朱福根李偉熊樹生周超周彩玲

（1.浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112；2.杭州云動智能汽車技術有限公司，杭州 310011；3.浙江大學，杭州 310027；4.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，杭州 310012）

新能源汽車分時租賃系統(tǒng)智能車位的設計

朱福根1李偉2熊樹生3周超3周彩玲4

（1.浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112；2.杭州云動智能汽車技術有限公司，杭州 310011；3.浙江大學，杭州 310027；4.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，杭州 310012）

針對新能源汽車租賃系統(tǒng)中帶充電樁車位易被社會車輛占用的問題，提出了一種無人值守的車位使用權限管理方法。將125 kHz與2.4 GHz雙頻段射頻識別技術相結合，實現(xiàn)了車輛身份的非接觸自動認證；通過低頻激勵器的合理布置實現(xiàn)了車輛停放姿態(tài)的準確識別；利用控制器局域網(wǎng)實現(xiàn)了地鎖的精確控制。通過建立示范站點進行了實車重復性試驗，結果表明，射頻識別系統(tǒng)和電控地鎖在正常停車入位和駛離車位過程中響應及時，駕駛員操作體驗良好，無事故發(fā)生。

1 前言

新能源汽車分時租賃作為一個新興的產(chǎn)業(yè)，正在快速發(fā)展，分時租賃系統(tǒng)的借、還車站點在各城市中逐漸鋪開[1]。為了減少租賃運營的人力成本，這些站點多以無人值守的形式出現(xiàn)。由于無人監(jiān)管，帶充電樁的車位常被外部車輛占用，造成新能源汽車的基礎設施無法得到有效利用，同時給租賃運營系統(tǒng)的正常運營帶來不必要的麻煩。為解決這一問題，本文提出了智能車位的概念，旨在為分時租賃系統(tǒng)設計一套能夠識別車輛身份及其停車意圖的技術方案。

目前，分時租賃系統(tǒng)已經(jīng)能夠通過手機應用程序（Application，APP）實現(xiàn)借、還車的自動管理[2]，并且建立了云服務器，對車輛、充電樁和站點告示牌等都能進行有效的遠程監(jiān)控和管理。在此基礎上，如果車位也能實現(xiàn)感知并聯(lián)網(wǎng)，對車位的遠程管控也是可行的，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）[3]技術的普及、成熟的電控地鎖的出現(xiàn)使其成為可能。

2 技術選型

2.1 需求分析

一般情況下，分時租賃站點由幾個到十幾個不等的車位組成，這些車位只允許租賃公司所屬車輛使用[4]。因此，智能車位必須在車輛進入車位前識別其有效身份信息。如果該車輛有車位的使用權限，智能車位應能判斷其停車意圖，將對應車位的使用權限分配給該車輛，同時保證其他車位不受影響。智能車位應能根據(jù)車輛的停車意圖提前控制地鎖解鎖，在車輛駛離前保證處于解鎖狀態(tài)，并能準確識別車輛駛離車位的意圖，在車輛完全駛離后及時上鎖。此外，智能車位還應具備聯(lián)網(wǎng)配置等功能[5]。

2.2 關鍵技術方案

2.2.1 身份識別

目前，RFID技術已經(jīng)發(fā)展為無線身份識別的主流技術[6]。根據(jù)停車入位過程前、后車輛與車位的距離，選用中遠距離的RFID技術，本文選擇目前廣泛應用于小區(qū)車庫的2.4 GHz RFID技術，可在車輛低速行駛過程中讀取標簽完成身份認證。

這套系統(tǒng)由1張有源標簽和1臺RFID閱讀器組成。RFID閱讀器接收有源標簽發(fā)送的各種命令并及時響應，完成對標簽的識別、鑒權、加密訪問等操作，識別距離為2～80 m可調，識別車速最高可達100 km/h，最高支持2 Mb/s空中通信速率。

該技術的不足在于無法對車輛精確定位，只能識別可探測范圍內的電子標簽。

2.2.2 車輛位置檢測

檢測車輛所在車位以及其在車位中的位置，以此判斷車輛的停車入位和駛離意圖是系統(tǒng)的必要功能。目前成熟的車輛檢測技術有地感線圈[7]、地磁傳感器[8]、紅外、超聲波等反射式傳感器，但都無法識別車輛身份。

因此，本文選擇有源雙頻射頻識別技術。有源雙頻射頻識別系統(tǒng)由低頻激勵器、有源雙頻標簽和RFID閱讀器組成。有源雙頻標簽的高頻部分參數(shù)與2.2.1節(jié)的描述相同，低頻部分采用奧地利微電子的AS9331接收芯片，工作頻率為125 kHz?？ㄆ辉诘皖l激勵區(qū)時，處于超低功耗休眠狀態(tài)，位于配對的低頻信號作用范圍內時，卡片被激活并喚醒，通過2.4 GHz頻段向認證后的RFID閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)。低頻激勵器的激勵半徑為2～8 m可調，邊沿控制精度高，主要用于產(chǎn)生低頻信號覆蓋區(qū)，喚醒雙頻標簽，雙頻標簽接收激勵器的地理標志，并將自身的位置信息調制到周邊的磁場中。磁場覆蓋區(qū)可以通過硬件配置的方式調整，覆蓋區(qū)直徑即為定位精度。

2.2.3 地鎖控制網(wǎng)絡

多車位站點的地鎖存在多機聯(lián)合控制的問題。如果采用集中控制的方式，考慮到某些特殊情況下，車位間的距離較遠，控制信號易受干擾。因此，最佳方式是搭建地鎖的控制器局域網(wǎng)（CAN）[9]。本文選用某電控地鎖，由6 V直流電源供電，升降運行時間小于5 s，其控制接口為4線制IO口。

為了將地鎖接入CAN，選用了一款車位控制卡，用于對地鎖的動作進行控制和狀態(tài)診斷，同時擁有控制前、后低頻激勵器的供電電源。車位控制卡的主控制芯片為型號為STM32F103的32位微控制器（Microcontroller Unit，MCU），板載4路可控繼電器輸出接口，1路CAN通信接口，4路帶光耦隔離輸入接口和4路帶驅動的數(shù)字輸出接口。

RFID閱讀器采用RS232數(shù)據(jù)輸出接口，需要通過數(shù)據(jù)轉換卡在物理層上轉為CAN接口接入站點CAN。另一方面，RFID閱讀器可以讀取所有車位上的雙頻標簽ID，需要通過數(shù)據(jù)轉換卡在應用層把每個車位上的標簽ID填充到該車位的CAN報文中。

3 總體技術方案

3.1 智能車位工作原理

智能車位的工作原理如圖1所示，激勵器采用地埋式安裝，雙頻標簽的安裝位置應盡量貼近地面且避免金屬車身的干擾，同時，考慮到車輛倒車入位過程中標簽應盡早被激活，將其橫向居中安裝于車輛后保險杠面罩底部[10]。

圖1 智能車位工作原理

智能車位的工作步驟為：

a.車輛倒車入位時，雙頻標簽進入激勵器的作用范圍被激活喚醒，獲取并存儲激勵器的編號。

b.喚醒后的雙頻標簽如果處于RFID閱讀器作用范圍內，其存儲的激勵器編號和雙頻標簽的ID即可被RFID閱讀器讀取。

c.低壓配電柜中的數(shù)據(jù)轉換卡將雙頻標簽ID和激勵器編號群發(fā)給各車位控制卡，相應車位的地鎖控制卡據(jù)此控制地鎖執(zhí)行解鎖或上鎖動作。

由雙頻標簽的安裝位置可知，車輛必須倒車入位才能觸發(fā)地鎖動作。系統(tǒng)的該特性雖然存在使用上的不便利，但可從技術層面約束用戶按車頭朝外的規(guī)則停放車輛。

3.2 站點組成

經(jīng)調研，大部分租賃站點的車位按照如圖2所示的方式排列。因此，本方案基于這種排列方式設計。

圖2 站點的典型車位排列方式

如圖2所示，站點由多個連續(xù)的車位組成，每個車位安裝了1臺智能地鎖，用于控制車位使用權限。為使低頻信號覆蓋整個車位，在車位的前、后各布置1臺地埋式低頻激勵器。充電樁設置在車位的后邊線外部。為防止車輛跨車位停車，在相鄰車位間設置了隔離柱。同時，為了防止車輛倒車時誤撞充電樁，車位后部設置了定位器[11]。

除布置于車位的設施，每個站點配備1臺RFID閱讀器和1個低壓配電柜。RFID閱讀器的覆蓋范圍最遠可達到80 m[12]，足以覆蓋整個站點。RFID閱讀器的電源及與其匹配的數(shù)據(jù)轉換卡、站點的配電電路等站點公用設施集中安裝在低壓配電箱中。

從防雨和取電方便的角度考慮，車位控制卡、開關電源、空氣開關等分別安裝在相應車位的充電樁本體中。

3.3 CAN網(wǎng)絡設計

構建的控制器局域網(wǎng)架構如圖3所示。車位控制卡通過板載繼電器啟動或關閉低頻激勵器，通過IO端口控制地鎖上鎖和解鎖、檢測地鎖狀態(tài)；數(shù)據(jù)轉換卡通過RS232接口連接RFID閱讀器；各車位控制卡、數(shù)據(jù)轉換卡以及站點數(shù)據(jù)終端通過CAN總線連接，完成信息交換和共享。授權雙頻標簽ID列表、站點以及車位的編號等參數(shù)的配置既可在本地上位機服務器上操作，也可通過站點數(shù)據(jù)終端由遠程管理系統(tǒng)操作[13]。

圖3 站點CAN網(wǎng)絡拓撲

以圖3為例，在3個車位的站點中，RFID以1 Hz的頻率與站點所有雙頻標簽通信并輸出結果，數(shù)據(jù)轉換卡把接收到的數(shù)據(jù)分拆到6個報文ID不同、數(shù)據(jù)格式相同的CAN報文中，表1為1號車位前低頻激勵器激活的雙頻標簽發(fā)回的數(shù)據(jù)格式，其報文ID為0x10，發(fā)送周期為50 ms。

表1 CAN報文的數(shù)據(jù)格式

采用CAN標準幀，報文ID只用其中的低8位，高3位固定填充為0[14]。其余的8位采用BCD碼的方式編寫，格式為0xMN，其中M表示車位號，每個站點最多支持16個車位，N為0表示前低頻激勵器，N為1表示后低頻激勵器。

根據(jù)上述CAN協(xié)議，各車位控制卡根據(jù)CAN總線上對應ID報文的內容即可執(zhí)行相應的控制策略。

4 控制策略

4.1 低頻激勵器和地鎖的布置原理

本方案實現(xiàn)的關鍵是將激勵器的有效作用范圍調整至與車位尺寸相匹配，相鄰車位的激勵器作用范圍如圖4所示。

圖4 低頻激勵器和地鎖的布置示意

以左側車位為例，最大的2個圓形區(qū)域為前、后激勵器的有效作用范圍。激勵器安裝在地表，其天線平面與地面基本重合，受地面影響，其作用范圍在空間上近似為半球。

通過調整激勵器的硬件配置，令半球直徑D略大于車位寬度W，使作用范圍在寬度方向覆蓋車位。通過調整前激勵器在車位長度方向的布置位置，使前激勵器的作用范圍邊界略超出車位前部邊界線，即H＜D/2。同時，令2個圓的中心距P＜D，使前、后激勵器的作用范圍有部分重疊區(qū)。

普通車位寬約2.5 m，長約5 m，由2個激勵器構成的能夠覆蓋整個車位的區(qū)域，必然會在車位中部兩側形成作用盲區(qū)。為解決該問題，將隔離柱調整到圖4所示的位置。根據(jù)常規(guī)乘用車的長、寬和標簽在車上的布置位置進行幾何測繪，可知隔離柱附近存在標簽無法到達的區(qū)域，如圖4所示的M區(qū)。因此，只要M區(qū)能夠覆蓋激勵器的作用盲區(qū)即可避免上述問題的發(fā)生。

假設地鎖解鎖所需時間為t，倒車允許車速設計為v，則地鎖與車位邊線的距離K應滿足K＞vt。

4.2 車輛姿態(tài)識別及地鎖控制策略

車輛姿態(tài)識別方法如圖5所示，其中字母表示車輛位置，此時前、后激勵器以及地鎖的狀態(tài)可從圖5b讀出。前、后激勵器信號中“0”表示雙頻標簽不在相應的作用范圍，“1”表示雙頻標簽在相應的作用范圍，實線表示激勵器處于啟動狀態(tài)，虛線表示激勵器處于關閉狀態(tài)；地鎖信號中“1”表示地鎖處于上鎖狀態(tài)，“0”表示地鎖處于解鎖狀態(tài)。

圖5 車輛姿態(tài)識別方法示意

有停車意圖的車輛以垂直于車位的方向靠近車位邊界（A位置），并順時針調整角度。這時，盡管車輛緊貼車位邊緣行駛也不會觸發(fā)地鎖解鎖，避免路面正常行駛車輛對地鎖造成誤動作。車輛調整好角度后倒車，并進入前激勵器的作用范圍（B位置）。此時該車位地鎖解鎖，同時啟動后激勵器。隨后，雙頻標簽進入前、后激勵器作用范圍重疊區(qū)（C位置），可以判斷車輛在繼續(xù)倒車，當車輛到達D位置時，雙頻標簽已離開前激勵器作用范圍，由于定位器的存在而無法超出后激勵器的作用范圍，這時可判斷車輛已停好，關閉后激勵器，以免雙頻標簽不斷被激活導致其電量快速消耗。

車輛駛離車位的過程中必然經(jīng)過前激勵器的作用范圍（E位置）。此時啟動后激勵器，隨即判斷車輛處于重疊區(qū)。當車輛繼續(xù)前進并駛離前激勵器作用范圍（F位置）時，關閉后激勵器，短暫延時后地鎖上鎖。

歸納上述過程，可得如下控制策略：

a.地鎖解鎖策略需雙頻標簽進入前激勵器作用范圍且不在后激勵器作用范圍。

b.地鎖上鎖策略需雙頻標簽離開前激勵器作用范圍且不在后激勵器作用范圍。

c.后激勵器的開啟策略為：前激勵器的作用范圍內探測到雙頻標簽。

d.后激勵器的關閉策略為：雙頻標簽離開前激勵器作用范圍并且未進入后激勵器作用范圍。

4.3 異常情景分析

如果車輛在B位置因故終止入位并駛離車位，則根據(jù)策略b，地鎖執(zhí)行解鎖動作。

如果車輛在B位置因入位姿態(tài)不良，需要反復前進、倒車，導致前激勵器探測狀態(tài)反復變化，由于延時策略存在，地鎖不會反復動作。

如果車輛在D位置因與相鄰車位距離過近需前后移動調整，則根據(jù)策略a，車輛在車位內的移動不會觸發(fā)地鎖上鎖動作。

如果車輛在E位置因故需要等待，則根據(jù)上述策略，地鎖不會因此上鎖。

對其他類似異常情況的分析理論上均不會產(chǎn)生異常的地鎖動作而損壞車輛。但如果車輛以過快的速度倒車入位，可能導致地鎖無法及時下降，此時只能依賴于地鎖本身的容錯機構。

5 試驗驗證

為了驗證以上理論的可行性，在某辦公園區(qū)的大型地面停車場中選取4個連續(xù)的車位，安裝了智能車位系統(tǒng)。此模擬站點在很大程度上能代表實際租賃系統(tǒng)中站點的情況，每個車位寬2.4 m，長5 m，關鍵尺寸如表2所示，參數(shù)含義見圖4。

表2 試驗站點的設計值 m

施工完成后，首先開展人工手持雙頻標簽移動試驗，以檢驗低頻激勵器的實際作用范圍[15]。

測試發(fā)現(xiàn)，由于激勵器工作在相同頻段，其作用范圍的重疊區(qū)因電磁場疊加干擾而不穩(wěn)定。為解決該問題，將所有低頻激勵器的工作模式由固定周期改為隨機周期，兩次激勵的時間間隔為小于300 ms的隨機數(shù)，很大程度上避免了相鄰低頻激勵器同時發(fā)出電磁場互相干擾。重新測試的結果表明該方法有效。

進一步開展實車重復性試驗，采用租賃系統(tǒng)常用的微型電動車，車寬1.5 m，車長2.8 m。邀請了7名駕駛員開展了為期一周的出入車位駕駛試驗。試驗記錄了110組結果，其中104組符合設計要求，6組因車輛姿態(tài)偏離目標車位過多而誤觸發(fā)了相鄰車位的地鎖解鎖而判定為失敗。試驗成功率為94.5%，未出現(xiàn)地鎖刮擦車輛等事故。

6 結束語

運用125 kHz和2.4 GHz雙頻射頻識別技術搭建的智能車位管理系統(tǒng)解決了專用車位被社會車輛占用的問題。因場地和試驗條件限制，研究沒有充分驗證該系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下的可靠性。為了最大化利用有限的充電樁車位資源，后續(xù)研究將考慮通過允許個人申請雙頻標簽的方式，將車位共享給新能源汽車個人用戶。

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15 吳利清，王英健，范必雙.基于RFID技術的車輛行程定位系統(tǒng).計算技術與自動化，2011，30（1）：39～44.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2017年2月12日。

Design of Intelligent Parking of NEV Time-Sharing Rental System

Zhu Fugen1,Li Wei2,Xiong Shusheng3,Zhou Chao3,Zhou Cailing4
（1.Zhejiang Institute of Communications,Hangzhou 311112;2.Hangzhou Yundong Intelligent Vehicle Technology Co., Ltd,Hangzhou 310011;3.Zhejiang University,Hangzhou 310027;4.East China Tianhuangping Pumped Storage Limited Liability Company,Hangzhou 310012）

In the new energy vehicle lease system,the parking spaces with charging pile are usually occupied by unauthorized vehicles.To solve this problem,an unattended parking permission management technology was presented in this article.In this technology,125 kHz and 2.4 GHz dual-band radio frequency identification are combined to realize the non-contact automatic authentication for the car’s identity.Vehicle parking gesture can be identified accurately through proper arrangement of low-frequency exciters.Electric ground lock can be controlled precisely via Control Area Network (CAN).Vehicle repetitive experiments were carried out at established demonstration sites,the results show that the RFID system and the electric ground lock response timely when the vehicle parks to authorized parking space and leaves from the parking space,the driver’s operation experience is good,and no accidents happen.

Lock,RFID,Authorized parking space,NEV,CAN

地鎖 射頻識別 車位 新能源汽車 控制器局域網(wǎng)

U495

A

1000-3703（2017）05-0036-05