论文部分内容阅读
摘要：本文设计了一种高效的停车场收费系统，系统采用了一种动态时隙ALOHA防碰撞算法有效地提高了RFID标签识别率，采用 CAN-以太网网关数据转换技术，实现了停车场系统由小范围组网向大范围组网的可扩展性，系统具有以远距离自动感应、电脑自动计费、自动检测车位、自动对进出场车辆信息采集、低功耗及便于改造和升级等特点，在智能停车场应用方面具有广阔的前景。
关键词：RFID；防碰撞算法；嵌入式；不停车收费系统；
【中图分类号】N945.1
0 引言
随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，私人汽车逐渐成为了大众化的交通工具，然而随之而来的是交通拥堵停车困难等一系列问题。目前一般的停车场系统以车主的人身安全和财产安全为重点，强调对车辆的控制以及车辆的安全问题，很少考虑整套系统的能源消耗和系统的运行速率以及顾客感受。针对这种情况本文设计了一种高效的嵌入式停车场收费系统，实现了远距离不停车收费，避免了用户开车窗刷卡的麻烦，给用户的通行带来了便利的同时大大提高了系统运行效率和负载，有效降低了能源的消耗。
本文设计的不停车收费系统有如下特点：
1 停车场管理系统是以RFID电子标签为出入媒介，远距离自动感应、电脑自动计费、自动检测车位的多功能的智能系统。实现了对车辆进出场、车辆信息采集、语音图像的自动获取，进而实现了整个停车场系统的智能控制。
2 采用CAN-以太网网关数据转换技术，实现了停车场系统由小范围组网向大范围组网的可扩展性；车辆入场时，系统会自动拍照以获取车辆的牌照、车辆的外观等数据，并以车主电子标签信息为索引，存于系统管理中心的数据库中，给车辆的出场提供数据上支持。
3 系统的硬件设计采用了分模块设计的理念，增强了系统的可扩展性，便于系统的升级和维护，延长了系统使用寿命。
1 系统总体结构设计
整个系统由出入停车场两大部分构成。当车辆进入检测器的感应范围时，车载电子标签信息将通过远距离RFID系统上传给停车场主控板，停车场控制板对信息进行处理后就会上传给停车场管理计算机，出入口的摄像系统也会及时抓拍车辆的图像并上传到服务器，这样停车场管理计算机就能获取通过车辆的完整信息，进行数据处理和数据备份，并实时完成自动收费的任务。管理中心服务器通过局域网获取车道出入口备份的数据信息。新发卡片信息是通过管理中心服务器下载到各个停车场管理计算机的，管理中心服务器还可以对所有用户信息以及出入场信息进行报表打印。
1.1 入场子系统工作流程
入场子系统由车辆检测系统、拍照系统、远距离RFID识别系统、自动发卡机、语音提示系统、电子显示屏、道闸控制系统、应急控制系统组成。
进入停车场的用户分为两种类型，一种是持有电子标签的固定用户，另外一种是临时用户。固定用户和临时用户入场方式不一样，前者是通过远距离识别，不停车入场，后者是取卡，刷非接触式IC 卡入场。若遇到故障，应急控制系统将发出警报，提醒保安进入手动操作，保安手动控制道闸的起落。
1.2 出场子系统工作流程
出口通道子系统跟入口很多是相同的，主要由车辆检测系统、拍照系统、远距离 RFID 识别系统、语音提示系统、LED 电子显示屏、道闸控制系统、应急控制系统组成。用户出场流程和用户入场流程相似，只是多出费用交纳的过程，固定用户是自动扣除停车费用，临时用户需缴纳现金。
2 RFID识别子系统设计
3.1 RFID通信模型
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合自动识别目标对象并获取相关数据。RFID 技术具有精度高、寿命长、快速多目标识别、可重复应用、安全可靠等众多优点。
基于停车场系统的实际情况，本系统采用了两种RFID通信模型来完成所需的功能。刷卡子系统所采用的是遥耦合系统模型，其工作频率是典型的 13.56MHz，利用电子标签与阅读器天线无功近场区之间的电感耦合构成无接触的空间信息传输射频通道工作；RFID识别系统所采用的远距离系统通信模型，其工作频段是典型的433MHz，利用电子标签与阅读器天线辐射远场区之间的电磁耦合构成无接触的空间信息传输射频通道工作。
3.2 RFID 系统防碰撞算法设计
系统采用一种动态时隙ALOHA防碰撞算法，在该算法中采用改进的时隙参数Q值估算法实时刷新时隙数，采用散列法对标签访问阅读器时隙进行分配，提高了整个识别过程的效率。算法采用散列表唯一标识号映射的方法，大大降低了系统识别空闲时隙，提高了系统吞吐率，系统识别率大大提高。
改进的时隙ALOHA算法核心思想是最优的分配好标签访问阅读器的时隙，使得阅读器能在最少的时隙里将所有的标签识别出来，到达高效识别标签的目的。
算法流程类似于DFSA算法，但算法中的帧时隙数是通过时隙参数Q值实时修正的，其标签发送数据的时隙是通过HASH函数获取的，故存在一定的差异，算法流程可以归纳为以下几个步骤：
1 阅读器向位于其感应范围内的所有标签发送请求命令，其命令包含帧时隙 L 和运算 key 值；
2 标签根据 HASH 函数生成 Hash （ ID ），其范围为[1，L]，然后标签在第Hash （ ID ）个时隙发送其 ID；
3 阅读器根据每个时隙的情况，运用时隙参数 Q 值实时修正帧时隙 L；当标签 ID 成功上传后，阅读器向标签发送应答信号告之通信成功，并命令其休眠；
4识别结束后如果帧时隙L=0则退出循环；
5 重复1-4的动作直到标签全部识别完毕。
3 CAN接口模块设计
3.1 CAN接口模块设计
停车场管理系统网络有三层结构：带CAN总线接口的停车场管理控制设备、以太网/CAN嵌入式网关、网络中的PC机。
以太网传输速率快，数据有严格的帧格式，而CAN总线在网络开放性、通讯可靠性、数据传输实时性、系统设计成本、系统扩展能力、纠错能力等方面具有强大的优势，是停车场管理系统通信发展的趋势。CAN/以太网转换接口作为CAN总线和以太网的互联接口，其功能是实现CAN网络直接接入以太网，为停车场管理系统的大规模应用和网络化提供实现基础。以太网/CAN总线转换接口由以太网接口模块和CAN接口模块组成。
CAN与以太网之间的主要差异一是帧长度，二是各自采用的通信机制。CAN协议采用短帧结构并采用载波侦听多路存取/消息优越仲裁CSMA/AMP）机制解决冲突，以太网帧采用 CSMA/CD机制和长帧结构，最大包可以超过1500个字节，加大了以太网/CAN总线网关转换协议的复杂度。系统中采用了C/S的通信服务模式，省去了网关与服务器通信的步骤，因此转换协议相对简单。
4 结束语
本系统的实际应用的已经验证了系统的可行性以及可靠性。系统具有以RFID电子标签为出入媒介远距离自动感应、电脑自动计费、自动检测车位、自动对进出场车辆信息采集、低功耗及便于改造和升级等特点，在智能停车场应用方面具有广阔的前景。
参考文献：
1 杨坤，冷甦鵬. RFID系统时隙不完全竞争防碰撞算法. 计算机工程 2011年 01期
2 丰硕，高飞，薛艳明，黎恒. 一种改进的RFID标签防碰撞算法. 微计算机信息 2011 01期
3 尹久春 RFID射频识别技术在远距离停车场管理系统中的应用 中国安防 2011年 04期
4 赵军，刘泽俊，贺奇 基于RFSN的智能停车场管理系统研究 工业控制计算机 2011年 11期
5黄玉兰 射频识别（RFID）核心技术详解 人民邮电出版社 2010-12-1出版 ISBN：9787115238863
关键词：RFID；防碰撞算法；嵌入式；不停车收费系统；
【中图分类号】N945.1
0 引言
随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，私人汽车逐渐成为了大众化的交通工具，然而随之而来的是交通拥堵停车困难等一系列问题。目前一般的停车场系统以车主的人身安全和财产安全为重点，强调对车辆的控制以及车辆的安全问题，很少考虑整套系统的能源消耗和系统的运行速率以及顾客感受。针对这种情况本文设计了一种高效的嵌入式停车场收费系统，实现了远距离不停车收费，避免了用户开车窗刷卡的麻烦，给用户的通行带来了便利的同时大大提高了系统运行效率和负载，有效降低了能源的消耗。
本文设计的不停车收费系统有如下特点：
1 停车场管理系统是以RFID电子标签为出入媒介，远距离自动感应、电脑自动计费、自动检测车位的多功能的智能系统。实现了对车辆进出场、车辆信息采集、语音图像的自动获取，进而实现了整个停车场系统的智能控制。
2 采用CAN-以太网网关数据转换技术，实现了停车场系统由小范围组网向大范围组网的可扩展性；车辆入场时，系统会自动拍照以获取车辆的牌照、车辆的外观等数据，并以车主电子标签信息为索引，存于系统管理中心的数据库中，给车辆的出场提供数据上支持。
3 系统的硬件设计采用了分模块设计的理念，增强了系统的可扩展性，便于系统的升级和维护，延长了系统使用寿命。
1 系统总体结构设计
整个系统由出入停车场两大部分构成。当车辆进入检测器的感应范围时，车载电子标签信息将通过远距离RFID系统上传给停车场主控板，停车场控制板对信息进行处理后就会上传给停车场管理计算机，出入口的摄像系统也会及时抓拍车辆的图像并上传到服务器，这样停车场管理计算机就能获取通过车辆的完整信息，进行数据处理和数据备份，并实时完成自动收费的任务。管理中心服务器通过局域网获取车道出入口备份的数据信息。新发卡片信息是通过管理中心服务器下载到各个停车场管理计算机的，管理中心服务器还可以对所有用户信息以及出入场信息进行报表打印。
1.1 入场子系统工作流程
入场子系统由车辆检测系统、拍照系统、远距离RFID识别系统、自动发卡机、语音提示系统、电子显示屏、道闸控制系统、应急控制系统组成。
进入停车场的用户分为两种类型，一种是持有电子标签的固定用户，另外一种是临时用户。固定用户和临时用户入场方式不一样，前者是通过远距离识别，不停车入场，后者是取卡，刷非接触式IC 卡入场。若遇到故障，应急控制系统将发出警报，提醒保安进入手动操作，保安手动控制道闸的起落。
1.2 出场子系统工作流程
出口通道子系统跟入口很多是相同的，主要由车辆检测系统、拍照系统、远距离 RFID 识别系统、语音提示系统、LED 电子显示屏、道闸控制系统、应急控制系统组成。用户出场流程和用户入场流程相似，只是多出费用交纳的过程，固定用户是自动扣除停车费用，临时用户需缴纳现金。
2 RFID识别子系统设计
3.1 RFID通信模型
RFID是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合自动识别目标对象并获取相关数据。RFID 技术具有精度高、寿命长、快速多目标识别、可重复应用、安全可靠等众多优点。
基于停车场系统的实际情况，本系统采用了两种RFID通信模型来完成所需的功能。刷卡子系统所采用的是遥耦合系统模型，其工作频率是典型的 13.56MHz，利用电子标签与阅读器天线无功近场区之间的电感耦合构成无接触的空间信息传输射频通道工作；RFID识别系统所采用的远距离系统通信模型，其工作频段是典型的433MHz，利用电子标签与阅读器天线辐射远场区之间的电磁耦合构成无接触的空间信息传输射频通道工作。
3.2 RFID 系统防碰撞算法设计
系统采用一种动态时隙ALOHA防碰撞算法，在该算法中采用改进的时隙参数Q值估算法实时刷新时隙数，采用散列法对标签访问阅读器时隙进行分配，提高了整个识别过程的效率。算法采用散列表唯一标识号映射的方法，大大降低了系统识别空闲时隙，提高了系统吞吐率，系统识别率大大提高。
改进的时隙ALOHA算法核心思想是最优的分配好标签访问阅读器的时隙，使得阅读器能在最少的时隙里将所有的标签识别出来，到达高效识别标签的目的。
算法流程类似于DFSA算法，但算法中的帧时隙数是通过时隙参数Q值实时修正的，其标签发送数据的时隙是通过HASH函数获取的，故存在一定的差异，算法流程可以归纳为以下几个步骤：
1 阅读器向位于其感应范围内的所有标签发送请求命令，其命令包含帧时隙 L 和运算 key 值；
2 标签根据 HASH 函数生成 Hash （ ID ），其范围为[1，L]，然后标签在第Hash （ ID ）个时隙发送其 ID；
3 阅读器根据每个时隙的情况，运用时隙参数 Q 值实时修正帧时隙 L；当标签 ID 成功上传后，阅读器向标签发送应答信号告之通信成功，并命令其休眠；
4识别结束后如果帧时隙L=0则退出循环；
5 重复1-4的动作直到标签全部识别完毕。
3 CAN接口模块设计
3.1 CAN接口模块设计
停车场管理系统网络有三层结构：带CAN总线接口的停车场管理控制设备、以太网/CAN嵌入式网关、网络中的PC机。
以太网传输速率快，数据有严格的帧格式，而CAN总线在网络开放性、通讯可靠性、数据传输实时性、系统设计成本、系统扩展能力、纠错能力等方面具有强大的优势，是停车场管理系统通信发展的趋势。CAN/以太网转换接口作为CAN总线和以太网的互联接口，其功能是实现CAN网络直接接入以太网，为停车场管理系统的大规模应用和网络化提供实现基础。以太网/CAN总线转换接口由以太网接口模块和CAN接口模块组成。
CAN与以太网之间的主要差异一是帧长度，二是各自采用的通信机制。CAN协议采用短帧结构并采用载波侦听多路存取/消息优越仲裁CSMA/AMP）机制解决冲突，以太网帧采用 CSMA/CD机制和长帧结构，最大包可以超过1500个字节，加大了以太网/CAN总线网关转换协议的复杂度。系统中采用了C/S的通信服务模式，省去了网关与服务器通信的步骤，因此转换协议相对简单。
4 结束语
本系统的实际应用的已经验证了系统的可行性以及可靠性。系统具有以RFID电子标签为出入媒介远距离自动感应、电脑自动计费、自动检测车位、自动对进出场车辆信息采集、低功耗及便于改造和升级等特点，在智能停车场应用方面具有广阔的前景。
参考文献：
1 杨坤，冷甦鵬. RFID系统时隙不完全竞争防碰撞算法. 计算机工程 2011年 01期
2 丰硕，高飞，薛艳明，黎恒. 一种改进的RFID标签防碰撞算法. 微计算机信息 2011 01期
3 尹久春 RFID射频识别技术在远距离停车场管理系统中的应用 中国安防 2011年 04期
4 赵军，刘泽俊，贺奇 基于RFSN的智能停车场管理系统研究 工业控制计算机 2011年 11期
5黄玉兰 射频识别（RFID）核心技术详解 人民邮电出版社 2010-12-1出版 ISBN：9787115238863