基于WiFi的RFID可扩展AMR车位检测系统

0 引言
    停车场车位实时检测是实现停车场智能管理和提高停车位利用率的关键，也是停车管理现代化的要求。停车场车位检测系统的发展，大体经历地感线圈检测、闸机控制和车位实时检测三个阶段。车位检测与检测技术水平有密切的联系，传感器的快速发展是检测水准的保证。前两种车位检测系统的基本架构过于庞大，安装过于繁琐；在可靠性、实时性、准确性、可扩展、低能耗和工程量小等方面都不能满足停车场快速发展的需求。
    WiFi是一种短距离无线技术，它通过无线电波来连网，广泛用于室内无线局域网组建。WiFi突出优势在于：一是无线电波的覆盖范围广，半径可达100 m左右；二是WiFi的传输速度非常快，可以达到54 Mb／s；三是进入门槛低，只要支持WiFi的终端设备都可以按照一定的权限加入到WiFi网络中。在车位检测系统中，使用WiFi技术进行检测系统的节点参数采集与传送、控制信号的传输与控制，避免在停车场布设繁琐的数据线，对降低成本和能耗都有一定的意义，使检测系统的扩展性更灵活。
    射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。2．4 GHz频段的RFID对系统中对应的设备要求可以降低，对频率偏差的敏感度降低。在车位检测系统中引入RFID技术，利于标准性设备的开发，利用车检器ID号的惟一性可以实现快速定位车位，利于停车场车位引导。
    本文结合停车场对车位检测系统的要求，设计了一种基于WiFi的RFID可扩展AMR车位检测系统，大大减少了车位检测系统的成本和复杂度，降低了系统的能耗，提高了系统检测精度和可行性，实现系统的可扩展性。

1 系统设计
1．1 车位检测系统设计
    车位检测系统组成如图1所示，系统由服务器、无线路由器、车位显示屏、RFID读写器和AMR(Anisotropic Magneto Resistive)传感器节点组成。服务器负责对上传的数据进行处理，将处理结果发送到显示屏，担负着向读写器发送指令的任务。无线路由器是整个车位检测系统的重要部分，它负责将整个系统的各个部分组建成一个局域网。车位显示屏用于车位现状实时显示。RFID读写器接收AMR传感器节点上传的数据，通过WiFi传给服务器，也接收服务器的指令转发到AMR传感器节点。AMR传感器节点负责检测车位上的磁场情况，根据磁场的变化情况判断是否存在车辆，把检测到的情况通过数据来反映，把数据打包通过无线方式传给RFID读写器，节点和RFID读写器通信是双向的。

    在系统设计时，系统网络结构为星形拓扑结构，系统RFID读写器为网络控制器，AMR传感器节点均为从节点，网络拓扑结构如图2所示。  RFID读写器具有收发功能，负责系统的上下行数据或者指令的管理与控制；AMR传感器节点负责磁场参数数据采集和数据预处理。

1．2 系统电路设计
    车位检测系统电路设计有：
    (1)AMR传感器节点电路，包括节点电源部分、车位磁场采集部分、数据预处理部分及射频收发部分等；
    (2)RFID读写器电路，包括射频收发部分、WiFi部分、数据处理部分和控制部分。
    AMR传感器节点基本电路如图3所示。电源部分由TI公司的APL5312-33起到LDU功能，电源输入电压为4．2 V，输出为3．3 V。

    磁场强度检测使用MMC2122MG AMR传感器，该传感器具有体积小、寿命长、灵敏度高、能耗低和稳定性等特点，可广泛用于电子指南针、GPS导航、位置感知、车辆检测和磁力测定。MMC2122MG是有两轴的磁阻传感器，它在芯片上能完成信号处理，还集成了I2C总线，不需要进行A／D转换，可以直接接到微处理器上。
    采用具有低功耗、高性能的MSP430F2618对采集到的数据进行预处理，通过它自带的SPI口与2．4 GHz射频芯片CC2500进行通信，将预处理后的数据包上传给RFID读写器，也接收RFID读写器发来的指令。
    AMR传感器节点实物如图4所示。

    RFID读写器射频收发部分电路如图5所示，CC2500通过SPI与读写器控制部分进行通信，CC2591通过提供一个功率发送器增加链路预算，以改善输出功率；CC2591具有低噪声系数的低噪声放大器(LNA)以改善接收机灵敏度，还具有功率放大器(PA)、开关射频匹配器和巴伦电路，能满足高性能无线应用的简单设计。

    WiFi模块采用上海沁科信息技术有限公司开发的EMB-380-I1，该模块内部集成了TCP／IP协议栈和WiFi通信模式驱动，串口的最大波特率为115 200 b／s。数据处理和控制部分采用ST公司的STM32F100C4，这款芯片支持SPI口和串口，通过SPI口与CC2500通信，通过串口与WiFi模块通信。

2 系统软件设计
2．1 通信协议与数据帧设计
    通过本系统的应用分析，为了实现系统的可扩展性，引入WiFi和RFID。在系统通信协议中省略了安全机制，AMR传感器节点设置为RFID标签形式，对停车场内的AMR传感器节点统一编惟一的ID号，也对RFID读写器进行编号。AMR传感器节点通过与RFID读写器进行通信并入WiFi网络。系统的协议栈如图6所示。

    系统数据传输的数据帧由帧头和帧类型组成，帧头结构如图7所示。

    包长度(8 b)表示从一个字节开始到帧结束的字节数；协议ID(8 b)用于区分协议的功能；帧类型(8 b)，不同的帧类型有不同的帧格式。
帧类型主要有三种类型，AMR传感器节点数据包(32 b)／RFID读写器数据包(32 b)采用广播方式，设备命令包(32 b)采用点对点方式。
2．2 系统软件设计
    检测系统程序设计使用模块化程序设计方法，由传感器节点和RFID阅读器组成。系统软件流程如图8所示。

3 系统测试结果与讨论
    系统在某中型停车场中进行了测试，测试记录如表1所示。测试结果表明，系统正确检测出车辆在95％左右。由于传感器是根据车辆对地磁场扰动的原理来检测车辆的存在，而车辆的不同构造和材质对地磁场的扰动情况不一样，因此会引起AMR传感器的误检和漏检。基于这样的情况需要在车辆离开车位后对传感器的阈值进行重新标定。

    无线传感器网络技术和RFID技术作为近年新兴的检测和识别技术，在物流管理和智能感知中得到快速的发展。本文所设计的基于WiFi的RFID可扩展AMR车位检测系统，具有运行可靠、实时性强、布线少、能耗低和可扩展性强等特点，对提高停车场智能管理的智能化、无人化方面具有一定的意义。