基于RFID的室內(nèi)車輛跟蹤及定位仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳月梅，蔡堅(jiān)勇，陳由甲，黃永亮，林 鴻

(福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院，福建 福州 350007)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，城市汽車的保有量大幅上漲，傳統(tǒng)的停車場(chǎng)管理已經(jīng)無(wú)法滿足人們實(shí)際的需求，停車場(chǎng)智能化已成為一種必然趨勢(shì)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)一般的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)重點(diǎn)還停留在計(jì)費(fèi)管理方面[3-5]，普遍存在管理效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、車位利用率低等缺點(diǎn)，停車難取車難是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。針對(duì)這種現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者提出了停車場(chǎng)泊車引導(dǎo)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]對(duì)停車場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，采用攝像頭和計(jì)算機(jī)中心服務(wù)器結(jié)合圖像處理技術(shù)對(duì)停車場(chǎng)內(nèi)部狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;文獻(xiàn)[7]采用超聲波探測(cè)器將車位檢測(cè)和引導(dǎo)系統(tǒng)相結(jié)合，運(yùn)用遺傳算法實(shí)現(xiàn)對(duì)車位的引導(dǎo);文獻(xiàn)[8]利用在每個(gè)車位上安裝超聲波探測(cè)器，探測(cè)車位的狀態(tài)，并結(jié)合虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)車位的監(jiān)控和管理。上述的方案雖能實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的引導(dǎo)，但是攝像頭易受環(huán)境(如氣候)和照明等因素的影響，車輛的識(shí)別需要進(jìn)行大量的圖像處理、特征提取等工作;超聲波探測(cè)器受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響較大，同時(shí)需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本較高，且在每個(gè)車位上安裝探測(cè)器，增加了維護(hù)成本。

RFID(射頻技術(shù))利用射頻方式實(shí)現(xiàn)非接觸式的雙向通信，具有非視距傳播、識(shí)別速度快、抗干擾能力強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，將RFID應(yīng)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[11-13]。本文提出一種基于RFID的停車場(chǎng)內(nèi)部車輛監(jiān)控與定位方法，通過(guò)在停車場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)區(qū)域布置一定數(shù)量的RFID讀寫器，運(yùn)用RFID讀寫器來(lái)定位移動(dòng)的車載標(biāo)簽。在此基礎(chǔ)上結(jié)合Visual C#和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)一個(gè)基于RFID的車輛監(jiān)控及定位仿真系統(tǒng)。

1 仿真系統(tǒng)基本原理和總體設(shè)計(jì)

1.1 仿真系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，主要包括RFID讀寫器、RFID標(biāo)簽和后臺(tái)監(jiān)控中心3部分。標(biāo)簽附著在被定位的移動(dòng)目標(biāo)對(duì)象上，用于標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象;由RFID讀寫器組成的分布式感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，用于讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息并確定移動(dòng)目標(biāo)的位置;后臺(tái)監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制著讀寫器的工作狀態(tài)，并集中處理采集到定位的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

停車場(chǎng)布局示意圖如圖2所示，在停車場(chǎng)的車道墻面上布置一定數(shù)量的RFID讀寫器，對(duì)停車場(chǎng)進(jìn)行細(xì)化。相鄰RFID讀寫器之間的范圍被定義為一個(gè)停車區(qū)域。圖2中停車場(chǎng)被劃分為6個(gè)停車區(qū)域(A～F)。編號(hào)1和7的讀寫器位于停車場(chǎng)出入口，用于檢測(cè)車輛的進(jìn)出情況。

圖2 停車場(chǎng)布局示意圖

停車場(chǎng)內(nèi)分布的每個(gè)RFID讀寫器都有自身的編號(hào)。車載標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作范圍，讀寫器將讀取車載標(biāo)簽的ID，并按照?qǐng)D3的格式將信息打包后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控中心。

圖3 信息打包格式

RFID編號(hào):標(biāo)識(shí)RFID讀寫器，編號(hào)可根據(jù)后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

標(biāo)簽ID:32位，擁有唯一的編號(hào)，用于標(biāo)識(shí)車輛。

時(shí)間戳:表明車輛經(jīng)過(guò)該RFID讀寫器的時(shí)間。

當(dāng)車輛在停車場(chǎng)內(nèi)正常行駛的時(shí)候，每隔一段時(shí)間，必然會(huì)經(jīng)過(guò)不同的RFID讀寫器感應(yīng)范圍。因此，如果車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后臺(tái)監(jiān)控中心每隔一段時(shí)間就會(huì)收到來(lái)自不同RFID讀寫器感應(yīng)到此車輛的信息。通過(guò)設(shè)定一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度，如果超過(guò)這個(gè)時(shí)長(zhǎng)還沒(méi)有收到新的消息，系統(tǒng)將判斷車輛已經(jīng)停止行駛。

此時(shí)，后臺(tái)監(jiān)控中心將收到的同一輛車輛的消息，按照時(shí)間先后進(jìn)行排序，得到車輛所經(jīng)過(guò)的各個(gè)RFID 讀寫器的編號(hào) x1，…，xi，xj，根據(jù)停車場(chǎng)內(nèi)讀寫器所在的位置跟蹤車輛大致的行駛軌跡;通過(guò)車輛區(qū)域判定算法判斷車輛停車的區(qū)域。其算法定義如下:

設(shè)停車場(chǎng)內(nèi)部的區(qū)域集合 Z={Z1，Z2，…，Zn-1，Zn}，由邊界 RFID讀寫器組成的區(qū)域 Zk=

輸入:排序后的 RFID 讀寫器編號(hào) x1，…，xi，xj。

輸出:車輛所?？康膮^(qū)域。

停車場(chǎng)內(nèi)停車區(qū)域的劃分由RFID讀寫器的個(gè)數(shù)與布點(diǎn)的位置決定。在特殊的情況下，車輛只經(jīng)過(guò)設(shè)置在停車場(chǎng)入口的讀寫器，此時(shí)，系統(tǒng)判斷車輛停車區(qū)域?qū)⒉恢挂粋€(gè)，可通過(guò)增設(shè)RFID讀寫器來(lái)縮小特殊區(qū)域的范圍。

1.2 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.2.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)和功能組成

基于1.1節(jié)的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)RFID的車輛監(jiān)控與定位仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上模擬停車場(chǎng)內(nèi)部狀況(以下稱前臺(tái)仿真系統(tǒng)和后臺(tái)監(jiān)控中心)。首先前臺(tái)仿真系統(tǒng)與后臺(tái)監(jiān)控中心建立通信連接，由前臺(tái)仿真系統(tǒng)初始化停車場(chǎng)平面圖，并在停車場(chǎng)內(nèi)部署RFID讀寫器，控制車載標(biāo)簽移動(dòng);后臺(tái)監(jiān)控中心通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)控線程，監(jiān)控移動(dòng)目標(biāo)車輛位置，并對(duì)移動(dòng)目標(biāo)車輛進(jìn)行區(qū)域定位。

仿真系統(tǒng)總體框架圖如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)總體框架圖

主要實(shí)現(xiàn)的功能有RFID和車輛對(duì)象的設(shè)置、車輛移動(dòng)路線的繪制、車輛位置判斷、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史軌跡顯示。

(1)RFID和車輛對(duì)象的設(shè)置:RFID對(duì)象即RFID讀寫器，其主要參數(shù)包括感應(yīng)距離、角度和感應(yīng)范圍;車輛對(duì)象的參數(shù)有標(biāo)簽的ID號(hào)、車輛類型、車牌號(hào)、車主姓名等。停車場(chǎng)內(nèi)部讀寫器和標(biāo)簽的編號(hào)具有唯一性，可在系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

(2)車輛移動(dòng)路線的繪制:根據(jù)讀寫器感知的車輛位置信息，將車輛的行駛軌跡以圖形界面的形式顯示。

(3)車輛位置判斷:判斷車輛停止行駛時(shí)所在的區(qū)域。

(4)協(xié)議解析:數(shù)據(jù)傳輸采用TCP協(xié)議，監(jiān)控中心接收從前臺(tái)傳來(lái)的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)解析。

(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ):將車輛的基本信息、標(biāo)簽的ID號(hào)、行駛的路線和最終停靠的區(qū)域存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

(6)歷史軌跡顯示:從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取歷史車輛記錄，并將車輛的信息、行駛的路線顯示在界面上。

1.2.2 仿真系統(tǒng)總體流程圖

仿真系統(tǒng)總體流程如圖5所示。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以Visual Studio 2008為設(shè)計(jì)平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2005，編程語(yǔ)言選用Visual C#。程序在Windows 7操作系統(tǒng)上采用Socket實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通訊。考慮到接收消息的實(shí)時(shí)性，采用同步TCP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[14]。

2.1 RFID和車輛對(duì)象的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行設(shè)計(jì)[15]，將實(shí)際應(yīng)用中的RFID和車輛視為對(duì)象，抽取出其特征和操作作為類的屬性和方法。標(biāo)簽要和車輛建立一對(duì)一的關(guān)聯(lián)，且標(biāo)簽在車輛上的位置是固定的，不可更改，程序設(shè)計(jì)時(shí)將車輛和標(biāo)簽視為同一個(gè)對(duì)象。由于讀寫器和車輛均有共同屬性(如大小、位置)和共同的方法(如添加、刪除、移動(dòng))，這里抽象出父類DrawObject，對(duì)象作為子類派生自父類。對(duì)象的繪制和顯示都是基于GDI+[14]進(jìn)行創(chuàng)建，主要涉及的系統(tǒng)類包括 Graphics、Bitmap 和 GraphicsPath。Graphics類能夠完成大部分的繪圖、幾何圖形的填充及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等操作;Bitmap類可以顯示和處理多種圖像文件，用于停車場(chǎng)和車輛圖片的導(dǎo)入;系統(tǒng)中RFID對(duì)象由多條相互連接曲線和直線繪制而成，用到GraphicsPath類提供的強(qiáng)大的路徑繪制功能。對(duì)象總體類圖如圖6所示，控制類ControlHandle用于移動(dòng)RFID在停車場(chǎng)的位置并用方向鍵控制車輛行走，SelectObj類則確定正在操作的對(duì)象，調(diào)用控制類進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖5 系統(tǒng)總體流程圖

圖6 對(duì)象總體類圖

2.2 消息發(fā)送模塊

局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信采用套接字Socket。系統(tǒng)將前臺(tái)仿真系統(tǒng)作為通信的客戶端，后臺(tái)監(jiān)控中心作為服務(wù)端，通過(guò)設(shè)置雙方的Socket端口，建立 TCP連接，成功后可實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收?？蛻舳讼蚍?wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)包括請(qǐng)求連接、停車場(chǎng)區(qū)域設(shè)置、RFID獲取的車輛信息包等;服務(wù)端處理從客戶端傳來(lái)的數(shù)據(jù)并發(fā)送控制命令。

客戶端將停車場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置的RFID讀寫器存儲(chǔ)到一個(gè)列表，并循環(huán)遍歷讀寫器列表，判斷車載標(biāo)簽是否在讀寫器的感應(yīng)范圍。當(dāng)車載標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的感應(yīng)區(qū)域時(shí)，其位置坐標(biāo)(x，y)和標(biāo)簽的ID號(hào)、經(jīng)過(guò)的RFID讀寫器編號(hào)、當(dāng)前時(shí)間將被封裝成信息包，以網(wǎng)絡(luò)流的形式發(fā)送到服務(wù)端。

車輛經(jīng)過(guò)RFID時(shí)，消息發(fā)送的關(guān)鍵代碼如下:

2.3 車輛軌跡繪制和停車位置判定模塊

在前臺(tái)創(chuàng)建車輛對(duì)象，設(shè)置車輛的標(biāo)簽ID(唯一性)、車牌號(hào)、車輛類型、車主姓名等參數(shù)，同時(shí)將車輛信息傳輸給后臺(tái)監(jiān)控中心;監(jiān)控中心存儲(chǔ)接收到的車輛信息，此后根據(jù)車輛的標(biāo)簽ID識(shí)別目標(biāo)車輛。

系統(tǒng)將停車場(chǎng)平面圖映射成二維坐標(biāo)圖，監(jiān)控中心接收由前臺(tái)發(fā)來(lái)的包含車輛位置坐標(biāo)的信息包后，將其坐標(biāo)存儲(chǔ)到數(shù)組中并繪制出車輛行駛路線。監(jiān)控中心以Timer控件作為觸發(fā)器，在車輛進(jìn)入停車場(chǎng)時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí);車輛每經(jīng)過(guò)一個(gè)RFID讀寫器，重新計(jì)時(shí)。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到前臺(tái)發(fā)來(lái)的信息包，監(jiān)控中心將根據(jù)車輛區(qū)域判定算法判斷車輛停止行駛時(shí)所在的區(qū)域。以下給出車輛軌跡繪制的關(guān)鍵代碼，車輛區(qū)域判定代碼在1.1節(jié)已提及，不再贅述。

車輛軌跡繪制關(guān)鍵代碼:

3 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖7 前臺(tái)仿真系統(tǒng)界面

圖7為前臺(tái)仿真系統(tǒng)，在停車場(chǎng)內(nèi)布置了12個(gè)RFID讀寫器，其中位于停車場(chǎng)出口和入口的讀寫器，用于記錄車輛進(jìn)場(chǎng)、出場(chǎng)時(shí)間和狀態(tài)。圖8為后臺(tái)監(jiān)控中心顯示車輛行駛的軌跡和最終?？康膮^(qū)域;車輛信息和日志信息顯示在窗體的右側(cè)欄。從圖8可以看到車輛的牌照、當(dāng)前的狀態(tài)、停車的區(qū)域、入場(chǎng)時(shí)間和標(biāo)簽的ID號(hào)等信息。

圖8 后臺(tái)監(jiān)控中心界面

4 結(jié)束語(yǔ)

仿真實(shí)驗(yàn)表明將RFID讀寫器布置在停車場(chǎng)的各個(gè)區(qū)域，利用RFID的定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車載標(biāo)簽的監(jiān)控和定位。后續(xù)的研究將結(jié)合顯示屏，統(tǒng)計(jì)并顯示停車場(chǎng)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的車位數(shù)，同時(shí)結(jié)合RFID的定位算法，計(jì)算出車輛到空余車位的最短路徑，實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)泊車引導(dǎo)。

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