基于定向天线技术的小区车辆无线管控系统

（河海大学物联网工程学院,江苏常州,213022）

基于定向天线技术的小区车辆无线管控系统

邓志祥

（河海大学物联网工程学院,江苏常州,213022）

基于RFID技术的小区车辆无线管控系统中，RFID技术作用距离短，需要停车刷卡验证，而基于Zigbee等无线技术的小区车辆无线管控系统，作用距离相对较远，但无线电波的无向性不便于判断车辆的进出状态。针对该矛盾，给出了基于定向天线技术的小区车辆无线管控系统，通过定向天线的指向性，合理设置出入口无线检测器的安装位置，可以使得出检测器和入检测器独立、互不干扰地分别检测车辆的出和入，实现车辆身份的验证、停车费用管理等功能。

定向天线； 无线检测器；电子车牌；监控主机

0 引言

车辆的智能管理是现代小区管理与安全的重要组成部分。小区的进出口要求能够实时记录车辆的进出状态、自动识别本小区的车辆、记录车辆在小区的停车时间，实现自动扣费等功能。

实现智能无线车辆管控系统的关键技术之一是车辆身份的自动识别与身份验证，即如何实现车辆的“电子车牌”。在目前的技术背景下，多种技术可用于无线车辆的身份识别。RFID技术是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术，但RFID本身抗干扰性能较差、有效距离短。因此，要通过RFID卡记录或验证车辆身份，车辆在通过小区进出口时，车主必须停车刷卡，给车辆进出带来诸多不便。Zigbee技术在车辆身份识别中亦有应用，与RFID相比，在低成本的前提下可提高识别的距离，车辆在距离进出口一定距离时，能够自动识别车辆，车辆无需停车验卡。但当系统需要根据车辆的进出状态计时扣费时，由于无线电波的无向性，在无线覆盖范围内的车辆，很难判断该车辆是入门车辆或出门车辆。

针对此，本系统采用定向天线技术，通过合理安装出检测器和入检测器的位置，利用两个独立的无线检测模块分别检测出门车辆和入门车辆，入检测器检测进入小区的车辆，记录车辆的进入时间；出检测器检测出门车辆，记录车辆离开时间，生成停车费用，自动扣费。

1 系统结构与功能

无线车辆管控系统主要包括五部分，分别是：车辆携带的电子车载卡、安装在小区大门值班室的无线检测器、通过内部局域网连接的监控主机、管理主机和数据库，系统结构如图1所示。

1.1 电子车载卡

电子车载卡记录每辆车的基本信息，是每辆汽车的“电子车牌”。电子车载卡由无线收发器、控制处理器和ROM存储器组成。ROM存储器中保存唯一的电子ID和车辆的进出状态等信息。无线收发器在车辆进出小区时与无线检测器通信，接收无线检测器的查询，并将车辆ID发送至无线检测器。控制处理器的功能是控制无线收发器和无线检测器的通信流程。

图1 系统结构

2.2 无线检测器

无线检测器的主要功能是搜索经过出入口的车辆，获取经过出入口的车辆ID，通过RS232等通信接口将收到的车辆ID发送至监控主机。为了实现根据车辆在小区停车时长自动计费，监控主机需要判断车辆是进入小区或离开小区，以执行不同的操作。为了区分车辆的进出状态，在出入口的两侧各自安装无线检测器，分别检测进入车辆和离开车辆。通过定向天线的方向性，合理设置两个检测器的安装位置，可以有效避免两个检测器无线覆盖区的重叠，定向天线安装示意图如图2所示。图2中的阴影区域表示定向天线的无线覆盖区域，根据定向天线的的辐射角度、安装高度和安装的下倾角度可以计算得到理论上的覆盖区域，实际操作时，保证出检测器和入检测器的覆盖区不相重叠即可。

图2 出入检测器无线覆盖区域示意

2.3 监控主机功能

监控主机主要功能包括：车辆身份验证、车辆进出记录、外设控制等。监控主机根据无线检测器检测到的车辆电子ID搜索车辆信息数据库，验证车辆身份，记录车辆的进出状态。若车辆出门，则计算停车时长，生成停车费用，保存至数据库。若车辆进入，则在记录车辆状态的同时，记录车辆的驶入时间，保存到数据库。外设控制功能则是当无线检测器检测到车辆进出门时，控制挡车杆抬起，车辆驶过后，控制挡车杆落下。

3 系统工作流程

3.1 电子车载卡与无线检测器工作流程

无线检测器周期发送查询帧，检测是否有车辆经过出入口；电子车载卡收到查询帧时，将保存在ROM中的ID发送至无线检测器。双方通信的帧格式如图3所示。

图3 无线检测器和车载卡通信帧格式

图3所示帧格式中0x7E为帧同步头；1字节的Src字段指明了帧的发送方：出检测器或入检测器或车载卡；1字节的Cmd字段表示帧类型：查询帧或ID应答帧；2字节的Info字段是所发送的信息字段，如由车载卡发送，则Info字段的内容是车载卡对应的车辆ID号；1字节的Chk字段用于帧校验。

对于电子车载卡而言，收到正确的查询帧时，根据Src字段判断所收到的帧来自出检测器或入检测器。若是出检测器发送的查询帧，表明车辆出门，向出检测器发送其ID，并将车辆状态改为“外出”。若收到入检测器的查询帧，表明车辆“进入”，向入检测器返回其ID号，并将车辆状态改为“进入”。为了避免车辆在经过无线检测器无线覆盖区时，多次收到检测器的查询，导致ID的重复发送，电子车载卡仅对一段时间内首次收到的查询帧响应，返回ID号。车载卡首次收到查询帧时设置定时器，定时器超时之前再次收到查询帧，表明该帧是车辆本次通过进出口时的重复查询，车载卡对重复查询帧不予响应，仅更新定时器。定时器超时表明车辆离开出入口，车载卡下次再次收到查询帧时判断为首次收到。电子车载卡工作流程如图4所示。

图4 车载卡工作流程

无线检测器的工作流程较简单，接收监控主机命令，周期发送查询帧，收到电子车载卡返回的ID帧时，将ID帧通过RS232转发到监控主机。

3.2 监控主机工作流程

监控主机控制无线检测器周期性发送查询帧，监控车辆的进出时间，并根据车辆的进出状态生成本次停车费用，保存至数据库，同时控制挡车杆的起落。

监控主机收到返回的ID帧时，根据ID号从数据库中得到对应的车牌号，判断车辆身份，控制挡车杆抬起，车辆通过后，控制挡车杆落下；判断车辆的进出状态，若车辆进入，则记录车辆的进入时间，保存在数据库，并在监控主机实时显示。若车辆外出，则记录车辆离开时间，根据数据库中保存的该车辆上次的进入时间，计算该车辆本次停车时间，生成本次停车费用，保存至数据库。监控主机工作流程如图5所示。

图5 监控主机工作流程

3.3 管理主机与数据库

管理主机与数据库和上节所述的监控主机通过局域网相连，数据库中保存的是车辆基本信息，包括：车牌号、电子车牌（ID）、车辆进出记录、停车费用、缴费记录等。其中，车牌号和电子车牌ID一一对应。

管理主机通过管理软件对车辆信息进行管理，主要功能包括：车辆信息的增加与删除、车辆进出记录查询、停车费用和缴费管理等功能。管理主机主要通过友好的人机界面实现对车辆停车系统的管理。

4 结束语

本文所设计的基于定向天线技术的小区车辆无线管控系统克服了传统RFID技术通信距离短、需要停车刷卡的缺点，同时又利用定向天线技术，克服了无线覆盖无向性的问题，通过合理安装的两个无线检测器可以独立检测车辆的进或出，对于小区车辆的进出管理具有较高的实用性。

[1] 张素智，史培中，马红.基于RFID的车辆出入安全管理系统设计[J].微计算机信息，2009，25（5-2）：204-206.

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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