基于RFID和WSN的新型物聯網智能停車系統

翟維, 肖軍, 郭遠超, 張恒

(西安航空學院,電子工程學院，陜西,西安 710077)

0 引言

減少城市交通擁堵是大多數城市的首要目標之一，公共停車智能管理系統的發展是解決這一問題的基本方法。由于缺乏停車位使得司機經常占用為特定類別的人保留的停車位，例如殘疾人或執法人員車位。這不僅會給尋找停車位的司機造成時間和燃料的浪費，還會增加空氣污染和司機的焦灼情緒。針對這些問題，大力發展新的智能泊車系統，能夠更好地管理城市停車場，更有效地解決道路交通問題。

RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別)是一種低成本、低功耗技術，由無源或電池輔助無源設備組成，能夠在由詢問器生成的電磁場供電時傳輸數據[1]。由于無源RFID標簽的使用不需要能源，其使用壽命可以保持幾十年，從而使RFID技術非常適合于各種應用場景[2]。然而，RFID標簽的主要缺點在于它們只能在讀寫器覆蓋區域內工作，即分別使用完全無源標簽和BAP標簽時最高可達10 m和50 m[3]。顯然，這樣的限制使超高頻射頻識別技術只能在相當小的區域內進行目標識別和監測。

WSN無線傳感器網絡基本上是由小型設備組成的自組織網絡，這些設備以多跳方式進行通信，以提供監視和控制功能。目前，大多數無線傳感器網絡都是電池供電的計算臺,集成模擬/數字傳感器和IEEE 802.15.4無線電的電池供電計算平臺，可實現高達100 m的室外通信范圍[4]。無線傳感器網絡信號比RFID標簽消耗更多的功率，從而使整個網絡壽命成為這種技術的主要限制[5]。RFID和WSN代表了兩種互補的技術，它們的物理集成可以提供更豐富的功能，并為廣泛的不可替代應用提供新的視角。

本文提出并討論了一種新穎的物聯網感知智能停車系統。通過利用不同但互補的技術和標準為停車位的自動監控和管理提供創新服務。

1 系統結構概述

該系統能夠實時地收集環境狀況和停車位占用狀況的信息，并將這些信息傳送到控制中心。高級監控應用程序分析接收到的數據，并向最近交通警察的移動應用程序發送警報消息，以防未經授權使用預留空間或停車超時。駕駛員可以使用不同的定制移動應用程序來查找最近的停車位并支付費用。系統架構見圖1。

圖1 智能停車系統架構

假定在每個停車位上放置定制的UHF RFID標簽，以檢測汽車的存在，同時將路由器讀卡器節點放置在停車位附近的桿上。一旦標簽提供足夠的光照水平，它們就會將ID傳回路由器讀卡器。這里采用定制的RFID標簽作為檢測傳感器而不是選用WSN節點，是為了保持高可靠性的同時降低安裝成本。檢索到的信息通過部署的WSN傳遞到物聯網智能網關。然后直接與混合傳感網絡連接，另一方面通過通信接口與因特網連接。

邊界路由器節點用于檢查只有授權的汽車占用預留的停車位。這些汽車標有RFID標簽，其中包含有關其特殊權限的信息。在不久的將來，可以使用特殊的RFID車牌來存儲有關汽車及其所有者的大量信息。當安裝在中央服務器上的管理應用程序意識到已經占用了預留的停車位時，它會檢查是否已識別出新的標簽，驗證汽車的授權。為此，中央服務器建立了一個控制數據庫，存儲有關停車位可用性和用戶付款等大量信息(圖1中的控制數據庫)。

此外，管理應用利用推送方式來通知交警不正當使用預留空間或停車時間的車輛信息。交警通過智能手機連接RFID閱讀器并運行定制的交通協管App。交警還可以直接與放置在汽車上的標簽交互。停車交費App可以引導駕駛員找到指定區域內可用的停車位、支付停車費、檢查剩余停車時間并接收推送通知。

2 硬件結構

2.1 超高射頻識別功能

如圖2所示，6LowPAN路由讀卡器由RFID讀寫器通過通用異步收發器(UART)通信總線與6LowPAN接口組成。它配備了一個16位超低功耗TI MSP430F2618微控制器單元(MCU)。無線通信功能由符合IEEE 802.15.4標準的TI CC2420收發器提供，傳輸頻率為2.4 GHz。所選的RFID讀寫器是通過傳感器ID發現超高頻門[6]，它可以很容易地通過接口控制板上的通用異步收發器(UART)。

圖2 6LowPAN路由讀卡器結構

2.2 BAP RFID解決方案

為了檢測停車位中汽車的存在，開發了BAP RFID技術。BAP標簽使用電池來運行標簽電路，通信方式與完整的無源RFID相同，其中標簽ID通過反射輸入的無線電波傳輸回讀取器，從而傳輸二進制數字。我們考慮更換電池為太陽能電池。這樣，一旦太陽能電池被足夠多的光照亮，標簽就能以其標識特定停車位的ID碼對讀取器作出反應了。

3 軟件結構

3.1 混合傳感網絡

本設計采用了搭載CoAP消息的REST請求/響應范例。CoAP是物聯網中最常用的通信協議之一，其主要目標是提供對物理資源的輕量級訪問，以滿足嵌入式設備的有限功能。CoAP設計類似于HTTP，因為它在2個端點之間提供請求/響應模型交互，并包括Web的關鍵概念[7]。此外，CoAP提供了一種資源檢測機制，允許客戶端在其先前訂閱的資源狀態發生變化時接收通知。

3.2 物聯網智能網關

物聯網智能網關是設計架構的重要組成部分。它負責數據的收集和傳輸，以及付款的執行。通過連接Rasperry Pi板實現物聯網智能網關。它還配備了GPRS模塊。從功能的角度來看，它主要由2個不同的塊組成：代理服務器和計費系統。

代理服務器允許與CoAP設備進行透明通信。它負責將來自用戶界面和管理應用的HTTP請求轉換為CoAP消息。具體而言，代理服務器能夠以JSON格式接收，處理和回復來自管理應用和用戶界面的請求。它部署在物聯網智能網關上,安裝在Jetty應用服務器上。通過實現緩存服務擴展代理邏輯，從而支持對同一資源的多個請求，并限制了注入物聯網外圍網絡的通信量。

3.3 中央服務器

中央服務器是本設計架構的核心。它控制整體物聯網感知智能停車系統。中央服務器的不同組件在圖1中突出顯示，具體描述如下。

(1)管理應用程序和系統數據庫。管理應用程序是一個獨立的Java應用程序，可通過用戶界面輕松配置和訪問。它執行兩項不同的任務：允許環境操作員控制環境條件；監控停車場狀態并在發生危急情況時給交警發出警告。出于這些目的，管理應用程序將從混合傳感器網絡節點檢索到的信息存儲在控制數據庫上。該數據庫將數據收集與數據處理和可視化分離，因此操作人員在正常操作模式下不需要直接詢問混合傳感器網絡節點。

(2)安全訪問管理器和用戶數據庫。安全訪問管理器可確保隱私和數據保護。它協調終端用戶和中央服務器之間的所有通信，僅向授權用戶提供對存儲信息的訪問，即在用戶數據庫上注冊。

3.4 用戶界面

授權用戶可以通過用戶界面與系統進行交互，可通過Web瀏覽器的固定工作區和移動設備訪問。允許用戶通過代理服務器與混合傳感網絡通信。開發的用戶界面根據2個可能的客戶端配置文件提供2個主要功能。

交通人員界面：該界面允許交通運營商管理來自環境傳感器的當前和歷史信息，可視化并最終更改有關停車場狀態和存儲在控制數據庫中的用戶付款的數據。

驅動程序接口：該界面允許駕駛員可以看到停車場的占用狀態和執行支付的信息。

4 系統測試

4.1 檢測系統實驗

為了開發能夠檢測汽車存在的太陽能RFID，需要選擇合適的RFID標簽和足夠的太陽能電池。標簽性能取決于其芯片靈敏度，天線性能以及標簽和天線之間的阻抗匹配，而太陽能電池的性能取決于不同太陽輻照度下的電流-電壓特性。

為了分析太陽能標簽的可行性，文章在特定情況下使用2個電池進行了一些測試。我們使用了一種能提供太陽輻射強度(W/m2)的日照器。對2個信源進行了測量。在室外、陽光明媚的日子和室內環境中(沒有窗簾，并打開燈)。測量結果如表1所示。

表1 日射強度和太陽能電池測量

實驗中，RFID標簽被放置在桌子、椅子、木制櫥柜和計算機設備的室內環境中。閱讀器天線安裝在天花板上，而標簽位于離天線約4 m的地板上，并且在60°的角度下。為了檢查功率要求，電壓設置略有變化，以便評估為標簽供電和可靠讀取所需的最小值。從圖3中可以看出，低于10 W/m2的光照水平無法提供足夠的功率來運行標簽，所以我們需要大于10 W/m2來運行標簽，特別是在由于金屬條件而傳播無線電波很難的汽車位置下方。若低于此閾值會關閉標簽，從而發出停車位占用信號。

圖3 標簽和太陽電池的電壓、電流和功率特性測量

5 總結

本文將WSN的通信技術與RFID技術的識別特征相結合，通過利用不同但互補的技術和標準實時收集關于停車位的占用狀態的環境參數和信息。為了降低整體系統成本，我們采用配備太陽能和電池兼容的RFID標簽來檢測汽車的存在。本文提出了該系統的初步結果，未來的工作將包括對這種系統的完整評估，通過實際的發展來開展和進行。