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技術(shù)資料
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基于射頻識別技術(shù)的停車(chē)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)定位系統設計

出處:http//m.haipaykt.com發(fā)布時(shí)間 : 2016.07.08瀏覽次數 : 5647

隨著(zhù)經(jīng)濟的高速增長(cháng),汽車(chē)的社會(huì )擁有量不斷增加,汽車(chē)停車(chē)場(chǎng)的數量將隨之增加,規模不斷擴大,這給停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛管理(停車(chē)效率、停車(chē)安全)提出了新的挑戰。停車(chē)場(chǎng)的管理既要使車(chē)輛存取方便、快捷,又要保證安全、可靠。如何在車(chē)場(chǎng)中找到車(chē)位或者定位自己的車(chē)輛,引起了人們對停車(chē)場(chǎng)管理及服務(wù)的興趣。目前,有很多定位技術(shù)都可以對物體進(jìn)行定位,但在小區域(如室內)定位服務(wù)中,現有的定位技術(shù)存在著(zhù)一定的缺陷,如GPS技術(shù)用于停車(chē)場(chǎng)這種小區域的定位服務(wù)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,應用于室內定位服務(wù),各有優(yōu)劣。
(1)超聲波技術(shù):采用超聲波的傳播時(shí)間進(jìn)行測量定位。它的最大優(yōu)點(diǎn)是定位精度高,但是,這種技術(shù)有著(zhù)自身不可避免的局限性,如超聲波信號遇到障礙物會(huì )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(gè)基于射頻的室內定位和跟蹤系統,采用標準的IEEE802.11網(wǎng)絡(luò )適配器,在指定的區域,通過(guò)測試多個(gè)已定位的提供重疊覆蓋的基站的信號強度來(lái)進(jìn)行定位。這種技術(shù)結合了經(jīng)驗測試和信號傳播模型。以決定用戶(hù)的位置,因此,它可以實(shí)現定位服務(wù)。它的主要優(yōu)點(diǎn)是系統容易建立,要求很少的基站,并且采用相同的構架就可以在室內提供通用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。但是,到目前為止,大部分使用802.11技術(shù)的系統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(gè)著(zhù)名的采用RFID技術(shù)的定位系統是SpotON。SpotON根據無(wú)線(xiàn)信號強度分析,采用聚合算法進(jìn)行三維定位。SpotON 系統中硬件標簽成網(wǎng)絡(luò )狀分布,無(wú)需中央控制單元,通過(guò)標簽檢測到的信號強弱來(lái)估計交互標簽的距離。然而,完整的SpotON系統到目前為止還沒(méi)有建成。
(4)超寬帶UWB:使用非常寬的頻帶來(lái)收發(fā)數據的技術(shù)。它的最大數據傳輸速度可超過(guò)100Mbps。UWB在民用領(lǐng)域是一項新技術(shù),FCC直到2002—02—14才下令開(kāi)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(gè)cm, 并通常遵循自由空間傳播規律。低成本和低系統復雜性,可全數字化實(shí)現。
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(shí)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,本系統設計基于射頻識別技術(shù),采用基于信號強度與到達時(shí)間差的復合定位算法,對車(chē)場(chǎng)車(chē)輛進(jìn)行無(wú)線(xiàn)定位引導。通過(guò)停車(chē)場(chǎng)的計算機管理系統獲得停車(chē)場(chǎng)?寇(chē)輛的個(gè)體信息。包括空余停車(chē)位的數量與分布情況,方便車(chē)主順利地找到停車(chē)位置;在停車(chē)場(chǎng)的人口處可以通過(guò)終端查詢(xún)系統很方便地查詢(xún)到自己的車(chē)輛在停車(chē)場(chǎng)中的具體位置;在出口處,根據車(chē)載卡報告時(shí)記錄的起始?繒r(shí)間,可以很方便地得出車(chē)輛?繒r(shí)間及應付費用。本系統的特點(diǎn)是電子系統復雜性低,容易實(shí)現且成本低;定位精度高,抗干擾能力強。
1 定位系統的硬件組成
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(dòng)識別技術(shù)_2]。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數據以達到識別目的。和傳統的磁卡、IC卡相比, 射頻卡最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸,因此完成識別工作時(shí)無(wú)須人工干預,適合于實(shí)現系統的自動(dòng)化且不易損壞。目前,RFID技術(shù)在應用中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)是讀寫(xiě)沖突、RFID安全和隱私保護、天線(xiàn)和RFID定位等問(wèn)題。最基本的RFID系統由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(xiàn)(Antenna)。
1.1 系統硬件組成
停車(chē)場(chǎng)車(chē)位定位系統是基于主動(dòng)射頻識別校驗的動(dòng)態(tài)定位識別系統, 由標簽(車(chē)載卡)、讀寫(xiě)器(Reader)、微型天線(xiàn)和計算機系統這4個(gè)主要部分組成,如圖1所示。其標簽的讀寫(xiě)工作范圍為200     m。


標簽(車(chē)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(wú)線(xiàn)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(chē)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(xiě)器送來(lái)的信號;無(wú)線(xiàn)喚醒電路則在收到讀寫(xiě)器發(fā)送的特定信號后產(chǎn)生一個(gè)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)的對數放大器AD8313來(lái)實(shí)現其功能。標簽固定在車(chē)前的玻璃上。

讀寫(xiě)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(diǎn)是:(1)頻移鍵控調制,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據率等內容。有關(guān)ADF7020的詳細內容見(jiàn)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。
讀寫(xiě)器和標簽都有工作及休眠二種工作模式。讀寫(xiě)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(xiě)器控制。計算機系統負責后臺數據存儲和管理,發(fā)出定位控制請求,將定位解算出的數據與車(chē)場(chǎng)的位置地圖比較后,確定車(chē)的位置并在顯示屏上顯示結果。
1.2 低功耗設計
本無(wú)線(xiàn)定位系統的車(chē)載卡采用電池供電, 而電池是一種消耗性的電源,工作時(shí)間短。為了延長(cháng)車(chē)載卡的工作時(shí)間,需要進(jìn)行電源管理,以降低功耗。當前大多數的電源管理方法采用一種周密設計的喚醒、休眠方法。但大多數情況下,喚醒周期的大部分時(shí)間是徒勞無(wú)用的,消耗能量。本系統中采用一種無(wú)線(xiàn)觸發(fā)喚醒的電源管理方法。在這種方法中,車(chē)載卡進(jìn)人休眠模式后就會(huì )一直保持睡眠狀態(tài),在讀寫(xiě)器沒(méi)有發(fā)送出特定頻率的無(wú)線(xiàn)信號時(shí),它是不會(huì )被喚醒的。當然,這個(gè)特定頻率的無(wú)線(xiàn)信號會(huì )立即地喚醒休眠的車(chē)載卡。這樣,就節省了在喚醒前和監測期間的電源消耗。喚醒脈沖通過(guò)特定頻率傳送,而數據通信采用另外的無(wú)線(xiàn)頻率傳送。一旦讀寫(xiě)器與標簽建立通信連接后,雙方便跳到由讀寫(xiě)器指定的固定頻率上工作,這樣,即使車(chē)場(chǎng)中其它標簽在無(wú)線(xiàn)通信范圍內也不會(huì )被喚醒,避免了同頻干擾。無(wú)線(xiàn)觸發(fā)喚醒電路主要由無(wú)源元件構成,其基本電路圖如圖2所示。


2 定位方法

對車(chē)輛進(jìn)行定位前,首先根據停車(chē)場(chǎng)的實(shí)際情況規劃出停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位位置分布圖,存入信息處理的數據庫;然后根據停車(chē)場(chǎng)的情況布置讀寫(xiě)器,最少需要布置3個(gè)讀寫(xiě)器。同時(shí),在停車(chē)場(chǎng)中還布置一個(gè)位置固定的參考標簽,作為一個(gè)測量基準點(diǎn)來(lái)幫助位置校準,布設的讀寫(xiě)器數量依據停車(chē)場(chǎng)環(huán)境而定。

當車(chē)進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)或者車(chē)停放在某個(gè)車(chē)位后,計算機發(fā)出一個(gè)中斷信號喚醒車(chē)場(chǎng)中的某一個(gè)讀寫(xiě)器,再由讀寫(xiě)器發(fā)出一個(gè)無(wú)線(xiàn)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(jìn)入休眠模式,而ID相符的標簽則進(jìn)入工作模式,接收信號并定位解算出其位置數據,最后上傳其位置數據給計算機。
由于多徑效應和非視距傳輸所帶來(lái)的傳輸延時(shí)使定位精度不高。系統采用基于信號強度和到達時(shí)間差的復合定位算法對車(chē)輛進(jìn)行位置計算,獲得車(chē)輛的位置數據。定位算法在接口控制及定位解算模塊中完成;谛盘枏姸鹊亩ㄎ凰惴ㄊ怯靡粋(gè)位置已知的參考標簽與待定位的標簽接收同一個(gè)讀寫(xiě)器的定位信號。參考標簽所測得的位置與該點(diǎn)已知值進(jìn)行比較后,獲得讀寫(xiě)器定位數據的校正值,然后及時(shí)將此校正值發(fā)送給待定位的標簽,修正標簽所測得的實(shí)時(shí)位置信息S,并將此信息上傳給讀寫(xiě)器。在此過(guò)程中始終保持只有一個(gè)讀寫(xiě)器工作,其余的讀寫(xiě)器處于休眠中。當一個(gè)讀寫(xiě)器完成位置信息采集后,再由其它讀寫(xiě)器完成同樣的過(guò)程,這種定位方式下至少需要進(jìn)行3次位置信息的采集。假設信號強度公式與讀寫(xiě)器和標簽之間的距離有關(guān),則簡(jiǎn)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(xiě)器的距離為r; r0為相對于讀寫(xiě)器的參考距離;P (r0)為該參考點(diǎn)的信號功
率。參數a為路徑損耗隨著(zhù)距離r的增加而增加的速率。該模型計算出的某個(gè)位置信號強度往往被估計得過(guò)高,實(shí)用性不大,比較實(shí)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(shí)間差(TD0A)算法是通過(guò)測量不同讀寫(xiě)器接收到同一標簽的定位信號的時(shí)間差,并由此計算出標簽到不同讀寫(xiě)器間的距離差。標簽到任何兩個(gè)讀寫(xiě)器的距離差D為定值,標簽必定位于以?xún)蓚(gè)讀寫(xiě)器為焦點(diǎn)的雙曲線(xiàn)上, 當同時(shí)有N個(gè)讀頭參與測距時(shí)(N≥ 3), 由多個(gè)雙曲線(xiàn)之間的交匯區域就是對標簽位置的估計。TDOA 只是測量各讀寫(xiě)器接收到同一標簽定位信號的到達時(shí)間差,參加定位的各個(gè)讀寫(xiě)器在時(shí)間上不要求嚴格同步。假定測量第i個(gè)讀寫(xiě)器和第j個(gè)讀寫(xiě)器的到達時(shí)間分別為T(mén)A i和TA j,那么信號到達第i個(gè)和第j個(gè)讀寫(xiě)器的時(shí)間差就是TAji =TAi -TAj。它們的距離差Rji=C*TAji則標簽坐標與讀寫(xiě)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(chē)場(chǎng)半徑等)從其兩個(gè)解中分辨出標簽具體的位置。
3 定位系統的軟件實(shí)現
系統的定位解算軟件構架分為基于信號強度的定位算法和到達時(shí)間差定位算法二個(gè)模塊,二者過(guò)程相似,只是測算對象不同在到達時(shí)間差定位算法過(guò)程中,不需要喚醒參考標簽,只有待定位標簽向讀寫(xiě)器發(fā)送信號,保持只有一個(gè)標簽發(fā)信號;基于信號強度的定位算法過(guò)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,將信號強度信息轉化為幾何距離,解算出待定位標簽的位置數據,在信號強度的測算過(guò)程中保持只有一個(gè)讀寫(xiě)器工作。。

4 實(shí)驗結果及結論
基于這樣一個(gè)實(shí)驗環(huán)境:一個(gè)近似矩形的露天停車(chē)場(chǎng),在其4角各布置一個(gè)讀定器,在車(chē)場(chǎng)中央位置布置一個(gè)參考標簽,對本定位系統做了實(shí)際應用實(shí)驗。實(shí)驗結果表明,無(wú)線(xiàn)觸發(fā)喚醒電源方式的工作時(shí)間要比周期查詢(xún)方式、待機方式下的工作時(shí)間長(cháng)好幾倍,大大減少了系統在等待狀態(tài)下的功耗,提高了電池的使用壽命;谛盘枏姸群偷竭_時(shí)間差的復合定位算法下的定位精度可達到1m左右,讀寫(xiě)器與參考標簽的數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(mǎn)足停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛定位要求。

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