基于WiFi的RFID可擴展AMR車位檢測系統(tǒng)

0 引言
    停車場車位實時檢測是實現(xiàn)停車場智能管理和提高停車位利用率的關(guān)鍵，也是停車管理現(xiàn)代化的要求。停車場車位檢測系統(tǒng)的發(fā)展，大體經(jīng)歷地感線圈檢測、閘機控制和車位實時檢測三個階段。車位檢測與檢測技術(shù)水平有密切的聯(lián)系，傳感器的快速發(fā)展是檢測水準(zhǔn)的保證。前兩種車位檢測系統(tǒng)的基本架構(gòu)過于龐大，安裝過于繁瑣；在可靠性、實時性、準(zhǔn)確性、可擴展、低能耗和工程量小等方面都不能滿足停車場快速發(fā)展的需求。
    WiFi是一種短距離無線技術(shù)，它通過無線電波來連網(wǎng)，廣泛用于室內(nèi)無線局域網(wǎng)組建。WiFi突出優(yōu)勢在于：一是無線電波的覆蓋范圍廣，半徑可達100 m左右；二是WiFi的傳輸速度非?？欤梢赃_到54 Mb／s；三是進入門檻低，只要支持WiFi的終端設(shè)備都可以按照一定的權(quán)限加入到WiFi網(wǎng)絡(luò)中。在車位檢測系統(tǒng)中，使用WiFi技術(shù)進行檢測系統(tǒng)的節(jié)點參數(shù)采集與傳送、控制信號的傳輸與控制，避免在停車場布設(shè)繁瑣的數(shù)據(jù)線，對降低成本和能耗都有一定的意義，使檢測系統(tǒng)的擴展性更靈活。
    射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)，是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。2．4 GHz頻段的RFID對系統(tǒng)中對應(yīng)的設(shè)備要求可以降低，對頻率偏差的敏感度降低。在車位檢測系統(tǒng)中引入RFID技術(shù)，利于標(biāo)準(zhǔn)性設(shè)備的開發(fā)，利用車檢器ID號的惟一性可以實現(xiàn)快速定位車位，利于停車場車位引導(dǎo)。
    本文結(jié)合停車場對車位檢測系統(tǒng)的要求，設(shè)計了一種基于WiFi的RFID可擴展AMR車位檢測系統(tǒng)，大大減少了車位檢測系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的能耗，提高了系統(tǒng)檢測精度和可行性，實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性。

1 系統(tǒng)設(shè)計
1．1 車位檢測系統(tǒng)設(shè)計
    車位檢測系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)由服務(wù)器、無線路由器、車位顯示屏、RFID讀寫器和AMR(Anisotropic Magneto Resistive)傳感器節(jié)點組成。服務(wù)器負責(zé)對上傳的數(shù)據(jù)進行處理，將處理結(jié)果發(fā)送到顯示屏，擔(dān)負著向讀寫器發(fā)送指令的任務(wù)。無線路由器是整個車位檢測系統(tǒng)的重要部分，它負責(zé)將整個系統(tǒng)的各個部分組建成一個局域網(wǎng)。車位顯示屏用于車位現(xiàn)狀實時顯示。RFID讀寫器接收AMR傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，通過WiFi傳給服務(wù)器，也接收服務(wù)器的指令轉(zhuǎn)發(fā)到AMR傳感器節(jié)點。AMR傳感器節(jié)點負責(zé)檢測車位上的磁場情況，根據(jù)磁場的變化情況判斷是否存在車輛，把檢測到的情況通過數(shù)據(jù)來反映，把數(shù)據(jù)打包通過無線方式傳給RFID讀寫器，節(jié)點和RFID讀寫器通信是雙向的。

    在系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星形拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)RFID讀寫器為網(wǎng)絡(luò)控制器，AMR傳感器節(jié)點均為從節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。  RFID讀寫器具有收發(fā)功能，負責(zé)系統(tǒng)的上下行數(shù)據(jù)或者指令的管理與控制；AMR傳感器節(jié)點負責(zé)磁場參數(shù)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1．2 系統(tǒng)電路設(shè)計
    車位檢測系統(tǒng)電路設(shè)計有：
    (1)AMR傳感器節(jié)點電路，包括節(jié)點電源部分、車位磁場采集部分、數(shù)據(jù)預(yù)處理部分及射頻收發(fā)部分等；
    (2)RFID讀寫器電路，包括射頻收發(fā)部分、WiFi部分、數(shù)據(jù)處理部分和控制部分。
    AMR傳感器節(jié)點基本電路如圖3所示。電源部分由TI公司的APL5312-33起到LDU功能，電源輸入電壓為4．2 V，輸出為3．3 V。

    磁場強度檢測使用MMC2122MG AMR傳感器，該傳感器具有體積小、壽命長、靈敏度高、能耗低和穩(wěn)定性等特點，可廣泛用于電子指南針、GPS導(dǎo)航、位置感知、車輛檢測和磁力測定。MMC2122MG是有兩軸的磁阻傳感器，它在芯片上能完成信號處理，還集成了I2C總線，不需要進行A／D轉(zhuǎn)換，可以直接接到微處理器上。
    采用具有低功耗、高性能的MSP430F2618對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，通過它自帶的SPI口與2．4 GHz射頻芯片CC2500進行通信，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)包上傳給RFID讀寫器，也接收RFID讀寫器發(fā)來的指令。
    AMR傳感器節(jié)點實物如圖4所示。

    RFID讀寫器射頻收發(fā)部分電路如圖5所示，CC2500通過SPI與讀寫器控制部分進行通信，CC2591通過提供一個功率發(fā)送器增加鏈路預(yù)算，以改善輸出功率；CC2591具有低噪聲系數(shù)的低噪聲放大器(LNA)以改善接收機靈敏度，還具有功率放大器(PA)、開關(guān)射頻匹配器和巴倫電路，能滿足高性能無線應(yīng)用的簡單設(shè)計。

    WiFi模塊采用上海沁科信息技術(shù)有限公司開發(fā)的EMB-380-I1，該模塊內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧和WiFi通信模式驅(qū)動，串口的最大波特率為115 200 b／s。數(shù)據(jù)處理和控制部分采用ST公司的STM32F100C4，這款芯片支持SPI口和串口，通過SPI口與CC2500通信，通過串口與WiFi模塊通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)幀設(shè)計
    通過本系統(tǒng)的應(yīng)用分析，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性，引入WiFi和RFID。在系統(tǒng)通信協(xié)議中省略了安全機制，AMR傳感器節(jié)點設(shè)置為RFID標(biāo)簽形式，對停車場內(nèi)的AMR傳感器節(jié)點統(tǒng)一編惟一的ID號，也對RFID讀寫器進行編號。AMR傳感器節(jié)點通過與RFID讀寫器進行通信并入WiFi網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的協(xié)議棧如圖6所示。

    系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀由幀頭和幀類型組成，幀頭結(jié)構(gòu)如圖7所示。

    包長度(8 b)表示從一個字節(jié)開始到幀結(jié)束的字節(jié)數(shù)；協(xié)議ID(8 b)用于區(qū)分協(xié)議的功能；幀類型(8 b)，不同的幀類型有不同的幀格式。
幀類型主要有三種類型，AMR傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)包(32 b)／RFID讀寫器數(shù)據(jù)包(32 b)采用廣播方式，設(shè)備命令包(32 b)采用點對點方式。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    檢測系統(tǒng)程序設(shè)計使用模塊化程序設(shè)計方法，由傳感器節(jié)點和RFID閱讀器組成。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與討論
    系統(tǒng)在某中型停車場中進行了測試，測試記錄如表1所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)正確檢測出車輛在95％左右。由于傳感器是根據(jù)車輛對地磁場擾動的原理來檢測車輛的存在，而車輛的不同構(gòu)造和材質(zhì)對地磁場的擾動情況不一樣，因此會引起AMR傳感器的誤檢和漏檢?；谶@樣的情況需要在車輛離開車位后對傳感器的閾值進行重新標(biāo)定。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RFID技術(shù)作為近年新興的檢測和識別技術(shù)，在物流管理和智能感知中得到快速的發(fā)展。本文所設(shè)計的基于WiFi的RFID可擴展AMR車位檢測系統(tǒng)，具有運行可靠、實時性強、布線少、能耗低和可擴展性強等特點，對提高停車場智能管理的智能化、無人化方面具有一定的意義。