基于定向天線技術的小區車輛無線管控系統

（河海大學物聯網工程學院,江蘇常州,213022）

基于定向天線技術的小區車輛無線管控系統

鄧志祥

（河海大學物聯網工程學院,江蘇常州,213022）

基于RFID技術的小區車輛無線管控系統中，RFID技術作用距離短，需要停車刷卡驗證，而基于Zigbee等無線技術的小區車輛無線管控系統，作用距離相對較遠，但無線電波的無向性不便于判斷車輛的進出狀態。針對該矛盾，給出了基于定向天線技術的小區車輛無線管控系統，通過定向天線的指向性，合理設置出入口無線檢測器的安裝位置，可以使得出檢測器和入檢測器獨立、互不干擾地分別檢測車輛的出和入，實現車輛身份的驗證、停車費用管理等功能。

定向天線； 無線檢測器；電子車牌；監控主機

0 引言

車輛的智能管理是現代小區管理與安全的重要組成部分。小區的進出口要求能夠實時記錄車輛的進出狀態、自動識別本小區的車輛、記錄車輛在小區的停車時間，實現自動扣費等功能。

實現智能無線車輛管控系統的關鍵技術之一是車輛身份的自動識別與身份驗證，即如何實現車輛的“電子車牌”。在目前的技術背景下，多種技術可用于無線車輛的身份識別。RFID技術是一種利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息的技術，但RFID本身抗干擾性能較差、有效距離短。因此，要通過RFID卡記錄或驗證車輛身份，車輛在通過小區進出口時，車主必須停車刷卡，給車輛進出帶來諸多不便。Zigbee技術在車輛身份識別中亦有應用，與RFID相比，在低成本的前提下可提高識別的距離，車輛在距離進出口一定距離時，能夠自動識別車輛，車輛無需停車驗卡。但當系統需要根據車輛的進出狀態計時扣費時，由于無線電波的無向性，在無線覆蓋范圍內的車輛，很難判斷該車輛是入門車輛或出門車輛。

針對此，本系統采用定向天線技術，通過合理安裝出檢測器和入檢測器的位置，利用兩個獨立的無線檢測模塊分別檢測出門車輛和入門車輛，入檢測器檢測進入小區的車輛，記錄車輛的進入時間；出檢測器檢測出門車輛，記錄車輛離開時間，生成停車費用，自動扣費。

1 系統結構與功能

無線車輛管控系統主要包括五部分，分別是：車輛攜帶的電子車載卡、安裝在小區大門值班室的無線檢測器、通過內部局域網連接的監控主機、管理主機和數據庫，系統結構如圖1所示。

1.1 電子車載卡

電子車載卡記錄每輛車的基本信息，是每輛汽車的“電子車牌”。電子車載卡由無線收發器、控制處理器和ROM存儲器組成。ROM存儲器中保存唯一的電子ID和車輛的進出狀態等信息。無線收發器在車輛進出小區時與無線檢測器通信，接收無線檢測器的查詢，并將車輛ID發送至無線檢測器?？刂铺幚砥鞯墓δ苁强刂茻o線收發器和無線檢測器的通信流程。

圖1 系統結構

2.2 無線檢測器

無線檢測器的主要功能是搜索經過出入口的車輛，獲取經過出入口的車輛ID，通過RS232等通信接口將收到的車輛ID發送至監控主機。為了實現根據車輛在小區停車時長自動計費，監控主機需要判斷車輛是進入小區或離開小區，以執行不同的操作。為了區分車輛的進出狀態，在出入口的兩側各自安裝無線檢測器，分別檢測進入車輛和離開車輛。通過定向天線的方向性，合理設置兩個檢測器的安裝位置，可以有效避免兩個檢測器無線覆蓋區的重疊，定向天線安裝示意圖如圖2所示。圖2中的陰影區域表示定向天線的無線覆蓋區域，根據定向天線的的輻射角度、安裝高度和安裝的下傾角度可以計算得到理論上的覆蓋區域，實際操作時，保證出檢測器和入檢測器的覆蓋區不相重疊即可。

圖2 出入檢測器無線覆蓋區域示意

2.3 監控主機功能

監控主機主要功能包括：車輛身份驗證、車輛進出記錄、外設控制等。監控主機根據無線檢測器檢測到的車輛電子ID搜索車輛信息數據庫，驗證車輛身份，記錄車輛的進出狀態。若車輛出門，則計算停車時長，生成停車費用，保存至數據庫。若車輛進入，則在記錄車輛狀態的同時，記錄車輛的駛入時間，保存到數據庫。外設控制功能則是當無線檢測器檢測到車輛進出門時，控制擋車桿抬起，車輛駛過后，控制擋車桿落下。

3 系統工作流程

3.1 電子車載卡與無線檢測器工作流程

無線檢測器周期發送查詢幀，檢測是否有車輛經過出入口；電子車載卡收到查詢幀時，將保存在ROM中的ID發送至無線檢測器。雙方通信的幀格式如圖3所示。

圖3 無線檢測器和車載卡通信幀格式

圖3所示幀格式中0x7E為幀同步頭；1字節的Src字段指明了幀的發送方：出檢測器或入檢測器或車載卡；1字節的Cmd字段表示幀類型：查詢幀或ID應答幀；2字節的Info字段是所發送的信息字段，如由車載卡發送，則Info字段的內容是車載卡對應的車輛ID號；1字節的Chk字段用于幀校驗。

對于電子車載卡而言，收到正確的查詢幀時，根據Src字段判斷所收到的幀來自出檢測器或入檢測器。若是出檢測器發送的查詢幀，表明車輛出門，向出檢測器發送其ID，并將車輛狀態改為“外出”。若收到入檢測器的查詢幀，表明車輛“進入”，向入檢測器返回其ID號，并將車輛狀態改為“進入”。為了避免車輛在經過無線檢測器無線覆蓋區時，多次收到檢測器的查詢，導致ID的重復發送，電子車載卡僅對一段時間內首次收到的查詢幀響應，返回ID號。車載卡首次收到查詢幀時設置定時器，定時器超時之前再次收到查詢幀，表明該幀是車輛本次通過進出口時的重復查詢，車載卡對重復查詢幀不予響應，僅更新定時器。定時器超時表明車輛離開出入口，車載卡下次再次收到查詢幀時判斷為首次收到。電子車載卡工作流程如圖4所示。

圖4 車載卡工作流程

無線檢測器的工作流程較簡單，接收監控主機命令，周期發送查詢幀，收到電子車載卡返回的ID幀時，將ID幀通過RS232轉發到監控主機。

3.2 監控主機工作流程

監控主機控制無線檢測器周期性發送查詢幀，監控車輛的進出時間，并根據車輛的進出狀態生成本次停車費用，保存至數據庫，同時控制擋車桿的起落。

監控主機收到返回的ID幀時，根據ID號從數據庫中得到對應的車牌號，判斷車輛身份，控制擋車桿抬起，車輛通過后，控制擋車桿落下；判斷車輛的進出狀態，若車輛進入，則記錄車輛的進入時間，保存在數據庫，并在監控主機實時顯示。若車輛外出，則記錄車輛離開時間，根據數據庫中保存的該車輛上次的進入時間，計算該車輛本次停車時間，生成本次停車費用，保存至數據庫。監控主機工作流程如圖5所示。

圖5 監控主機工作流程

3.3 管理主機與數據庫

管理主機與數據庫和上節所述的監控主機通過局域網相連，數據庫中保存的是車輛基本信息，包括：車牌號、電子車牌（ID）、車輛進出記錄、停車費用、繳費記錄等。其中，車牌號和電子車牌ID一一對應。

管理主機通過管理軟件對車輛信息進行管理，主要功能包括：車輛信息的增加與刪除、車輛進出記錄查詢、停車費用和繳費管理等功能。管理主機主要通過友好的人機界面實現對車輛停車系統的管理。

4 結束語

本文所設計的基于定向天線技術的小區車輛無線管控系統克服了傳統RFID技術通信距離短、需要停車刷卡的缺點，同時又利用定向天線技術，克服了無線覆蓋無向性的問題，通過合理安裝的兩個無線檢測器可以獨立檢測車輛的進或出，對于小區車輛的進出管理具有較高的實用性。

[1] 張素智，史培中，馬紅.基于RFID的車輛出入安全管理系統設計[J].微計算機信息，2009，25（5-2）：204-206.

[2] 汪成亮，陳娟娟，周亞鑫.基于Zigbee的車輛身份識別系統的研究與實現[J].計算機工程與設計，2009，30（7）：1773-1776.

[3] 蔡曉琴.基于RFID技術的智能車輛管理系統[J].信息通信，2014，（144）：112.

[4] 施永磊，張宏澤.基于藍牙技術的車輛智能管理系統的實現[J].淮海工學院學報(自然科學版)，2005，14（1）：39-42.

[5] 許建峰.基于物聯網技術的智能車輛管理系統設計[J].產業與科技論壇，2014,13（15）：69-70.

[6] 江立輝，蔡春潮，鄧誠先.基于無線電子身份證的汽車監測系統[J].電子技術，2008，11：32-33.

Wireless Management System of Residential District Vehicles Based on Directional Antenna Technology

Deng Zhixiang
（College of Internet of Things Engineering,Hohai University,Changzhou,213022,China）

In the wireless management system of residential district vehicles based on RFID technology,the distance covered by RFID is relatively short,car owners have to stop for identity authentication.Though the radio coverage of the management system of residential district vehicles based on wireless technologies such as Zigbee,etc.is comparatively long,it is inconvenient to judge the vehicles’ states due to the isotropy of radio wave.Considering this contradiction,a wireless management system of residential district vehicles based on directional antenna technology is proposed in this paper.If the wireless entrancedetector and exit-detector are fixed properly,they will detect vehicles entering or leaving independently as a result of the directivity of directional antennas.The identity authentication of each vehicle and management of parking fee can be achieved.

directional antenna; wireless detector;electric vehicle license;monitoring host