基于RFID的车辆管理系统设计

田野，郝芸

（天津理工大学 中环信息学院，天津 300380）

射频识别技术作为一种新兴的非接触式自动识别技术，在国内外快速普及，在许多领域都有较大应用价值和发展前景。基于RFID技术的车辆管理系统是集RFID技术、计算机管理技术和自动化控制于一体的现代化的车辆出入管理系统。与传统车辆出入的人工管理相比，有着独特的优势：合法车辆在出入小区时，车主无需停车，大大的节省了时间；减少了人工的干预，节省劳动力；临时车辆进入小区，采用收费制度；对于非法车辆拒绝出入小区，保证小区车辆的安全；系统可以随时记录车辆出入的信息，以备查询和打印报表。整个系统使用起来方便可靠。系统通过了模拟调试，运行可靠，达到预期的设计目标。该设计方案合理、先进，效果显著，是一种很有推广价值的小区车辆出入管理系统。

1 射频识别原理

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触[1－2]。其基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。根据RFID系统工作的频率的不同可以将其分为低频、高频、超高频和微波系统。低频系统的频率范围为30～300 kHz，基于这些频率的RFID系统一般都有相应的国际标准；高频系统的频率在3～30 MHz之间；超高频系统频率范围为300 MHz～3 GHz，常见的工作频率为915 MHz；微波系统的频率范围2.4～5 GHz。

2 系统的总体结构设计

整个系统设计的过程中必须满足以下要求：保证拥有合法身份的车辆在出入小区时，车主无需停车，可快速通过；对于外来车辆，采用发放临时卡，读卡后允许车辆通过，并根据车辆的停留时间收取一定的费用；系统可以自动记录车辆出入小区的时间；用户可以查询通过管理系统查询车辆各种信息；严格控制一车一卡，不允许同一张卡带几辆车出入小区；防止小区丢车事件的发生。

根据车辆出入管理系统的要求，系统采用局域网管理模式[3]。在此模式中，管理系统的数据库服务器放在小区的服务器上，出入口控制室位于出口和入口的中间。每个控制室放置一台管理计算机和一台RFID控制器和一台PLC。连接在RFID控制器上的两个读写头分别放置在小区的入口和出口处，实现对进入或者离开车辆信息的读取。另外，在入口和出口处还分别放置两个地感线圈和一个道闸。对于长期用户，由RFID标签组成的RFID卡，放置在汽车左边的门上。各个出入口的计算机和小区的局域网连接，这样无论车辆从哪个出入口进入或者离开小区，车辆的出入信息都会被实时记录并保存到中央数据库。管理信息系统和车辆出入控制系统结合在一起，实现了车辆出入的智能化管理。这样不仅满足车辆进出小区方便、快捷、安全的要求，也提高了小区物业的服务水平，为建设智能化小区奠定了基础。该系统的入口结构设计如图1所示。出口和入口结构基本相同。

图1 系统入口结构图Fig.1 System structure diagram

3 车辆出入控制子系统

车辆出入控制子系统是小区车辆出入管理的一个重要的组成部分，主要实现对车辆出入的自动控制。整个系统的控制过程简单，主要功能包括控制器（PLC）与RFID控制器之间的通信，验证车辆的合法身份；控制出入口道闸的开启；出入口的指示灯指示和车辆防砸等等。图2为入口工作的流程图。

图2 入口工作流程图Fig.2 Entry work flowchart

拥有长期卡的车辆离开小区时，出口车道下面的地感线圈1检测车到，允许RFID控制器读RFID卡信息，验证身份后，道闸自动抬起，车辆离开。车辆通过道闸且离开地感线圈2后，闸杆自动落下。如果闸杆下落过程中，线圈检测到闸下面有车辆，则闸杆会自动抬起，直到车辆离开后，闸杆才重新落下。临时车辆离开小区时，RFID控制器读卡，管理系统根据车辆进入和离开的时间计算出车辆停留的时间。车主根据车辆停留的时间缴纳一定的费用，车辆离开小区时，管理员收回临时卡。出口工作流程图如图3所示。

1）设备选型

图3 出口工作流程图Fig.3 Export work flowchart

本系统是使用于小区车辆识别，出入小区的车辆行驶的速度相对缓慢，所以选用欧姆龙V600系列RFID系统。V600系列RFID系统是工作频率为530 kHz高标准的电磁耦合式RFID系统。它的编码体系完全符合EPC标准[4]，最大的识别距离为10 cm左右，通信的速率非常的快，读取数据时为40～60 ms，写数据的速率为90～170 ms。它具有优良的环境适应性，可以在高温150℃的环境中工作；产品类型丰富，RFID标签的存储容量为254字节～8k字节；小型无电池型标签可改写30万次。

整个系统由 RFID控制器V600－CA5D02、RFID读写头V600－H07和 RFID 标签 V600－D23P66N 3部分组成[5]。 主控制器为欧姆龙的CP1L－M20DR－APLC。它与传统的CPM1A和CPM2A不同，除了具有它们的一般功能之外，还增加了脉冲输出功能、变频定位功能和以太网功能等等。它的程序的存储容量为8KB，输入输出最大可以扩展到60个点，完全可以满足一般用户的需求。通过安装选件板，可以选择RS－232或 RS－422/485通信。

2）PLC与RFID控制器的通信

PLC[6]与RFID控制器之间采用无协议通信，即不使用重试处理、不经过数据格式的转换处理及具有对应接收的数据进行处理分支等的顺序通信协议。在无协议且无转换的条件下，通过通信端口的输入输出指令（TXD，RXD）发送和接收数据[7]。PLC与RFID控制器之间使用RS－422方式进行通信。根据RFID控制器通信规格要求，使用欧姆龙CXProgrammer7.1编程软件将CP1L串口1模式设置为RS－232，通信波特率设置9600，数据格式为7、2、E。CP1L端口1选用插件 CP1W－CIF11，为 RS－422/485 型。

PLC与RFID控制器通信时，使用专用的SYSWAY通信协议，上位机优先发送通信指令，RFID控制器接收后，首先分析来自主机的命令，然后对RFID标签进行读写。通信结束后，RFID控制器返回一个响应代码到主机。SYSWAY通信协议支持1：1和1：N通信。当主机与RFID控制器是1对1连接时，采用1：1方式通信；当连接主机的RFID控制器超过一个时，采用1：N方式通信。在1：N通信模式下，可以通过对RFID控制器设置来实现主机与RFID控制器的1：1通信。

V600系列RFID控制的指令系统共23条指令，可以灵活的实现与主机之间的通信，其中包括通信命令、一般的通信子命令、主机命令等。通信命令多用于执行与RFID标签的通信，例如，对静止或者是移动的RFID标签进行读写等。通信子命令一般用于取消某个命令的执行，而主机命令则用于主机设备控制RFID控制器。在1：1的通信模式下，通信过程中不计算校验码，因此，只能通过响应代码来判断通信结果的正确性。

3）控制要求及I/O分配

车辆出入控制基本要求如下：车辆出入小区时，应首先验证车辆的身份，身份合法，要有指示功能，同时道闸自动打开，允许车辆通过。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O distribution table

如果身份不合法，同样有指示功能，道闸不打开。车辆驶入或者驶出的过程中，要有指示作用。车辆完全进入或者离开时，道闸才能落下，否则道闸不下落。关键应该注意车辆身份的验证和车辆的防砸功能。根据以上控制要求，车辆出入控制系统的I/O分配表1所示。

4 信息管理子系统设计

本系统使用Visual Basic作为前台开发工具。它提供强有力的数据库存取能力，通过ADO控件和后台SQLServer2000有机的结合在一起。车辆出入管理系统软件的使用人员是小区的管理人员或者保安，实例中包括车辆基本信息管理、车辆用户的基本信息管理、射频卡的类型管理、射频卡管理、车辆出入管理以及收费管理等主要功能。

根据管理系统功能需求设计系统的功能模块图，如图4所示。在功能模块的图的树状结构中，每个节点就是一个很小的功能模块。每个功能模块要针对数据库中不同的表来完成相似的操作，即添加记录、修改记录、删除记录、以及查询和显示记录等。

系统中，还有一个系统用户管理模块。这个模块相对简单，包括用户信息管理和权限控制两个部分。在初始化时，有两个默认用户。系统管理员用户Admin，普通用户wang，在设计程序时手动添加到数据库中。两个用户密码分别为Admin和123。系统管理员用户拥有整个系统的最高权限，可以创建其它的普通用户、修改用户信息、删除用户等；而普通用户只能修改自己的用户名和密码。

用户对数据库的需求，主要体现在各种信息的提供、保存、更新和查询，因此数据库系统必须充分的满足各种信息的输出和输入。基本数据、数据结构以及数据处理的流程，组成了一份详尽的数据词典，对数据库的设计起到非常重要的作用。通过对系统需求的分析，得到如图5所示的数据流程。

图4 车辆出入管理系统模块图Fig.4 Vehicles in and out management system module chart

图5 数据流程图Fig.5 Data flowchart

计算机与RFID控制器使用MSComm控件进行通信[8]。其通信协议、指令及数据传输格式与PLC与RFID控制器通信完全相同。计算机与RFID控制器之间的无握手信号的连接方案。这种方式连线方便，仅需要1根信号地线GND和2根数据线：发送线TXD和接收线RXD。接线时，计算机串口的发射端TXD、接收端RXD分别与RFID控制器的接收端RXD、发射端TXD连接，双方的GND相连，各自的请求发送线RTS、允许发送线CTS短接。控制线RTS、CTS自连，默认对方信号存在，以确保进入握手后的状态，可直接交换数据。

计算机与RFID控制器进行通信时双方的通信参数设置（如波特率、校验方式、数据位等）应该一致。为了方便起见，双方的通信参数多设置为RFID控制器的默认值。

下面谈一下通信的具体实现。在VB环境下，新建一个工程，在这个工程的新窗体上进行用户界面设计。首先，窗体的caption属性设置为“计算机与RFID控制器通信”，然后再窗体上添加7个对象，2个标签、2个文本框、两个按钮和一个MSComm控件。标签是用来显示信息，不能用来输入；文本框用来数据也可显示；命令按钮用来执行相关的操作；MSComm控件用来实现通信。对象建立好以后，要为其设置属性值。建立好的用户界面窗体。在视图菜单中选择“代码窗口”或者双击用户窗口，进入代码窗口编写事件过程代码程序。整个通信程序主要由以下几个部分组成：串口初始化、发送数据、串口事件处理。

串口初始化的功能是打开端口，设置通信参数。程序代码如下：

发送数据的功能是将命令数据按通信协议组成数据包发往RFID控制器。程序实现如下：

串口事件处理程序的主要功能是接收数据，并把数据显示在文本框内。程序实现如下：

在“运行”菜单的“启动”命令，系统运行程序，弹出计算机与RFID控制器通信的窗体。在对窗体内，按照RFID控制器与计算机通信数据的格式将要发送的数据写入通信对话框的发送数据文本框中，然后点击发送数据按钮，即可实现二者之间的数据交换。

管理软件运行在管理计算机上，对整个系统的各种信息进行管理。运行系统后，先进入管理软件的登陆界面，系统管理员输入用户名和密码登陆到系统主界面。

主界面的上部是系统的菜单信息，主要包括以下几个方面：基本信息管理、车辆管理以及系统用户。在“基本信息管理”菜单下可以实现对射频卡、射频卡类型以及用户基本信息的管理；“车辆管理”菜单下的子菜单可以实现车辆基本信息管理和车辆出入信息的管理。在“系统用户”中主要实现对用户名和密码的管理。

虽然整个管理系统有几个的模块构成，但是系统中各个模块基本功能、设计方法和操作步骤基本相同。

5 结 论

本系统主要由车辆出入控制子系统和车辆出入管理信息子系统两个部分组成。控制子系统的主要通过控制器与RFID控制器之间通信，读取车辆RFID卡（RFID标签）的信息，然后验证车辆的合法身份，控制车辆的出入。管理信息子系统主要实现对小区车辆各种信息的管理；通过计算机与RFID控制器的通信，采集RFID卡的信息，记录车辆的出入信息，加强车辆的出入管理；对外来车辆的收费管理等。本系统充分利用RFID技术实现了对小区出入车辆的无人化安全管理。

[1]游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]穆显勇，李晓龙，刘栋，等.基于RFID技术的抽水蓄能电站人员定位管理系统设计[J].陕西电力，2011（10）：11-14.MU Xian-yong，LI Xiao-long，LIU Dong，et al.Design of personnel locating and management system based on RFID technology used in pumped storage power station[J].Shaanxi Electric Power，2011（10）：11-14.

[3]卓浩.基于RFID的管理系统技术[J].计算机与数字工程，2008，36（1）：111-113.ZHUO Hao.Management system based on RFID technology[J].Computer and Digital Engineering，2008，36（1）：111-113.

[4]OMRON.RFID System V600 Series OPERATION MANUAL[M].Shanghai：OMRON，2011.

[5]OMRON.RFID SystemV600SeriesUSER’S MANUAL[M].Shanghai:OMRON，2011.

[6]李啸骢，刘明明，张鹏.基于PLC的多指标非线性励磁控制器的设计[J].陕西电力，2010（5）：7-10.LIXiao-cong，LIU Ming-ming，ZHANG Peng.Design of multi-index non-linear excitation controller based on PLC[J].Shaanxi Electric Power，2010（5）：7-10.

[7]范逸之.Visual Basic与RS-232之间的通信控制[M].北京：清华大学出版社，2009：54.

[8]王伟，杨海萌.用VB实现RFID控制器的串行通信[J].船电技术，2009，27（5）：307-309.WANG Wei，YANG Hai-meng.RFID controllerserial communication with VB[J].Marine Electric&Electronic Engineering，2009，27（5）:307-309.