基于RFID和WSN的新型物联网智能停车系统

翟维, 肖军, 郭远超, 张恒

(西安航空学院,电子工程学院，陕西,西安 710077)

0 引言

减少城市交通拥堵是大多数城市的首要目标之一，公共停车智能管理系统的发展是解决这一问题的基本方法。由于缺乏停车位使得司机经常占用为特定类别的人保留的停车位，例如残疾人或执法人员车位。这不仅会给寻找停车位的司机造成时间和燃料的浪费，还会增加空气污染和司机的焦灼情绪。针对这些问题，大力发展新的智能泊车系统，能够更好地管理城市停车场，更有效地解决道路交通问题。

RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)是一种低成本、低功耗技术，由无源或电池辅助无源设备组成，能够在由询问器生成的电磁场供电时传输数据[1]。由于无源RFID标签的使用不需要能源，其使用寿命可以保持几十年，从而使RFID技术非常适合于各种应用场景[2]。然而，RFID标签的主要缺点在于它们只能在读写器覆盖区域内工作，即分别使用完全无源标签和BAP标签时最高可达10 m和50 m[3]。显然，这样的限制使超高频射频识别技术只能在相当小的区域内进行目标识别和监测。

WSN无线传感器网络基本上是由小型设备组成的自组织网络，这些设备以多跳方式进行通信，以提供监视和控制功能。目前，大多数无线传感器网络都是电池供电的计算台,集成模拟/数字传感器和IEEE 802.15.4无线电的电池供电计算平台，可实现高达100 m的室外通信范围[4]。无线传感器网络信号比RFID标签消耗更多的功率，从而使整个网络寿命成为这种技术的主要限制[5]。RFID和WSN代表了两种互补的技术，它们的物理集成可以提供更丰富的功能，并为广泛的不可替代应用提供新的视角。

本文提出并讨论了一种新颖的物联网感知智能停车系统。通过利用不同但互补的技术和标准为停车位的自动监控和管理提供创新服务。

1 系统结构概述

该系统能够实时地收集环境状况和停车位占用状况的信息，并将这些信息传送到控制中心。高级监控应用程序分析接收到的数据，并向最近交通警察的移动应用程序发送警报消息，以防未经授权使用预留空间或停车超时。驾驶员可以使用不同的定制移动应用程序来查找最近的停车位并支付费用。系统架构见图1。

图1 智能停车系统架构

假定在每个停车位上放置定制的UHF RFID标签，以检测汽车的存在，同时将路由器读卡器节点放置在停车位附近的杆上。一旦标签提供足够的光照水平，它们就会将ID传回路由器读卡器。这里采用定制的RFID标签作为检测传感器而不是选用WSN节点，是为了保持高可靠性的同时降低安装成本。检索到的信息通过部署的WSN传递到物联网智能网关。然后直接与混合传感网络连接，另一方面通过通信接口与因特网连接。

边界路由器节点用于检查只有授权的汽车占用预留的停车位。这些汽车标有RFID标签，其中包含有关其特殊权限的信息。在不久的将来，可以使用特殊的RFID车牌来存储有关汽车及其所有者的大量信息。当安装在中央服务器上的管理应用程序意识到已经占用了预留的停车位时，它会检查是否已识别出新的标签，验证汽车的授权。为此，中央服务器建立了一个控制数据库，存储有关停车位可用性和用户付款等大量信息(图1中的控制数据库)。

此外，管理应用利用推送方式来通知交警不正当使用预留空间或停车时间的车辆信息。交警通过智能手机连接RFID阅读器并运行定制的交通协管App。交警还可以直接与放置在汽车上的标签交互。停车交费App可以引导驾驶员找到指定区域内可用的停车位、支付停车费、检查剩余停车时间并接收推送通知。

2 硬件结构

2.1 超高射频识别功能

如图2所示，6LowPAN路由读卡器由RFID读写器通过通用异步收发器(UART)通信总线与6LowPAN接口组成。它配备了一个16位超低功耗TI MSP430F2618微控制器单元(MCU)。无线通信功能由符合IEEE 802.15.4标准的TI CC2420收发器提供，传输频率为2.4 GHz。所选的RFID读写器是通过传感器ID发现超高频门[6]，它可以很容易地通过接口控制板上的通用异步收发器(UART)。

图2 6LowPAN路由读卡器结构

2.2 BAP RFID解决方案

为了检测停车位中汽车的存在，开发了BAP RFID技术。BAP标签使用电池来运行标签电路，通信方式与完整的无源RFID相同，其中标签ID通过反射输入的无线电波传输回读取器，从而传输二进制数字。我们考虑更换电池为太阳能电池。这样，一旦太阳能电池被足够多的光照亮，标签就能以其标识特定停车位的ID码对读取器作出反应了。

3 软件结构

3.1 混合传感网络

本设计采用了搭载CoAP消息的REST请求/响应范例。CoAP是物联网中最常用的通信协议之一，其主要目标是提供对物理资源的轻量级访问，以满足嵌入式设备的有限功能。CoAP设计类似于HTTP，因为它在2个端点之间提供请求/响应模型交互，并包括Web的关键概念[7]。此外，CoAP提供了一种资源检测机制，允许客户端在其先前订阅的资源状态发生变化时接收通知。

3.2 物联网智能网关

物联网智能网关是设计架构的重要组成部分。它负责数据的收集和传输，以及付款的执行。通过连接Rasperry Pi板实现物联网智能网关。它还配备了GPRS模块。从功能的角度来看，它主要由2个不同的块组成：代理服务器和计费系统。

代理服务器允许与CoAP设备进行透明通信。它负责将来自用户界面和管理应用的HTTP请求转换为CoAP消息。具体而言，代理服务器能够以JSON格式接收，处理和回复来自管理应用和用户界面的请求。它部署在物联网智能网关上,安装在Jetty应用服务器上。通过实现缓存服务扩展代理逻辑，从而支持对同一资源的多个请求，并限制了注入物联网外围网络的通信量。

3.3 中央服务器

中央服务器是本设计架构的核心。它控制整体物联网感知智能停车系统。中央服务器的不同组件在图1中突出显示，具体描述如下。

(1)管理应用程序和系统数据库。管理应用程序是一个独立的Java应用程序，可通过用户界面轻松配置和访问。它执行两项不同的任务：允许环境操作员控制环境条件；监控停车场状态并在发生危急情况时给交警发出警告。出于这些目的，管理应用程序将从混合传感器网络节点检索到的信息存储在控制数据库上。该数据库将数据收集与数据处理和可视化分离，因此操作人员在正常操作模式下不需要直接询问混合传感器网络节点。

(2)安全访问管理器和用户数据库。安全访问管理器可确保隐私和数据保护。它协调终端用户和中央服务器之间的所有通信，仅向授权用户提供对存储信息的访问，即在用户数据库上注册。

3.4 用户界面

授权用户可以通过用户界面与系统进行交互，可通过Web浏览器的固定工作区和移动设备访问。允许用户通过代理服务器与混合传感网络通信。开发的用户界面根据2个可能的客户端配置文件提供2个主要功能。

交通人员界面：该界面允许交通运营商管理来自环境传感器的当前和历史信息，可视化并最终更改有关停车场状态和存储在控制数据库中的用户付款的数据。

驱动程序接口：该界面允许驾驶员可以看到停车场的占用状态和执行支付的信息。

4 系统测试

4.1 检测系统实验

为了开发能够检测汽车存在的太阳能RFID，需要选择合适的RFID标签和足够的太阳能电池。标签性能取决于其芯片灵敏度，天线性能以及标签和天线之间的阻抗匹配，而太阳能电池的性能取决于不同太阳辐照度下的电流-电压特性。

为了分析太阳能标签的可行性，文章在特定情况下使用2个电池进行了一些测试。我们使用了一种能提供太阳辐射强度(W/m2)的日照器。对2个信源进行了测量。在室外、阳光明媚的日子和室内环境中(没有窗帘，并打开灯)。测量结果如表1所示。

表1 日射强度和太阳能电池测量

实验中，RFID标签被放置在桌子、椅子、木制橱柜和计算机设备的室内环境中。阅读器天线安装在天花板上，而标签位于离天线约4 m的地板上，并且在60°的角度下。为了检查功率要求，电压设置略有变化，以便评估为标签供电和可靠读取所需的最小值。从图3中可以看出，低于10 W/m2的光照水平无法提供足够的功率来运行标签，所以我们需要大于10 W/m2来运行标签，特别是在由于金属条件而传播无线电波很难的汽车位置下方。若低于此阈值会关闭标签，从而发出停车位占用信号。

图3 标签和太阳电池的电压、电流和功率特性测量

5 总结

本文将WSN的通信技术与RFID技术的识别特征相结合，通过利用不同但互补的技术和标准实时收集关于停车位的占用状态的环境参数和信息。为了降低整体系统成本，我们采用配备太阳能和电池兼容的RFID标签来检测汽车的存在。本文提出了该系统的初步结果，未来的工作将包括对这种系统的完整评估，通过实际的发展来开展和进行。