基于射频识别技术的停车场无线定位系统设计

图3 车场车位定位引导系统读写器和标签分布示意图 

    当车进人停车场或者车停放在某个车位后，计算机发出一个中断信号唤醒车场中的某一个读写器，再由读写器发出一个无线唤醒信号，唤醒标签。标签接收到信号后，从睡眠模式中唤醒，然后， 比较自身ID号与接收信号中的ID号是否一致，ID号不相符的标签再次进入休眠模式，而ID相符的标签则进入工作模式，接收信号并定位解算出其位置数据，最后上传其位置数据给计算机。 

    由于多径效应和非视距传输所带来的传输延时使定位精度不高。系统采用基于信号强度和到达时间差的复合定位算法对车辆进行位置计算，获得车辆的位置数据。定位算法在接口控制及定位解算模块中完成。基于信号强度的定位算法是用一个位置已知的参考标签与待定位的标签接收同一个读写器的定位信号。参考标签所测得的位置与该点已知值进行比较后，获得读写器定位数据的校正值，然后及时将此校正值发送给待定位的标签，修正标签所测得的实时位置信息S，并将此信息上传给读写器。在此过程中始终保持只有一个读写器工作，其余的读写器处于休眠中。当一个读写器完成位置信息采集后，再由其它读写器完成同样的过程，这种定位方式下至少需要进行3次位置信息的采集。假设信号强度公式与读写器和标签之间的距离有关，则简单信号传播模型可用式(1)表示。
   
    式中，P (r)是标签接收到的功率，其与读写器的距离为r； r0为相对于读写器的参考距离；P (r0)为该参考点的信号功
率。参数a为路径损耗随着距离r的增加而增加的速率。该模型计算出的某个位置信号强度往往被估计得过高，实用性不大，比较实用的信号强度模型在文献中有比较详细的介绍。
 
    采用到达时间差(TD0A)算法是通过测量不同读写器接收到同一标签的定位信号的时间差，并由此计算出标签到不同读写器间的距离差。标签到任何两个读写器的距离差D为定值，标签必定位于以两个读写器为焦点的双曲线上， 当同时有N个读头参与测距时(N≥ 3)， 由多个双曲线之间的交汇区域就是对标签位置的估计。TDOA 只是测量各读写器接收到同一标签定位信号的到达时间差，参加定位的各个读写器在时间上不要求严格同步。假定测量第i个读写器和第j个读写器的到达时间分别为TA i和TA j，那么信号到达第i个和第j个读写器的时间差就是TAji =TAi -TAj。它们的距离差Rji=C*TAji则标签坐标与读写器坐标存在如下关系：

    解上述方程组，利用基于信号强度定位算法解算出的坐标值及一些先验知识(如停车场半径等)从其两个解中分辨出标签具体的位置。

3 定位系统的软件实现 

    系统的定位解算软件构架分为基于信号强度的定位算法和到达时间差定位算法二个模块，二者过程相似，只是测算对象不同在到达时间差定位算法过程中，不需要唤醒参考标签，只有待定位标签向读写器发送信号，保持只有一个标签发信号；基于信号强度的定位算法过程中，首先在标签上完成信号强度的测量，然后再上传给计算机系统，将信号强度信息转化为几何距离，解算出待定位标签的位置数据，在信号强度的测算过程中保持只有一个读写器工作。基于信号强度的程序框图如图4所示。

图4 基于信号强度的定位解算算法模块框图

4 实验结果及结论 

    基于这样一个实验环境：一个近似矩形的露天停车场，在其4角各布置一个读定器，在车场中央位置布置一个参考标签，对本定位系统做了实际应用实验。实验结果表明，无线触发唤醒电源方式的工作时间要比周期查询方式、待机方式下的工作时间长好几倍，大大减少了系统在等待状态下的功耗，提高了电池的使用寿命。基于信号强度和到达时间差的复合定位算法下的定位精度可达到1m左右，读写器与参考标签的数量和布置位置影响定位精度，外界环境因素对定位精度的影响大大降低。定位精度可以满足停车场的车辆定位要求。

    基金项目：湖南省教育厅项目(05C093)、(05C088)；深圳市科技局项目“汽车停车场管理及高速公路收费系统研发”资助。 
    作者简介：赵吉清(1976-)，男，工程师，研究生，主要从事无线通信和计算机控制方向的研究。
    易灵芝(1966 -)，女，硕士，教授，主要从事无线通信、交流调速与电力电子装置等方向的研究。