容是車(chē)載卡對(duì)應(yīng)的車(chē)輛ID號(hào)；1字節(jié)的Chk字段用于幀校驗(yàn)。

對(duì)于電子車(chē)載卡而言，收到正確的查詢(xún)幀時(shí)，根據(jù)Src字段判斷所收到的幀來(lái)自出檢測(cè)器或入檢測(cè)器。若是出檢測(cè)器發(fā)送的查詢(xún)幀，表明車(chē)輛出門(mén)，向出檢測(cè)器發(fā)送其ID，并將車(chē)輛狀態(tài)改為“外出”。若收到入檢測(cè)器的查詢(xún)幀，表明車(chē)輛“進(jìn)入”，向入檢測(cè)器返回其ID號(hào)，并將車(chē)輛狀態(tài)改為“進(jìn)入”。為了避免車(chē)輛在經(jīng)過(guò)無(wú)線檢測(cè)器無(wú)線覆蓋區(qū)時(shí)，多次收到檢測(cè)器的查詢(xún)，導(dǎo)致ID的重復(fù)發(fā)送，電子車(chē)載卡僅對(duì)一段時(shí)間內(nèi)首次收到的查詢(xún)幀響應(yīng)，返回ID號(hào)。車(chē)載卡首次收到查詢(xún)幀時(shí)設(shè)置定時(shí)器，定時(shí)器超時(shí)之前再次收到查詢(xún)幀，表明該幀是車(chē)輛本次通過(guò)進(jìn)出口時(shí)的重復(fù)查詢(xún)，車(chē)載卡對(duì)重復(fù)查詢(xún)幀不予響應(yīng)，僅更新定時(shí)器。定時(shí)器超時(shí)表明車(chē)輛離開(kāi)出入口，車(chē)載卡下次再次收到查詢(xún)幀時(shí)判斷為首次收到。電子車(chē)載卡工作流程如圖4所示。

圖4 車(chē)載卡工作流程

無(wú)線檢測(cè)器的工作流程較簡(jiǎn)單，接收監(jiān)控主機(jī)命令，周期發(fā)送查詢(xún)幀，收到電子車(chē)載卡返回的ID幀時(shí)，將ID幀通過(guò)RS232轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控主機(jī)。

3.2 監(jiān)控主機(jī)工作流程

監(jiān)控主機(jī)控制無(wú)線檢測(cè)器周期性發(fā)送查詢(xún)幀，監(jiān)控車(chē)輛的進(jìn)出時(shí)間，并根據(jù)車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)生成本次停車(chē)費(fèi)用，保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)控制擋車(chē)桿的起落。

監(jiān)控主機(jī)收到返回的ID幀時(shí)，根據(jù)ID號(hào)從數(shù)據(jù)庫(kù)中得到對(duì)應(yīng)的車(chē)牌號(hào)，判斷車(chē)輛身份，控制擋車(chē)桿抬起，車(chē)輛通過(guò)后，控制擋車(chē)桿落下；判斷車(chē)輛的進(jìn)出狀態(tài)，若車(chē)輛進(jìn)入，則記錄車(chē)輛的進(jìn)入時(shí)間，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)，并在監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)顯示。若車(chē)輛外出，則記錄車(chē)輛離開(kāi)時(shí)間，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的該車(chē)輛上次的進(jìn)入時(shí)間，計(jì)算該車(chē)輛本次停車(chē)時(shí)間，生成本次停車(chē)費(fèi)用，保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控主機(jī)工作流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)控主機(jī)工作流程

3.3 管理主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)

管理主機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)和上節(jié)所述的監(jiān)控主機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)相連，數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的是車(chē)輛基本信息，包括：車(chē)牌號(hào)、電子車(chē)牌（ID）、車(chē)輛進(jìn)出記錄、停車(chē)費(fèi)用、繳費(fèi)記錄等。其中，車(chē)牌號(hào)和電子車(chē)牌ID一一對(duì)應(yīng)。

管理主機(jī)通過(guò)管理軟件對(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行管理，主要功能包括：車(chē)輛信息的增加與刪除、車(chē)輛進(jìn)出記錄查詢(xún)、停車(chē)費(fèi)用和繳費(fèi)管理等功能。管理主機(jī)主要通過(guò)友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛停車(chē)系統(tǒng)的管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于定向天線技術(shù)的小區(qū)車(chē)輛無(wú)線管控系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)RFID技術(shù)通信距離短、需要停車(chē)刷卡的缺點(diǎn)，同時(shí)又利用定向天線技術(shù)，克服了無(wú)線覆蓋無(wú)向性的問(wèn)題，通過(guò)合理安裝的兩個(gè)無(wú)線檢測(cè)器可以獨(dú)立檢測(cè)車(chē)輛的進(jìn)或出，對(duì)于小區(qū)車(chē)輛的進(jìn)出管理具有較高的實(shí)用性。

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Wireless Management System of Residential District Vehicles Based on Directional Antenna Technology

Deng Zhixiang
（College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou,213022,China）

In the wireless management system of residential district vehicles based on RFID technology,the distance covered by RFID is relatively short,car owners have to stop for identity authentication.Though the radio coverage of the management system of residential district vehicles based on wireless technologies such as Zigbee,etc.is comparatively long,it is inconvenient to judge the vehicles’ states due to the isotropy of radio wave.Considering this contradiction,a wireless management system of residential district vehicles based on directional antenna technology is proposed in this paper.If the wireless entrancedetector and exit-detector are fixed properly,they will detect vehicles entering or leaving independently as a result of the directivity of directional antennas.The identity authentication of each vehicle and management of parking fee can be achieved.

directional antenna; wireless detector;electric vehicle license;monitoring host