基于CSS技术的室内大型多层停车场实时定位系统设计与实现

盛小宝，贾莉莉，魏峻

(公安部第三研究所 200031)

基于CSS技术的室内大型多层停车场实时定位系统设计与实现

盛小宝，贾莉莉，魏峻

(公安部第三研究所 200031)

针对室内大型多层停车场车辆管理和安全管理的需要，利用CSS(Chirp spread spectrum，线性调频扩频)技术，设计出车辆人员实时定位系统。该系统能够实现室内多楼层全区域的实时精确定位，并准确地将各个区域内人员及车辆的动态信息反映到计算机系统，使管理人员可随时动态掌握人员、车辆的精确位置及运动轨迹，便于合理调度管理。产品功耗低、具有远距离定位能力且精度高、支持深入开发的复杂网络协议，具有广泛的应用前景。

线性调频扩频;CSS;实时定位系统;射频识别技术;停车场管理系统

0 引言

随着城市化进程的不断加快，城市汽车保有量不断攀升，原有的露天停车场、小型停车场已经渐渐不能适应车辆出行与保存的需要，交通枢纽停车场、P+R(Park and Ride，存车换乘)停车场、公交车队停车场、和大型购物中心停车场越来越多地建成室内大型多层停车场的模式。室内大型多层停车场建设方式上往往采取封闭/半封闭多层结构，面积大，存放车型多，存车、寻车和车辆安全防范工作，经常困扰车主和停车场管理人员。解决这些问题，首先要迅速准确地发现车辆位置，即对车辆进行区域定位。传统的GPS、北斗等卫星定位技术在室内环境无法工作，图像识别技术要求高清摄像机停车场全覆盖，系统成本高且识别效果很容易受到环境光照影响，一般有源电子标签电池寿命短，定位精度低，有时甚至无法区分楼层。在信息化日益普及以及安全观念日益强化的今天，如何采用先进的信息化手段，有效管理车辆流动，提升对车辆监控手段，日益成为一个迫切需要解决的问题。

本文在研究基于RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)和CSS(Chirp spread spectrum，线性调频扩频)技术的定位测距方法的基础上，提出了一种基于CSS技术的室内大型多层停车场区域定位系统的设计方案，并通过系统在场内的试验测定证明了运用CSS技术实现室内停车场高精度定位的可行性。

1 CSS技术

CSS(Chirp spread spectrum，线性调频扩频)技术以前主要用于脉冲压缩雷达，该技术能够很好的解决雷达系统测距长度和测距精度不能同时优化的矛盾［1］。2006年10月，IEEE委员会在802.15.4a的物理层草案中把CSS技术列为标准，该项技术在通讯领域的应用受到进一步关注。CSS技术是由Chirp信号进行扩频的，从信号特征上来说，CSS信号是一种扩频信号，在一个Chirp信号周期内会表现出线性调频的特性，信号频率随着时间的变化而线性变化。Chirp信号的频率在一个信号周期内会“扫过”一定的带宽，所以Chirp信号又被形象地称为“扫频信号”。因为CSS的频带较宽，特别适合在室内多径信道中使用。

CSS技术具有很强的多径分辨能力、抗噪音能力，受频率偏移影响小，发射的瞬时功率低，发生器件成本低，传输距离比较远等特点［2］，因此在无线定位方面具有广泛的应用前景。目前有多种定位系统，如ZigBee、WiFi等。任何定位系统需要获取邻节点之间的距离［3］。ZigBee等采用测算节点之间连接信号强度的方法，利用无线信号的空间传输衰减模型估算出节点间的传输距离。根据ZigBee的衰减模型，30 m以内能够进行大约5米级的距离分辨，80 m以内能进行10米级的分辨，而80 m以外信号波动已经无法识别，实际应用中这些值将都有所降低，同时由于ZigBee等系统只有几兆带宽，频谱密度高，极易受到外界干扰，同时天气变化也会影响信号强度测算，导致严重偏离运算模型，定位精度极差。CSS系统采用SDS－TWR的测量方法［4］，获取双向传输的时间，进而获取节点距离。CSS系统采用了80 M带宽，能够很好地低于环境干扰，脉冲系统具有精准的到达时间计算能力，具有良好的抗干扰性及抗多路径效应能力，容易实现精准定位，应用中实际测距精度可以达到1米左右。

2 系统设计

基于CSS技术的室内大型多层停车场实时定位系统具备区域人员、车辆信息识别、记录、定位等功能，由硬件设备及软件系统组成。硬件设备包含RFID/CSS有源定位电子标签、有源定位读写器、发卡器等;软件系统包括用于车辆、人员定位的应用软件及中间件数据处理软件。车辆和人员携带或粘贴特定电子标签进入停车场，即可实现实时定位和运动轨迹描绘。

2.1 系统构成

2.1.1 系统结构图(见图1)

图1 系统结构图

2.1.2 硬件设备构成

系统硬件设备组成分为四部分:数据采集单元包含RFID/CSS读写器、发卡器和标签;数据传输单元包含网络交换机;数据处理单元包含数据库服务器;监管单元包含监管端PC外设报警器等。

2.1.3 软件设备构成

系统软件组成分为系统定位监控软件和中间件两部分。

系统定位监控软件:提供图形化的监控管理工具，可实时查询人员、车辆的位置、状态、移动轨迹及事件显示。采用目前行业中主流的开发工具和数据库系统，系统可根据客户需求定制开发采用CS和BS架构。

中间件:与系统中的读写器设备进行通讯、监测读写器设备的状态并通过读写器读取标签数据，使用定位算法计算标签所在的区域和标签状态信息。根据配置的业务逻辑规则，产生各种类型的事件信息。

2.2 系统功能

2.2.1 前端信息采集

前端信息采集设备包括RFID/CSS读写器、电子标签等，人员/车辆电子标签通过无线方式远距离传输到RFID/CSS读写器，读写器通过有线传输至监控中心。

2.2.2 信息网络传输

监控中心的监控管理服务器以及监管计算机之间的信息通过专用局域网进行传输。信息采集设备将采集到的信息通过专用局域网传输到监控中心。

2.2.3 定位监控功能

系统具备人员/车辆定位监控的能力，软件系统的功能应包含:界面登陆功能、权限设定功能、定位监管功能、日志功能、统计分析、告警功能和系统设置功能。

(1)登陆界面。采用主菜单—子菜单形式提供;主要分为人员信息管理，权限设定功能，人员监管功能，日志功能，统计分析功能，告警通知功能，系统设置。

(2)权限设定。系统功能权限设定可进行不同级别人员，所能使用功能的设定;人员访问区域权限设定是按照不同类型的人员，针对不同级别的人员，进行信息的录入，修改，删除和必要条件的查询。

(3)定位监管。对监控对象(人员、车辆)进行分层次、分类型的显示与管理。可在物理平面图上查询显示人员的当前位置，可在物理平面图上动态显示;人员、车辆移动轨迹监管功能:可查询在一段时间内，某个指定人员的移动轨迹;可使用平面示意图结合表格形式进行显示。

(4)日志查询。一段时间内，对使用系统的人员、车辆所用功能进行记录，查询。以一览表格形式表现。日志数据根据相应系统设置自动删除。

(5)统计分析。可根据用户需求定制报表Excel模板，以表格形式在此Excel模板中显示统计数据，并以同样形式在系统中展示。采用此种方式，可以在控制相应成本的基础上，较为完善的提供统计工具。用户可在Excel输出结果中进行柱状/饼状图的手工转换;提供日、月、年及自定义时段的，人员、车辆进出频率、数量、告警记录、操作日志等统计。

(6)告警功能。设定人员、车辆发出告警的条件;触发告警条件时，自动弹出告警窗口;告警数据不能从系统中删除;告警级别:系统告警分为紧急告警、重要告警、一般告警三类，在此设定告警形式，内容及所发出的对象;人员、车辆异常告警功能:根据系统设置中的人员、车辆告警条件，一旦触发告警条件时，自动弹出告警窗口。在此可对告警窗口弹出的对象和显示内容进行设定;告警查询:实时告警查看、历史告警查询、告警分析等功能融为一体。

3 系统优势

3.1 系统原理

该物联网实时定位系统采用802.15.4a标准，结合RFID技术，运用窄脉冲进行精确的到达时间(TOA)运算;根据定位读写器的坐标位置，确定移动标签在定位场景中的位置。为实现人员、车辆定位系统的管理目标，实现对人员、车辆的位置定位、区域控制等功能，需要在监控区域内布置定位读写器，采用RFID/CSS定位技术，通过先进的定位算法，计算出人员、车辆标签相对定位读写器的位置坐标，实现标签的定位，并可以根据人员、车辆所通过定位唤醒器形成轨迹，对人员、车辆在区域内的行动事件查看，系统具有准确判断性、高效识别率、低功耗等特点。

双向到达时间测算原理如图2所示［5］。

图2 双向到达时间测算原理图

信号单纯的传输时间为d，则整个测量过程中，产生了四次测量过程4d，以及2 次回复等待时间(TReply，A;TReply，B);所以单次测量时间计算如下［6］:

C为常量

由于 TRound，A，TRound，B，TReply，A，TReply，B均能够板载晶振测量出来，故单次信号传输时间、传输距离也能够计算出来。

当电子标签能够测量出与其中一个Anchor的距离时，即可根据下列的结构，测出周边Anchor距离;在电子标签获取四个距离值后，通过数据搜集器传输到定位服务软件，并进行基于球面的数学运算，所获取的坐标信息在客户端软件上显示。定位系统架构如图3所示。

图3 定位系统架构图

3.2 系统性能

本实时定位系统在实际环境中能够获取以下指标:测距典型精度，室内室外均为0.6米～2米;定位典型精度:室内1米～2米，室外0.8米～2米。恶劣环境中精度可能有所降低。另外由于定位读写器可实现分组管理，彻底解决停车场无线定位系统窜层困扰。

3.3 系统优势

本文所采用的CSS定位解决方案可以避免通用有源RFID系统的缺点，能够实现全区域精确定位，并及时、准确地将各个区域人员及车辆的动态信息反映到计算机系统，管理人员可随时动态掌握人员、车辆的精确位置及每个工作人员的运动轨迹，便于合理调度管理。需要寻找特定人员或车辆时，相关人员可以根据定位系统提供的数据、图形，迅速了解当时相关的监控对象位置情况，提高工作效率。同时CSS技术使产品具有更强的抗干扰能力，产品功耗低、具有远距离定位能力且精度高、支持深入开发的复杂网络协议。

表1 不同定位技术的比较

ZigBee定位、WiFi、RFID定位均是采用RSSI以及信号连接质量来粗略判断距离，其信号灵敏程度均在2DB左右［6］。ZigBee物理层基于802.15.4标准，主要应用于工业小数据量通讯与控制;WiFi主要应用于室内通讯。表1是针对不同技术的定位方案的比较［7］:

4 结束语

基于CSS技术的室内大型多层停车场区域定位系统对停车场车辆人员管理和安全管理意义重大。考虑不同应用环境中，可能存在地形复杂、无线信号衰减严重、有线电缆铺设困难而且造价高等问题，目前大多人员与设备定位系统不仅功能简单，而且技术复杂，造价较高，不能较好地应用于实际应用过程。基于CSS的实时定位系统采用总线/以太网系统与无线CSS网络的方式，运用独有的CSS技术测量距离，可以实现控制台对人员、车辆的实时通信与位置监测。比目前市场上的基于有源RFID、ZigBee及WiFi等技术实现的定位系统具有更好的综合性能。整个通信系统各功能实现独立，方便实际应用与功能扩展，具有广泛的推广应用价值。

［1］ PINKNEY JQ，TR LABS，CALGARY UNIV，etal.A robusthigh speed indoor wireless communications system using chirp spread spectrum［C］.IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering，1999:84－86.

［2］张骁耀，王玫.基于CSS技术的室内定位通信系统的研究与实现［J］.微型机与应用，2012，31(13):49 －52.

［3］ 李晓维.无线传感器网络技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

［4］张科帆，朱海霞，包建军.基于CSS技术的井下精确定位系统设计［J］.工矿自动化，2014，40(1):5 －8.

［5］卢东亮，俞庆生，梁广玲，等.CSS定位技术的研究与应用［J］.无线互联科技，2012，9(8):159 －160.

［6］张岩，魏书田，张守祥.啁啾扩频超宽带技术的测距定位研究［J］.计算机工程与应用，2012，48(28):130 －134.

［7］ 王爱玲，盛小宝.RFID技术及应用［M］.北京:中国物资出版社，2007.

Design and Im plementation of a Real-time Location System for the
Large Multi-storey Indoor Car Park Based on Chirp Spread Spectrum Technology

SHENG Xiao-bao，JIA Li-li，WEIJun
(No.3Research Institute of the Ministry of Public Security，Shanghai200031，China)

In view of the demand on car management and security management in large indoor multi-storey car parks，by using chirp spread spectrum(CSS)technology，we have designed and implemented a real-time location system for vehicles and personnel.It can realize precise real-time positioning over all indoor areason different floors，and accurately relay dynamic information about staff and vehicles in all the areas to the computer system，so that administratorsmay at any time know exact location and movement locus of personnel and vehicles for the purpose of reasonable dispatching.As it has low power consumption and accurate long-distance positioning capability and can support deeply developed complex network protocols，this product has a broad application prospect.

chirp spread spectrum;CSS;real-time location system(RTLS);radio frequency identification technology;Parking lot management system

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.010

TP216

A

1000－3886(2015)06－0030－03

定稿日期:2015－09－17

盛小宝(1979－)，男，江苏大丰人，助理研究员，研究方向:无线射频识别技术，数据挖掘。 贾莉莉(1980－)，女，吉林人，副研究员，研究方向:图像识别，数据挖掘。

魏峻(1971－)，男，上海人，助理研究员，研究方向:安防及弱电系统。