基于RFID智能停車場(chǎng)收費(fèi)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

喻彩麗，趙詣琛，李 亮（通信作者）

（1汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 汕尾 516600）

（2塔里木大學(xué) 新疆 阿拉爾 843300）

0 引言

近年來(lái)，隨著交通道路建設(shè)的快速發(fā)展，停車場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化?，F(xiàn)有停車場(chǎng)已從手動(dòng)改為自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)管理，因此新的收費(fèi)管理方式必將成為趨勢(shì)[1]。目前，以非接觸式IC卡、遠(yuǎn)程射頻電子標(biāo)志和車牌圖像識(shí)別技術(shù)等，非接觸式充電介質(zhì)為特征的新型停車場(chǎng)管理系統(tǒng)正在走向成熟，但超高頻RFID仍存在一系列問(wèn)題。國(guó)外光纖識(shí)別技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較早，RFID技術(shù)的應(yīng)用在許多國(guó)家和地區(qū)已比較成熟并得到廣泛應(yīng)用。在車輛自動(dòng)識(shí)別充電和管理方面，已基本進(jìn)入自動(dòng)充電和管理階段。目前，許多企業(yè)和設(shè)備制造商正在研究能夠在停車場(chǎng)實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)停車的系統(tǒng)，但系統(tǒng)總體維護(hù)成本高。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于RFID信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理、上位機(jī)軟件代碼的編寫、系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行以及IC卡的設(shè)計(jì)。其中，上位機(jī)軟件代碼和IC卡的編寫與調(diào)試是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件模塊選擇使用STC89C52為MCU主控部分，由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，其下位機(jī)的主要組成模塊見圖1。

1.1 MCU主控模塊

此設(shè)計(jì)中P0口被用作數(shù)據(jù)總線口，通過(guò)RXD和TXD串口下載用戶程序，同時(shí)大多數(shù)情況下使用異步UART進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，它既兼容了51單片機(jī)的性能，同時(shí)也具有51單片機(jī)所不能實(shí)現(xiàn)的功能。其主要工作原理為：讀寫器芯片中嵌入寄存器來(lái)控制讀寫器的讀寫，通過(guò)單片機(jī)命令根據(jù)所需協(xié)議的格式執(zhí)行指令，其中單片機(jī)的各個(gè)引腳的定義根據(jù)功能而改變。電路中的晶體振蕩器主要用于產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，然后在頻率放大器的作用下為電路中的線路提供不同頻率。在該設(shè)計(jì)中，STC89C52單片機(jī)接口的連接采用串行UART的連接方式。

1.2 射頻模塊

RC522射頻模塊工作是在13.56 MHz頻率范圍內(nèi)，屬于一種高度集成的非接觸式讀寫卡，射頻模塊的工作原理是通過(guò)模擬接口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)與電腦之間進(jìn)行通信時(shí)的協(xié)議通過(guò)非接觸式UART來(lái)實(shí)現(xiàn)，與電腦之間實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸，采用FIFO來(lái)進(jìn)行緩沖，是智能儀器和便攜式手持設(shè)備研究和開發(fā)的一個(gè)不錯(cuò)選擇。

此設(shè)計(jì)中RC522射頻模塊可以和多種單片機(jī)連接通信，但在與SPI總線連接進(jìn)行通信時(shí)，需要選擇固定的接口進(jìn)行連接，其接口連接的選擇見圖2。

1.3 IC卡的讀寫

RC522讀取IC卡數(shù)據(jù)信息主要通過(guò)天線進(jìn)行獲取，IC卡的天線發(fā)送無(wú)線載波信號(hào)，同時(shí)讀卡器也通過(guò)天線發(fā)送載波信號(hào)來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電流，如若產(chǎn)生共振，則說(shuō)明IC卡在讀卡器的識(shí)別范圍內(nèi)，讀卡器的接收天線通過(guò)耦合的方式來(lái)接收數(shù)據(jù)信息，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)操作，首先進(jìn)行波形變換，然后對(duì)濾波進(jìn)行整流，通過(guò)控制電壓控制讀卡器的工作，同時(shí)需要對(duì)穩(wěn)壓進(jìn)行處理，完成后將輸出信號(hào)發(fā)送到射頻卡的各級(jí)電路中，傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)讀卡器完成數(shù)據(jù)處理后非接觸式IC卡將通天線返回載波信號(hào)，非接觸式IC卡通過(guò)內(nèi)部的調(diào)制和解調(diào)電路來(lái)處理所接收的同頻載波信號(hào)從而完成讀卡器對(duì)非接觸式IC卡的識(shí)別。

1.4 傳感器

本設(shè)計(jì)采用紅外避障傳感器，其由兩個(gè)紅外信號(hào)發(fā)射和接收二極管組成，主要用于檢測(cè)停車位停車狀態(tài)。紅外避障傳感器測(cè)距范圍較近大約在1m范圍以內(nèi)，在夜晚和惡劣條件下的工作能力優(yōu)于可見光、隱蔽性好、不易被干擾可實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量。

紅外避障傳感器以紅外測(cè)距傳感器為主，其工作原理為：紅外線信號(hào)進(jìn)行發(fā)射尋找物體，當(dāng)物體接近時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的紅外線被物體反射回來(lái)接收管上，被接收管接收。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口傳輸?shù)诫娔X，上位機(jī)獲取停車位的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)設(shè)置4個(gè)停車位來(lái)模擬停車場(chǎng)停車位的管理，主要設(shè)計(jì)思想按照“就近原則”來(lái)提供用戶停車，傳感器通過(guò)串口連接上位機(jī)將顯示停車位確定位置，并減去停車位顯示剩余車位，在下位機(jī)根據(jù)“就近原則”顯示剩余停車位行駛方向節(jié)約停車時(shí)間提高停車場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效率。其電路圖見圖3。

1.5 電源模塊

電源供電中可以選擇普通的電源進(jìn)行供電即可，此系統(tǒng)采用兩個(gè)USB電源接口進(jìn)行供電，一路電源對(duì)12864液晶進(jìn)行供電，使其液晶顯示屏進(jìn)行正常工作，另一路對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制閘門的升降，以此來(lái)控制車輛的進(jìn)出。

1.6 蜂鳴器

此停車場(chǎng)收費(fèi)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)用戶刷卡停車時(shí)，蜂鳴器自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提示用戶查看信息進(jìn)行下一步操作，如果程序執(zhí)行正確，則系統(tǒng)執(zhí)行下一步操作。反之，蜂鳴器將繼續(xù)進(jìn)行報(bào)警提示用戶，在液晶界面顯示其錯(cuò)誤信息。

系統(tǒng)運(yùn)行中單片機(jī)的所有I/O口將處于短暫的高電平狀態(tài)。如選用NPN型三極管，即使修改程序使I/O口工作在低電平，蜂鳴器或繼電器發(fā)出的聲音很小或者只是短暫的吸合，為了避免這種情況發(fā)生，蜂鳴器中選擇PNP型三極管支持蜂鳴器的工作。

1.7 獨(dú)立按鍵模塊

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)共設(shè)置5個(gè)按鍵模塊，該按鍵模塊的功能分別為停車場(chǎng)界面、復(fù)位界面、充值界面、撤銷界面和注冊(cè)界面。獨(dú)立按鍵的一端接地，另一端與STC89C52單片機(jī)的I/O接口連接，按下注冊(cè)按鍵時(shí)，I/O口短路轉(zhuǎn)變成低電平，單片機(jī)對(duì)IC卡進(jìn)行注冊(cè)，單片機(jī)將根據(jù)指令進(jìn)行不同的操作，通過(guò)上位機(jī)來(lái)對(duì)IC卡的信息進(jìn)行修改和統(tǒng)計(jì)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程框

系統(tǒng)的正常工作需要上位機(jī)和下位機(jī)配合使用，兩者缺一不可，其中所有程序需要進(jìn)行初始化的操作，上位機(jī)中共設(shè)置有兩個(gè)按鍵進(jìn)行控制上位機(jī)的正常工作，連接鍵用于端口號(hào)連接，通過(guò)菜單鍵控制上位機(jī)的工作，當(dāng)有IC卡讀入時(shí)，上位機(jī)對(duì)IC中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，蜂鳴器進(jìn)行信息提示，上位機(jī)將自動(dòng)結(jié)束工作，其上位機(jī)的工作流程框見圖4。

2.1.1 液晶流程框

所有程序進(jìn)行初始化操作，12864液晶顯示屏人性化地提示停車用戶“歡迎您使用停車場(chǎng)管理系統(tǒng)”，液晶顯示屏通過(guò)識(shí)別IC卡來(lái)進(jìn)行顯示變化，根據(jù)上位機(jī)和傳感器顯示IC卡信息。

2.1.2 射頻流程框

供電模塊首次供電系統(tǒng)將進(jìn)行初始化操作，RC522射頻模塊通過(guò)天線發(fā)射出無(wú)線載波信號(hào)識(shí)別IC卡中是否也發(fā)射出同一頻率的載波信號(hào)，存在IC卡，則相互直接進(jìn)行感應(yīng)，根據(jù)RC522射頻模塊中嵌入的防碰撞機(jī)制進(jìn)行對(duì)IC卡識(shí)別并將數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)的處理傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過(guò)液晶顯示屏顯示出所識(shí)別到的數(shù)據(jù)信息。

2.2 上機(jī)位

上位機(jī)的制作通過(guò)VB語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫，停車場(chǎng)系統(tǒng)的上位機(jī)中設(shè)置有兩個(gè)按鍵，在使用停車場(chǎng)收費(fèi)管理系統(tǒng)時(shí)，先對(duì)停車場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行供電，刷卡停車入庫(kù)，再次刷卡用戶出庫(kù)。上位機(jī)中首先進(jìn)行端口號(hào)的選擇，通過(guò)電腦配置中的設(shè)備管理器選擇端口，查看應(yīng)選擇的端口號(hào)，再選擇串口、端口、進(jìn)行端口的連接，使上位機(jī)保持正常的通信，當(dāng)用戶停車第一次刷卡時(shí)，上位機(jī)將顯示基本信息，此時(shí)，上位機(jī)中停車場(chǎng)系統(tǒng)中的停車時(shí)間、總時(shí)間、消費(fèi)金額、付款金額和剩余金額將不會(huì)顯示，電腦將自動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

該設(shè)計(jì)采用電源→液晶→IC卡→射頻識(shí)別/傳感器→單片機(jī)→上位機(jī)→蜂鳴器報(bào)警的過(guò)程，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能停車場(chǎng)收費(fèi)管理系統(tǒng)的主要功能[2-3]，紅外傳感器用于實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的合理化管理，以此實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、規(guī)范化的建設(shè)。該設(shè)計(jì)中STC89C52單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)采用RFID-RC522射頻卡識(shí)別IC卡信息，掃描結(jié)束后串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，上位機(jī)將數(shù)據(jù)處理分析后顯示到停車場(chǎng)管理界面上，再次掃描IC卡將結(jié)算消費(fèi)金額及其他信息，并重復(fù)掃描IC卡后的操作，停車場(chǎng)管理系統(tǒng)根據(jù)電腦時(shí)間自動(dòng)記錄入庫(kù)時(shí)間和出庫(kù)時(shí)間，上位機(jī)自動(dòng)計(jì)算停車總時(shí)間以及消費(fèi)金額和其他相關(guān)停車信息，并且將前后停車數(shù)據(jù)記錄保存到數(shù)據(jù)庫(kù)ACCESS中，方便管理人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄查詢。同時(shí)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警進(jìn)行信息提示，利用電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制閘門的升降，通過(guò)紅外傳感器來(lái)采集停車場(chǎng)停車位的信息，通過(guò)上位機(jī)顯示在停車場(chǎng)管理界面來(lái)管理停車場(chǎng)[4-6]。

3 系統(tǒng)運(yùn)行及分析

此設(shè)計(jì)目的是通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)深入學(xué)習(xí)并熟練掌握RFID技術(shù)的工作原理、單片機(jī)模塊和RC522讀寫模塊的組成、12864液晶和紅外傳感器的功能，利用RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的智能化，通過(guò)RC522射頻模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的識(shí)別，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和記錄保存，該系統(tǒng)的主要功能見圖5。

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)某停車場(chǎng)不同時(shí)間段進(jìn)入車輛數(shù)量、駛出車輛數(shù)量以及休息日、工作日車主的平均停車時(shí)間，停車時(shí)間為車主從入口進(jìn)入后，通過(guò)智能引導(dǎo)屏或自助方式停車完畢的時(shí)間。通過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在智能入口和傳統(tǒng)方式的臨時(shí)入口得出，基于RFID的智能停車引導(dǎo)系統(tǒng)在特定時(shí)間段可以提高車輛進(jìn)入、駛出效率，同時(shí)節(jié)約車主的平均停車時(shí)間。

上位機(jī)中進(jìn)行端口號(hào)的選擇，通過(guò)電腦配置中的設(shè)備管理器選擇端口號(hào)，串口、端口對(duì)端口進(jìn)行連接，使上位機(jī)保持正常的通信，當(dāng)用戶停車首次刷卡時(shí)，上位機(jī)將顯示基本信息，上位機(jī)中停車場(chǎng)系統(tǒng)中的停車時(shí)間、總時(shí)間、消費(fèi)金額、付款金額和剩余金額將不會(huì)顯示，電腦將自動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)，其停車場(chǎng)系統(tǒng)首次刷卡界面見圖6。

用戶出庫(kù)刷卡時(shí)，上位機(jī)中將根據(jù)電腦記錄的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算停車總時(shí)間，同時(shí)顯示出其停車具體時(shí)間、消費(fèi)金額、付款金額和剩余金額，剩余停車位將自動(dòng)增加，停車位置將為空，其用戶出庫(kù)時(shí)上位機(jī)界面見圖7。

上位機(jī)菜單存在4個(gè)按鍵，分別為開始鍵、停止鍵、停車管理鍵和信息管理鍵，信息管理按鍵用于記錄保存停車用戶的注冊(cè)信息，該信息管理界面中設(shè)置有5個(gè)按鍵可對(duì)用戶信息進(jìn)行操作，其信息管理界面見圖8。

停車場(chǎng)數(shù)據(jù)將在上位機(jī)中記錄提供查詢，查詢時(shí)提供5個(gè)字段進(jìn)行快速查詢，分別為姓名、電話、狀態(tài)、刷卡時(shí)間和卡號(hào)5個(gè)字段，卡號(hào)不存在疊置現(xiàn)象，因此選擇卡號(hào)查詢，停車場(chǎng)信息見圖9。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合RFID技術(shù)設(shè)計(jì)出新型的智能化停車場(chǎng)管理系統(tǒng)，用來(lái)取代傳統(tǒng)人工收費(fèi)管理模式，根據(jù)用戶系統(tǒng)的需求及未來(lái)業(yè)務(wù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)停車場(chǎng)收費(fèi)管理系統(tǒng)的了解，進(jìn)行硬軟件選型，對(duì)已有的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出智能化、人性化、安全性高、運(yùn)行速度快、設(shè)備簡(jiǎn)單、較易于安裝調(diào)試和維護(hù)。本系統(tǒng)主要以STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)RC522無(wú)線射頻模塊對(duì)非接觸式IC卡進(jìn)行識(shí)別讀取信息，采用紅外避障傳感器對(duì)停車位進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)現(xiàn)實(shí)運(yùn)用智能化管理模式實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理，有效提高了停車場(chǎng)的管理效率，并給停車用戶提供更便捷、智能化、人性化的服務(wù)，也對(duì)當(dāng)下防疫無(wú)接觸管理起到了重要作用。