三、基于RFID技術(shù)住宅區(qū)智能車位鎖設(shè)計(jì)

1、物聯(lián)網(wǎng)課程案例基于RFID技術(shù)的住宅區(qū)智能車位鎖設(shè)計(jì)摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們購(gòu)置的車輛數(shù)量也在不斷增多，而小區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)車位被占而引發(fā)糾紛的現(xiàn)象。本文旨在為解決住宅區(qū)內(nèi)私人專用停車位被占用問(wèn)題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)對(duì)車位鎖系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)智能控制，采用TRF7960 射頻芯片和ID 卡交互射頻信號(hào)并進(jìn)行解碼，識(shí)別車輛身份，對(duì)合法車輛能夠做到車來(lái)自動(dòng)開(kāi)鎖，車走自動(dòng)上鎖彈起防止被他人占用且遇外力干擾時(shí)可自動(dòng)報(bào)警。關(guān)鍵詞：RFID；智能車位鎖；物聯(lián)網(wǎng)；車位管理0 引言隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，居民私家車數(shù)量急劇增長(zhǎng)與住宅小區(qū)內(nèi)停車位稀缺的矛盾亟待解決，停車難的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，“搶車

2、位”的爭(zhēng)奪戰(zhàn)愈演愈烈。解決居民小區(qū)內(nèi)私家車停車位緊缺問(wèn)題逐漸引起社會(huì)各界的重視，成為市政規(guī)劃部門和物業(yè)公司管理的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，居民區(qū)開(kāi)發(fā)商通常將停車位公開(kāi)出售，私家車主可購(gòu)買私人專用停車位，確保隨時(shí)有地方停車，不用為尋找停車位而苦惱。然而，由于管理措施和基礎(chǔ)建設(shè)不夠完善，私人專用車位被其他車輛占用的情況還時(shí)有發(fā)生，很容易引發(fā)鄰里矛盾和經(jīng)濟(jì)糾紛，于是出現(xiàn)了專門管理停車位的設(shè)備車位鎖。使用車位鎖對(duì)私人專用停車位進(jìn)行管理，可有效解決其車位被其他車輛占用問(wèn)題。但市場(chǎng)上流行的機(jī)械式車位鎖大多依靠人工操作實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)臂的升降，停車前駕駛?cè)藛T需要下車手動(dòng)開(kāi)鎖，降下車位鎖翻轉(zhuǎn)臂，車輛離開(kāi)后還需要手動(dòng)升

3、起車位鎖，使用起來(lái)較為繁瑣和不便，即使某些具有遙控功能的自動(dòng)車位鎖，也需要車主手動(dòng)遙控操作,用戶體驗(yàn)也不夠好。為有效解決這一問(wèn)題，本文提出基于無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的住宅區(qū)智能車位鎖設(shè)計(jì)。1 基于RFID技術(shù)的車位鎖系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)1.1 RFID技術(shù)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identi-fication，簡(jiǎn)稱RFID）是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。RFID是一種精簡(jiǎn)的無(wú)線信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)，主要由附著在物體上的電子標(biāo)簽、閱讀器、天線、RFID應(yīng)用軟件等組成。電子標(biāo)簽一般嵌入到待識(shí)別目標(biāo)物體中，每個(gè)電子標(biāo)簽具有唯一的識(shí)別編碼，以此來(lái)標(biāo)識(shí)身份區(qū)分不同的對(duì)象。閱讀器發(fā)射無(wú)線射頻

4、信號(hào)與電子標(biāo)簽交互通信，接收反射回來(lái)的信號(hào)，兩者在無(wú)接觸方式下完成信息的收發(fā)。RFID 的工作頻率取決于閱讀器的工作頻率，識(shí)別的有效距離也取決于閱讀器的工作頻率。天線將電流信號(hào)通過(guò)射頻振蕩器轉(zhuǎn)變成電磁波信號(hào)發(fā)射出去，同時(shí)將從電子標(biāo)簽反射回來(lái)的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)發(fā)送給閱讀器。計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。RFID 系統(tǒng)組成及工作原理如圖所示。圖1 RFID 系統(tǒng)組成及工作原理1.2 智能車位鎖系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)結(jié)合近年來(lái)高速發(fā)展的嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)基于RFID 的住宅小區(qū)智能車位鎖。當(dāng)車輛駛近停車位時(shí)，智能車位鎖可對(duì)車輛身份進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，對(duì)于身份識(shí)別成功的車輛，車主無(wú)需任何

5、操作，免去了需要下車手動(dòng)開(kāi)鎖或者使用無(wú)線遙控器的麻煩。智能車位鎖做到車來(lái)自動(dòng)開(kāi)鎖，落下翻轉(zhuǎn)臂；車走自動(dòng)上鎖，升起翻轉(zhuǎn)臂?；赗FID 的智能車位鎖系統(tǒng)由車載單元（On BoardUnit，簡(jiǎn)稱OBU）和路側(cè)單元（Road Side Unit，簡(jiǎn)稱RSU）兩部分構(gòu)成。OBU 的形式為ID 卡式電子標(biāo)簽，作為車上無(wú)線收發(fā)電路。RSU 即智能車位鎖，由機(jī)械設(shè)備和電路設(shè)備兩部分組成。OBU 和RSU 利用RFID 在13.56MHz 頻率通信，實(shí)現(xiàn)車輛信息與智能車位鎖的信息交換，從而自動(dòng)起落車位鎖，避免下車手動(dòng)開(kāi)鎖的麻煩，使車輛能泊車入位。車載電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器工作范圍內(nèi)，通過(guò)內(nèi)置天線接收閱讀器發(fā)出的

6、射頻信號(hào)和能量，相應(yīng)工作單元被電磁感應(yīng)電流所產(chǎn)生的能量激活，將電子標(biāo)簽內(nèi)的身份信息調(diào)制成相應(yīng)頻率的射頻信號(hào)發(fā)射出去，閱讀器接收數(shù)據(jù)并解碼，并將提取出的信息再傳送到后臺(tái)控制中心，做相應(yīng)的上層邏輯處理。2 智能車位鎖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)智能車位鎖要根據(jù)控制電路的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)臂的升降控制，以便實(shí)現(xiàn)車輛的停泊及駛出。在功能上，智能車位鎖可以劃分成高頻電路、控制電路和機(jī)械設(shè)備三個(gè)部分。高頻電路包括RFID 信號(hào)收發(fā)芯片、檢波濾波放大電路、保護(hù)電路等模塊；控制電路由微控制器芯片、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊組成；機(jī)械設(shè)備部分由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、定位齒輪、變速齒輪和卡扣開(kāi)關(guān)組成。智能車位鎖系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖2 智能車

7、位鎖硬件結(jié)構(gòu)2.1 無(wú)線射頻模塊無(wú)線通信模塊采用TI 公司的TRF7960 射頻芯片，TRF7960 工作頻率為13.56MHz，支持ISO 14443/15693雙標(biāo)準(zhǔn)。TRF7960 工作電壓范圍大，封裝緊密，體積較小，外接元器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需一個(gè)13.56MHz 的晶振即可工作，功耗非常小，特別適合嵌入到一些環(huán)境空間較小、供電不便的場(chǎng)合。TRF7960 與微控制器之間通過(guò)8 位串行SPI 總線進(jìn)行通信。車載信號(hào)收發(fā)電路采用ID 卡式電子標(biāo)簽。該模塊技術(shù)簡(jiǎn)單、市場(chǎng)成熟，直接選購(gòu)業(yè)界流行的EM4100 型I D 卡即可，無(wú)需進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)使用的電子標(biāo)簽基于ISO 18000-6C 協(xié)議

8、，速度快，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)40-640KBPS，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間相對(duì)較小，為28 字節(jié)，但足以容納編碼后的車輛身份信息。2.2 微控制器模塊與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊微控制器模塊是控制電路的核心，其主要功能是發(fā)送指令機(jī)械裝置特別是電機(jī)進(jìn)行控制。微控制器基于宏晶科技有限公司的STC11F32XE 高速單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，內(nèi)嵌低功耗的8051 微控制器核，其內(nèi)部1 字節(jié)的ROM FLASH用于存放程序代碼、128 字節(jié)的EEPROM 用于保存車輛信息，8 路AD 轉(zhuǎn)換用于電源電壓檢測(cè)。STCllF32XE 采用外部中斷和RTC 技術(shù)，保證其符合低功耗的需求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)完成車位鎖翻轉(zhuǎn)臂的升降。由于本系

9、統(tǒng)使用太陽(yáng)能蓄電池供電，所以必須考慮功耗和效率問(wèn)題。為提高運(yùn)行效率，減小功率損耗，延長(zhǎng)供電時(shí)間，采用直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用意法半導(dǎo)體有限公司的L298 芯片，并采用PWM 對(duì)電機(jī)控制，避免電流沖擊。2.3 機(jī)械裝置及電源模塊智能車位鎖的機(jī)械設(shè)備部分由轉(zhuǎn)動(dòng)軸、定位齒輪、變速齒輪和卡扣開(kāi)關(guān)組成。電機(jī)通過(guò)變速齒輪調(diào)節(jié)帶動(dòng)車位鎖翻轉(zhuǎn)臂的升降。車位鎖翻轉(zhuǎn)臂升起到最大限度之后，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)向微處理器反饋電機(jī)停止信號(hào)，微控制器控制電機(jī)停轉(zhuǎn)?？坶_(kāi)關(guān)固定在車位鎖的轉(zhuǎn)軸上，將升起的車位鎖翻轉(zhuǎn)臂鎖死，防止翻轉(zhuǎn)臂意外落下。智能車位鎖采用蓄電池供電。RFID 技術(shù)功耗較小，本系統(tǒng)所選擇電子設(shè)備均為低功

10、耗元器件。一次充電使用時(shí)間約為3個(gè)月，可滿足實(shí)際需求。以后可以考慮將整個(gè)住宅區(qū)內(nèi)所有智能車位鎖聯(lián)網(wǎng)，采用太陽(yáng)能光伏電池板供電或直接使用交流電源。3 智能車位鎖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能車位鎖開(kāi)啟、關(guān)閉軟件流程如圖3 所示。車輛離開(kāi)停車位較遠(yuǎn)時(shí)，電子標(biāo)簽在RFID 閱讀器工作范圍之外，整個(gè)電路處于待機(jī)休眠狀態(tài)，保持較低的功耗。當(dāng)車輛駛近停車位（20m之內(nèi)）時(shí)，閱讀器逐漸收到車輛攜帶的電子標(biāo)簽發(fā)回的射頻信號(hào)。微處理器模塊STC11F32XE 將整個(gè)電路從待機(jī)狀態(tài)下激活，高頻模塊對(duì)接收到的反饋信息解調(diào)解碼。如果解碼成功則把收到的身份信息和系統(tǒng)保存的合法身份進(jìn)行配比，智能判斷該車輛是否為車位的擁有者。如果信息配

11、比失敗則認(rèn)為是非法車輛，系統(tǒng)繼續(xù)解碼；如果配比成功，則認(rèn)為是合法車輛，單片機(jī)發(fā)送打開(kāi)車位鎖的命令信息，開(kāi)啟電機(jī)，自動(dòng)降落車位鎖翻轉(zhuǎn)臂，讓車輛停放在車位上，智能車位停車完成。當(dāng)車輛駛出車位時(shí)，離開(kāi)RFID 工作范圍，智能車位鎖感應(yīng)不到車載單元發(fā)回的信號(hào)，啟動(dòng)定時(shí)器延時(shí)15s；定時(shí)器超時(shí)后，如果仍然不能收到電子標(biāo)簽信息，說(shuō)明車輛確已離開(kāi)，車位鎖自動(dòng)升起，開(kāi)始保護(hù)車位，等待車輛下次?？?。圖3 智能車位鎖開(kāi)啟和關(guān)閉軟件流程4 總結(jié)與展望 本文針對(duì)小區(qū)車位管理的現(xiàn)狀，提出了一種基于 RFID 技術(shù)的智能車位管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了一定的描述?；赗FID 的住宅區(qū)智能車

12、位鎖，可以通過(guò)無(wú)線電波主動(dòng)識(shí)別車輛身份，自動(dòng)控制車位鎖升降，抗干擾能力強(qiáng)，誤操作率低，待機(jī)功耗小，耗電量極低，采用直流蓄電池供電。使用方便，翻轉(zhuǎn)臂的升降完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，避免了傳統(tǒng)機(jī)械式車位鎖需要車主下車手動(dòng)開(kāi)鎖的弊端。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理，軟件設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，成本低廉，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，使住宅區(qū)更加舒適便利和智能化。如果繼續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)用的話，可以適當(dāng)豐富改變一些其他的功能或模塊。比如：1) 防止車在車位時(shí)車位鎖彈起砸壞車，所以可增加2.4G信號(hào)校驗(yàn)、地磁信號(hào)校驗(yàn)、擋臂遇阻檢測(cè)共同判斷車位狀況。2) 當(dāng)車位鎖受到外力干擾時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。具有一般性防水功能。3) 考慮RFID讀寫器的成本

13、，是否替代為藍(lán)牙通信模塊。4) 可針對(duì)小區(qū)物業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)根據(jù)RFID或者地磁信號(hào)將所有車位鎖狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總處理，便于物業(yè)的管理與維護(hù)。5) 考慮業(yè)主工作日白天一般在小區(qū)外，導(dǎo)致小區(qū)停車位鎖起他人也無(wú)法使用造成資源浪費(fèi)的問(wèn)題，可設(shè)計(jì)附加一個(gè)空閑時(shí)間出租停車位的系統(tǒng)，業(yè)主將自己車位空余的時(shí)間段線上發(fā)給物業(yè)，物業(yè)處根據(jù)車位空閑時(shí)間將車位租給住宅區(qū)外客戶并收取一定停車費(fèi)（物業(yè)可在小區(qū)停車系統(tǒng)上直接開(kāi)關(guān)車位鎖），客戶需在該時(shí)間段截止時(shí)將車開(kāi)走否則繳納一定滯納金。由業(yè)主和物業(yè)共同分享停車受益，也利于社會(huì)資源合理應(yīng)用。5 參考文獻(xiàn)1 張麗然，沈勝利. 基于RFID 的車輛自動(dòng)化智能管理系統(tǒng)研究J.電

14、子設(shè)計(jì)工程，2012，20(6):8-10.2 張?zhí)熳? 基于RFID 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究J. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012 ，31(4) :112-116.3 李偉，門佳. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能交通信號(hào)燈控制系統(tǒng) J .溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，14(2): 59-61，8 0 .4 盧星，師衛(wèi).利用ETC 技術(shù)的小區(qū)內(nèi)無(wú)線車位鎖設(shè)計(jì)J.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011，21(9) :135-137.5 凌云，柴政.智能車位鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2009 ，5(3) :691-692.6 劉保連，丁祖軍. 一種太陽(yáng)能供電的無(wú)線傳感網(wǎng)小區(qū)車位管理系統(tǒng) J .微型機(jī)與應(yīng)用，2 0 1 2，31(23): 48-50.7 毛泉涌. 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的停車位控制器研究與設(shè)計(jì) D . 杭州: 浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算