基于物聯網的景區觀光車跟蹤與管理系統設計

關 明，趙志科

（1長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023；2中國礦業大學機電工程學院，江蘇 徐州221116）

一些景區為了方便游客游覽，引入了免費景區觀光車租借系統。但是部分游客往往隨意就近停車，導致觀光車無法正常入庫，給工作人員帶來額外的工作量。RFID是一種利用電磁能量實現自動識別和數據捕獲的技術，可以提供無人看管的自動監視與報告作業，而物聯網就是把傳感器裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道以及家用電器等各種真實物體上，通過互聯網聯接起來，進而運行特定的程序，達到遠程控制或者實現物與物的直接通信［1－3］。因此，筆者以RFID技術及物聯網為基礎，設計一種基于物聯網的景區觀光車跟蹤及管理系統，將物聯網技術和觀光車管理系統相結合，通過在觀光車上放置RFID電子標簽，景區道路兩旁及各主要建筑上安置有低成本、低功耗的RFID讀卡器節點，以實現景區觀光車管理的智能化和無人化管理。

1 系統基本組成

本系統由智能RFID讀寫設備、RFID網絡管理設備、網絡通信設備、中心服務器組成，其系統組成示意圖如圖1所示。

1）智能RFID讀寫設備包括RFID電子標簽及RFID讀卡器節點。RFID電子標簽貼于校園景區觀光車車座底部，RFID讀卡器節點均勻安放于道路兩旁。

2）RFID網絡管理設備為RFID網絡中的簇頭節點。簇頭節點負責建立RFID監測網絡，同時各RFID讀卡器節點將監測到的景區觀光車信息通過簇頭節點發送出去［4－5］。

3）網絡通信設備是由3G網網關設備、WLAN網關設備及路由器構成，完成各數據到中心服務器的傳輸。

4）中心服務器包括多臺PC機，監測中心PC機上運行著相應監測軟件，可以實時觀測到觀光車的位置信息，用戶可通過手機和以太網方便地聯入數據庫，輕松找到觀光車在景區的位置［6－7］。

圖1 系統組成示意圖

2 系統工作流程與設計思想

2.1 工作流程

當貼有RFID電子標簽的觀光車在景區里行駛時，放置在道路兩旁的RFID讀卡器節點可以接收到其返回的相關信息并傳輸給監測中心PC機，工作人員在監測中心PC機上借助相應監測軟件可以實時觀測到觀光車的位置信息。當觀光車需要歸還與借用時，只需在景區觀光車借還點進行個人身份的電子認證即可進行歸還與借用操作，無需人工登記。并且當景區觀光車沒有及時歸還時，工作人員借助手機接入中心服務器數據庫，可以迅速找到景區觀光車。

2.2 設計思想

當有觀光車借出或歸還時，借還點將觀光車ID號及操作者的信息通過3G網網關設備或WLAN網關設備發送到監測中心PC機。當讀卡器節點檢測到觀光車時，將自己的地址及景區觀光車的ID號以及與觀光車的距離發送給簇頭節點。簇頭節點處若沒有無線局域網絡覆蓋，則通過3G網網關設備發送到監測中心PC機；如果有無線局域網覆蓋，則通過WLAN網關設備發送到監測中心PC機。遠程客戶可通過以太網訪問監測中心PC機，查詢各景區觀光車借還點觀光車數量、個人借還車情況以及觀光車的位置。手機客戶可通過GPRS Modem訪問監測中心PC機查詢相關信息。具體工作過程如圖2所示。

圖2 工作過程框圖

2.3 系統整體運行分析

1）系統開始運行時，簇頭節點廣播建立網絡信息，各讀卡器節點根據到簇頭節點的距離分別加入到不同的簇；

2）簇內各讀卡器節點將自己的地址信息發送給簇頭節點；

3）當有觀光車從景區借還點借出或歸還時，借還點通過3G網網關設備或WLAN網關設備將相關借還信息發送給監測中心PC機；

4）當有觀光車通過時，監測到觀光車RFID標簽的讀卡器節點根據RSSI值計算觀光車到自己的距離，然后將自己的地址、監測到的景區觀光車ID和觀光車到自己的距離發送給簇頭節點；

5）簇頭節點計算觀光車的位置后通過3G網網關設備或WLAN網關設備發送到監測中心PC機；

6）遠程用戶和移動手機用戶可通過GPRS網絡或以太網訪問監測中心PC機查詢借還點觀光車數量、觀光車位置和個人借還車等信息。

景區觀光車管理系統如圖3所示。

3 跟蹤定位的實現

3.1 定位算法

系統采用三邊測量法及RSSI算法來實現對景區觀光車的定位。

圖3 景區觀光車管理系統示意圖

如圖4所示，已知A、B、C三個節點的坐標分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），以及它們到未知節點D的距離分別為da，db，dc，假設節點D的坐標為（X，Y），則

由式（1）可以得到節點D的坐標為

接收信號強度指示與距離存在一定的關系，通過運算模型可得出傳輸距離。由于無線傳感器網絡所在環境的復雜性，無線信號的傳播會受反射、多徑傳播、非視距等因素的影響，因此采用對數－常態分布模型較合理。

圖4 三邊測量法示意圖

對數－常態分布模型

式中：P（d）為信號傳播距離d后的損耗，dBm；P（d0）為信號傳播距離d0后的損耗，dBm；n為傳播因子（常取2～5）；X為遮蔽因子，是一個均值為0，方差為σ（常取4～10）的正態隨機變量，dBm。

P（d0）可以通過無線電自由空間傳播模型計算得來。自由空間傳播模型為

式中：f是傳播信號頻率，MHz；d為距信源的距離，m，通常取d0＝1m。

節點接收到的信號強度

式中：Ps為信號的發射功率；Pa為天線增益；P（d）為路徑損耗。根據式（1）～ 式（5）可計算出D點位置。

3.2 過程分析

為了提高精度，保證路面滿足三度覆蓋條件，系統采用如圖5所示拓撲結構。圖中，S1，S2，S3為讀卡器節點，S1S2＝S1S3＝S2S3，Ds為路面寬度，所以讀卡器節點之間的間距等于通訊半徑Rc＝2／Ds，n－n。按Dn－n布置好讀卡器節點后，人工測定各節點的位置，并儲存在讀卡器節點中。

根據建筑物周邊觀光車停放點的寬度Db，為保證其三度覆蓋，與路面定位類似，如圖6所示，沿建筑物周邊間隔布置讀卡器節點，并測定讀卡器節點位置儲存在節點中。

根據路面長度和建筑物的規模，每隔一定的距離布置一個簇頭節點，系統開始運行后，簇頭節點廣播組網消息，各讀卡器節點收到該廣播后根據RSSI值計算到簇頭節點的距離，選擇最近的簇頭節點加入，并將自己的坐標、到簇頭的距離和地址發送給簇頭節點。

當有觀光車通過或停放時，檢測到觀光車的讀卡器節點將自己的地址及監測到的景區觀光車ID和景區觀光車到自己的距離發送給簇頭節點，簇頭節點選擇3個相鄰讀卡器節點采用三邊定位法計算景區觀光車的坐標，并將該坐標及景區觀光車ID發送給檢測中心PC機。

圖5 路面定位

圖6 建筑物定位

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