基于RFID智能停車場收費管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

喻彩麗，趙詣琛，李 亮（通信作者）

（1汕尾職業(yè)技術學院 廣東 汕尾 516600）

（2塔里木大學 新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

近年來，隨著交通道路建設的快速發(fā)展，停車場收費系統(tǒng)的結構也發(fā)生了實質性變化。現(xiàn)有停車場已從手動改為自動記錄和存儲數(shù)據(jù)來實現(xiàn)管理，因此新的收費管理方式必將成為趨勢[1]。目前，以非接觸式IC卡、遠程射頻電子標志和車牌圖像識別技術等，非接觸式充電介質為特征的新型停車場管理系統(tǒng)正在走向成熟，但超高頻RFID仍存在一系列問題。國外光纖識別技術的發(fā)展相對較早，RFID技術的應用在許多國家和地區(qū)已比較成熟并得到廣泛應用。在車輛自動識別充電和管理方面，已基本進入自動充電和管理階段。目前，許多企業(yè)和設備制造商正在研究能夠在停車場實現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)停車的系統(tǒng)，但系統(tǒng)總體維護成本高。因此，本系統(tǒng)設計的重點在于RFID信號的采集和數(shù)據(jù)處理、上位機軟件代碼的編寫、系統(tǒng)的調試和運行以及IC卡的設計。其中，上位機軟件代碼和IC卡的編寫與調試是設計的難點。

1 硬件設計

本系統(tǒng)設計的硬件模塊選擇使用STC89C52為MCU主控部分，由上位機和下位機兩部分組成，其下位機的主要組成模塊見圖1。

1.1 MCU主控模塊

此設計中P0口被用作數(shù)據(jù)總線口，通過RXD和TXD串口下載用戶程序，同時大多數(shù)情況下使用異步UART進行數(shù)據(jù)的傳輸，它既兼容了51單片機的性能，同時也具有51單片機所不能實現(xiàn)的功能。其主要工作原理為：讀寫器芯片中嵌入寄存器來控制讀寫器的讀寫，通過單片機命令根據(jù)所需協(xié)議的格式執(zhí)行指令，其中單片機的各個引腳的定義根據(jù)功能而改變。電路中的晶體振蕩器主要用于產(chǎn)生時鐘頻率，然后在頻率放大器的作用下為電路中的線路提供不同頻率。在該設計中，STC89C52單片機接口的連接采用串行UART的連接方式。

1.2 射頻模塊

RC522射頻模塊工作是在13.56 MHz頻率范圍內，屬于一種高度集成的非接觸式讀寫卡，射頻模塊的工作原理是通過模擬接口來進行數(shù)據(jù)的調制和解調方式來實現(xiàn)，系統(tǒng)與電腦之間進行通信時的協(xié)議通過非接觸式UART來實現(xiàn)，與電腦之間實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸，采用FIFO來進行緩沖，是智能儀器和便攜式手持設備研究和開發(fā)的一個不錯選擇。

此設計中RC522射頻模塊可以和多種單片機連接通信，但在與SPI總線連接進行通信時，需要選擇固定的接口進行連接，其接口連接的選擇見圖2。

1.3 IC卡的讀寫

RC522讀取IC卡數(shù)據(jù)信息主要通過天線進行獲取，IC卡的天線發(fā)送無線載波信號，同時讀卡器也通過天線發(fā)送載波信號來產(chǎn)生感應電流，如若產(chǎn)生共振，則說明IC卡在讀卡器的識別范圍內，讀卡器的接收天線通過耦合的方式來接收數(shù)據(jù)信息，對接收到的數(shù)據(jù)進行調制和解調操作，首先進行波形變換，然后對濾波進行整流，通過控制電壓控制讀卡器的工作，同時需要對穩(wěn)壓進行處理，完成后將輸出信號發(fā)送到射頻卡的各級電路中，傳輸?shù)诫娔X中進行數(shù)據(jù)處理。當讀卡器完成數(shù)據(jù)處理后非接觸式IC卡將通天線返回載波信號，非接觸式IC卡通過內部的調制和解調電路來處理所接收的同頻載波信號從而完成讀卡器對非接觸式IC卡的識別。

1.4 傳感器

本設計采用紅外避障傳感器，其由兩個紅外信號發(fā)射和接收二極管組成，主要用于檢測停車位停車狀態(tài)。紅外避障傳感器測距范圍較近大約在1m范圍以內，在夜晚和惡劣條件下的工作能力優(yōu)于可見光、隱蔽性好、不易被干擾可實現(xiàn)非接觸性測量。

紅外避障傳感器以紅外測距傳感器為主，其工作原理為：紅外線信號進行發(fā)射尋找物體，當物體接近時，發(fā)射管發(fā)射的紅外線被物體反射回來接收管上，被接收管接收。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過數(shù)字傳感器接口傳輸?shù)诫娔X，上位機獲取停車位的狀態(tài)。本設計設置4個停車位來模擬停車場停車位的管理，主要設計思想按照“就近原則”來提供用戶停車，傳感器通過串口連接上位機將顯示停車位確定位置，并減去停車位顯示剩余車位，在下位機根據(jù)“就近原則”顯示剩余停車位行駛方向節(jié)約停車時間提高停車場的經(jīng)濟效率。其電路圖見圖3。

1.5 電源模塊

電源供電中可以選擇普通的電源進行供電即可，此系統(tǒng)采用兩個USB電源接口進行供電，一路電源對12864液晶進行供電，使其液晶顯示屏進行正常工作，另一路對電機進行供電，通過電機的轉動來控制閘門的升降，以此來控制車輛的進出。

1.6 蜂鳴器

此停車場收費管理系統(tǒng)的設計中，當用戶刷卡停車時，蜂鳴器自動進行報警，提示用戶查看信息進行下一步操作，如果程序執(zhí)行正確，則系統(tǒng)執(zhí)行下一步操作。反之，蜂鳴器將繼續(xù)進行報警提示用戶，在液晶界面顯示其錯誤信息。

系統(tǒng)運行中單片機的所有I/O口將處于短暫的高電平狀態(tài)。如選用NPN型三極管，即使修改程序使I/O口工作在低電平，蜂鳴器或繼電器發(fā)出的聲音很小或者只是短暫的吸合，為了避免這種情況發(fā)生，蜂鳴器中選擇PNP型三極管支持蜂鳴器的工作。

1.7 獨立按鍵模塊

此系統(tǒng)設計共設置5個按鍵模塊，該按鍵模塊的功能分別為停車場界面、復位界面、充值界面、撤銷界面和注冊界面。獨立按鍵的一端接地，另一端與STC89C52單片機的I/O接口連接，按下注冊按鍵時，I/O口短路轉變成低電平，單片機對IC卡進行注冊，單片機將根據(jù)指令進行不同的操作，通過上位機來對IC卡的信息進行修改和統(tǒng)計。

2 軟件設計

2.1 主程序流程框

系統(tǒng)的正常工作需要上位機和下位機配合使用，兩者缺一不可，其中所有程序需要進行初始化的操作，上位機中共設置有兩個按鍵進行控制上位機的正常工作，連接鍵用于端口號連接，通過菜單鍵控制上位機的工作，當有IC卡讀入時，上位機對IC中的數(shù)據(jù)信息進行處理，蜂鳴器進行信息提示，上位機將自動結束工作，其上位機的工作流程框見圖4。

2.1.1 液晶流程框

所有程序進行初始化操作，12864液晶顯示屏人性化地提示停車用戶“歡迎您使用停車場管理系統(tǒng)”，液晶顯示屏通過識別IC卡來進行顯示變化，根據(jù)上位機和傳感器顯示IC卡信息。

2.1.2 射頻流程框

供電模塊首次供電系統(tǒng)將進行初始化操作，RC522射頻模塊通過天線發(fā)射出無線載波信號識別IC卡中是否也發(fā)射出同一頻率的載波信號，存在IC卡，則相互直接進行感應，根據(jù)RC522射頻模塊中嵌入的防碰撞機制進行對IC卡識別并將數(shù)據(jù)通過單片機的處理傳輸?shù)缴衔粰C，通過液晶顯示屏顯示出所識別到的數(shù)據(jù)信息。

2.2 上機位

上位機的制作通過VB語言進行代碼編寫，停車場系統(tǒng)的上位機中設置有兩個按鍵，在使用停車場收費管理系統(tǒng)時，先對停車場系統(tǒng)進行供電，刷卡停車入庫，再次刷卡用戶出庫。上位機中首先進行端口號的選擇，通過電腦配置中的設備管理器選擇端口，查看應選擇的端口號，再選擇串口、端口、進行端口的連接，使上位機保持正常的通信，當用戶停車第一次刷卡時，上位機將顯示基本信息，此時，上位機中停車場系統(tǒng)中的停車時間、總時間、消費金額、付款金額和剩余金額將不會顯示，電腦將自動進行計時。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

該設計采用電源→液晶→IC卡→射頻識別/傳感器→單片機→上位機→蜂鳴器報警的過程，來實現(xiàn)智能停車場收費管理系統(tǒng)的主要功能[2-3]，紅外傳感器用于實現(xiàn)停車場的合理化管理，以此實現(xiàn)停車場網(wǎng)絡化、智能化、規(guī)范化的建設。該設計中STC89C52單片機是系統(tǒng)的核心部件，通過采用RFID-RC522射頻卡識別IC卡信息，掃描結束后串口傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)處理分析，上位機將數(shù)據(jù)處理分析后顯示到停車場管理界面上，再次掃描IC卡將結算消費金額及其他信息，并重復掃描IC卡后的操作，停車場管理系統(tǒng)根據(jù)電腦時間自動記錄入庫時間和出庫時間，上位機自動計算停車總時間以及消費金額和其他相關停車信息，并且將前后停車數(shù)據(jù)記錄保存到數(shù)據(jù)庫ACCESS中，方便管理人員對數(shù)據(jù)進行記錄查詢。同時通過蜂鳴器報警進行信息提示，利用電機的轉動來控制閘門的升降，通過紅外傳感器來采集停車場停車位的信息，通過上位機顯示在停車場管理界面來管理停車場[4-6]。

3 系統(tǒng)運行及分析

此設計目的是通過設計來深入學習并熟練掌握RFID技術的工作原理、單片機模塊和RC522讀寫模塊的組成、12864液晶和紅外傳感器的功能，利用RFID技術來實現(xiàn)停車場管理系統(tǒng)的智能化，通過RC522射頻模塊實現(xiàn)對IC卡的識別，將獲取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理分析和記錄保存，該系統(tǒng)的主要功能見圖5。

根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況，統(tǒng)計某停車場不同時間段進入車輛數(shù)量、駛出車輛數(shù)量以及休息日、工作日車主的平均停車時間，停車時間為車主從入口進入后，通過智能引導屏或自助方式停車完畢的時間。通過對各項指標數(shù)據(jù)，在智能入口和傳統(tǒng)方式的臨時入口得出，基于RFID的智能停車引導系統(tǒng)在特定時間段可以提高車輛進入、駛出效率，同時節(jié)約車主的平均停車時間。

上位機中進行端口號的選擇，通過電腦配置中的設備管理器選擇端口號，串口、端口對端口進行連接，使上位機保持正常的通信，當用戶停車首次刷卡時，上位機將顯示基本信息，上位機中停車場系統(tǒng)中的停車時間、總時間、消費金額、付款金額和剩余金額將不會顯示，電腦將自動進行計時，其停車場系統(tǒng)首次刷卡界面見圖6。

用戶出庫刷卡時，上位機中將根據(jù)電腦記錄的時間進行計算停車總時間，同時顯示出其停車具體時間、消費金額、付款金額和剩余金額，剩余停車位將自動增加，停車位置將為空，其用戶出庫時上位機界面見圖7。

上位機菜單存在4個按鍵，分別為開始鍵、停止鍵、停車管理鍵和信息管理鍵，信息管理按鍵用于記錄保存停車用戶的注冊信息，該信息管理界面中設置有5個按鍵可對用戶信息進行操作，其信息管理界面見圖8。

停車場數(shù)據(jù)將在上位機中記錄提供查詢，查詢時提供5個字段進行快速查詢，分別為姓名、電話、狀態(tài)、刷卡時間和卡號5個字段，卡號不存在疊置現(xiàn)象，因此選擇卡號查詢，停車場信息見圖9。

4 結語

本文結合RFID技術設計出新型的智能化停車場管理系統(tǒng)，用來取代傳統(tǒng)人工收費管理模式，根據(jù)用戶系統(tǒng)的需求及未來業(yè)務的發(fā)展方向和趨勢，通過對停車場收費管理系統(tǒng)的了解，進行硬軟件選型，對已有的硬件體系結構和軟件體系結構設計出智能化、人性化、安全性高、運行速度快、設備簡單、較易于安裝調試和維護。本系統(tǒng)主要以STC89C52單片機為核心，通過RC522無線射頻模塊對非接觸式IC卡進行識別讀取信息，采用紅外避障傳感器對停車位進行檢測。通過現(xiàn)實運用智能化管理模式實現(xiàn)無人化管理，有效提高了停車場的管理效率，并給停車用戶提供更便捷、智能化、人性化的服務，也對當下防疫無接觸管理起到了重要作用。