硕士学位论文-RFID智能停车场管理系统的研究与设计.pdf

密级：保密期限： 姥言却童大肇 硕士研究生学位论文 学 号： q 2 墨q 姓名： 王王丝 专业领域： 盐篡扭型堂皇垫丕 导师： 拯趄丕 学院： 让篡扭堂院 2 0 1 0 年1 月1 0 日 l i i ii i 1l llfi if iii jii ii 独创性( 或创新性) 声明y 17 5 7 6 2 8 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：至圭丝日期：丝丝生圣目! ! 鸟 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型哇墨臼! f 旦 日期：丝! 垒墨叠! ! 垦 1 j p 、1 北京邮电大学硕士论文 r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 摘要 随着经济的迅猛发展和人民生活水平的提高，我国私人汽车保 有量日益攀升，这一现象给城市交通基础设施建设提出了新的挑战。 传统停车场管理方式存在着识别效率低、易出错、数据传输率低、 识别距离近、必须停车减速等问题。 因此，本文针对上述问题提出了基于r f i d 高频有源电子标签的 远距离车辆识别停车场管理系统，研究了智能停车场管理系统的特 点，对软件系统进行了需求分析与设计实现。系统由车辆基本信息 管理，系统运营维护管理、车辆出入车场管理3 个功能模块组成。 高频标签带来了更远的识别距离和更快的识别速度，实现了高 速、不停车的车辆识别，但是识别范围的扩大也给系统带来了多标 签碰撞问题。针对多车辆信息碰撞的问题，本文对r f i d 系统的防碰 撞算法进行了深入研究，在现有的二进制防碰撞算法基础上提出了 一种改进方法。该算法解决了典型算法在安全性上存在的隐患，在 识读效率上优越于典型算法，在高吞吐率、高负载的情景下性能尤 为突出。 随着停车场的日益大型化，停车场内的路径选择也影响着系统 的效率。因此，本文设计一种停车场最短路径停车引导模型，为停 车提供最短行驶路线。结合图论形成停车位的赋权有向图，然后利 用斛算法搜索最短停车路径，通过数据库和信息显示设备引导停车， 大大加快了停车速度，提高了停车场的停车位利用率。 最后，在总结全文工作的基础上对进一步研究提出了建议和展 望。 关键词：r f i d 车辆出入管理最短停车路径搜索防碰撞算法 智能停车场管理系统的研究与设计 - y 北京邮电大学硕士论文 r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no f t e l l i g e 】n c e m a n a g e 匝n ts y s t e mf o rp a r k i n gl o t b a s e do ni 己f i dt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ， t h e r ea r em o r ea n dm o r ev e h i c l e si nt h ep u b l i c t h i sp h e n o m e n o np r e s e n t e dan e w c h a l l e n g ef o rt h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o n t a k et h ep a r k i n gp r o b l e ma sa l le x a m p l e ， t h ec i t y s p a r l d n gs p a c e s i sf a rf r o me n o u g hn o w a d a y s 。刀i et r a d i t i o n a lp a r k i n g m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yc a l ln o ts a t i s f yt h en e e d s a tp r e s e n t , t h ep a r k i n gl o ti s t u r n i n gt o w a r dl a r g e rs c a l e ，h i g h e re f f e c t i v ea n dm o r ei n t e l l i g e n t t h ei n t e l l i g e n c e m a n a g e m e n ts y s t e mf o rp a r k i n gl o tb a s e do nr f i dt e c h n o l o g yc a nb ec a l l e dt h e m o s te c o n o m i c a l ，p r a c t i c a l ，c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n tm a n a g e m e n ts y s t e mf o rp a r k i n g l o t t l l i sp a p e rc o n c e n t r a t e se f f o r t so nr e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n ga ni n t e l l i g e n t m a n a g es y s t e mf o rt h es m a r tp a r k i n gl o t ，w h i c hi sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fr f i d ， w h i c hc a nb r i n gt h ea u t o m a t i cm a n a g e m e n ta n de n s u r ee v e r yv e h i c l e ss a f e t y i t p r e s e n t saf r a m e w o r ko ft h i ss y s t e ma n dh a sr e s e a r c h e do nt h er e l a t e dt e c h n i q u e s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h eb a c k g r o u n do fi n t e l l i g e n c em a n a g e m e n t s y s t e m ，i nt h i sp a p e rt h eb a s i cp r i n c i p l e s ，s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m m u n i c a t i o n c o d i n g , a n dt h er e l e v a n tt h e o r e t i c a lk n o w l e d g e o ft h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yw e r ei n t r o d u c e d e s p e c i a l l y , t h i sp a p e rh a sd o n ea ni n d e p t hr e s e a r c ho n t h ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h ei s s u eo fa n t i c o l l i s i o na n da u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 s e c o n d l y , t h et o t a ls c h e m eo ft h i ss y s t e mw a sg i v e n t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n dp r i n c i p l e so ft h es y s t e m ，o v e r a l lf r a m e w o r ka n dw o r k f l o wo ft h es y s t e m ， h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e mw e r ei n c l u d e d u 北京邮电大学硕士论文 r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 t h i r d l y , t h i ss y s t e mb a s e d0 1 1 r f i dt e c h n o l o g ya p p l i e st e c h n o l o g i e so f c o m p u t e rn e t w o r k , c o m p u t e rc o n t r o l a n dd a t a b a s e t h es y s t e mi n c l u d e dt h e a p p l i c a t i o nt od e c i d es y s t e m sm a j o rf u n c t i o n , w h i c hp r o c e s st h em a n a g e m e n to f b a s i ci n f o r m a t i o no fv e h i c l e s ，t h em a n a g e m e n to fa p p l i c a t i o nd i s p a t c ho fv e h i c l e s a n dt h em a i n t e n a n c ea n dp a s s i n gi na n do u to f v e h i c l e s t h ek i to fd e v e l o p m e n ti s 咣 d a t a b a s es e l e c t s s q ls e r v e r2 0 0 8a n do p e r a t i n gs y s t e ms e l e c t s w i n d o w s s e r v e r 2 k 眦d o w sx p 。 f o u r t h l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds o m et i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea l g o r i t h m s ( t d m a ) w h i c hh a sb e i n gg e n e r a l l ya c c e p t e d ，s u c ha sa l o h ap r o t o c o l ，a n db i n a r yt r e e p r o t o c o l ，a n a l y z e dm 出c h a r a c t e r i s t i c s a n ds h o r t c o m i n g s a r e rt h a tan e w a u t o - a d a p t e dd y n a m i cg r o u p i n ga n t i - - c o l l i s i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e dw h i c hu s i n g h a s hf u n c t i o nt od e t e r m i n et h eg r o u p i n g , i th a sc o n f i d e n t i a l i t y , a n ds y s t e m t h r o u g h p u ta d v a n t a g e s t h ea r t i c l ea l s oc a r r i e do u tt h ea l g o r i t h mo fm a t h e m a t i c a l a n a l y s i s ，t h et h r o u g h p u to ft h es y s t e mm a t l a b ss i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dc o n c l u s i o na r eg i v e n f i n a l l y ，c o n c l u d et h em a i nw o r ko f t h i sp a p e r ，a n dt h e nm a k eap r o s p e c ta n d p l a nf o rt h ef u r t h e rs t u d i e s k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) v e h i c l e sa c c e s s c o n t r o ls h o r t e s tp a r k i n gp a t hs e a r c ha n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m i i i 北京邮电 第一章 第二章 第三章 第四章 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 4 3 典型的确定性算法3 8 4 3 1 二进制树形搜索算法3 8 4 3 2 二进制碰撞算法3 8 4 4 自适应动态分组算法3 9 4 4 1 算法分组规则3 9 4 4 2 算法描述4 0 、 4 4 3 算法性能分析与比较4 3 第五章智能停车场管理系统的实现4 7 5 1 数据库设计4 7 5 1 1 数据库特性4 7 5 1 2 数据库访问引擎4 7 5 1 3 系统数据库设计4 8 5 2 系统的功能实现5 2 5 2 1r f i d 通信部分的实现5 2 5 2 2 地感线圈和自动道闸的实现5 8 5 2 3 停车场引导的实现5 8 5 2 4 软件系统的实现6 2 第六章总结与展望6 8 6 1 总结6 8 6 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢7 1 攻读学位期间发表的学术论文目录7 2 i l 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 1 1 论文选题背景 1 1 1 论文选题背景 第一章绪论 随着我国经济建设事业的发展，国民汽车拥有量的急剧增加，我国交通运 输业保持繁荣态势，国内运输生产快速增长。可以预见未来几年内交通运输将 继续保持较快增长，尤其是公路运输。到目前为止，中国私有汽车保有量早已 突破千万，中国已经进入私家车时代，运输网络四通八达，方便的出行和商品 货物的流通为国民经济的发展奠定了良好的基础。 但同时，这一现象给我国城市交通基础设施建设提出了新的挑战，带来了 一系列相关的问题，例如：汽车迅猛的发展造成了道路的拥挤和车祸给人民的 生命及财产带来了的巨大损失；车辆盗窃、抢劫等犯罪行为需要大量人力物力 进行监管等等。由此可见为解决高速发展所带来的诸多问题，对车辆实施行高 效、智能化的监管和控制已势在必行。 以汽车停放问题为例，当前全国城市停车位缺口平均在6 0 以上。停车场 的传统人为管理方式已经远远无法满足高速发展的城市需求。目前，停车场管 理正向着高效化，智能化发展，这已成为建立高舒适度、高效率、低能耗的人 性化城市的基本要求。停车场管理经历了人工管理、简单仪器识别、智能识别 3 个阶段的发展却依然无法实现不停车、不减速，低能耗、高效的车辆识别管 理。因此，引入r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 射频识别技术势在必行。 1 1 2 智能停车场管理系统现状的研究 随着我国汽车拥有量的急剧增加，对车辆停放管理水平的要求也将越来越 高。传统停车场管理的车辆识别的主要方式有两种： 一种是人工判别型停车场管理，即通过人来观察车辆的标识。如车辆的大 小、类型和车牌来确定和记录车辆的信息。 第二种是仪器判别型停车场管理，即通过测量车辆的重量或外型大致判断 出车辆的类型。 这两种判别方式工作效率低下，己经不再适合大量的车辆的判别和人们快 节奏的工作和生活方式。 智能停车场管理系统可准确无误地自动识别并采集车辆的特征信息和管理 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 信息，使出入停车场的车辆信息瞬时进入计算机，可为停车场管理提供一个实 时、动态的车辆信息监控的平台。目前，智能停车场车辆自动识别的技术主要 有以下几种： 1 、应用光学和红外的停车场管理系统 应用光学和红外的停车场管理系统利用装在车辆外面的一个类似于条形码 的代码标签作为车辆识别的标志。这种标签由一系列宽度或颜色变化的线条组 成，当车辆经过识别装置时，数量和颜色变化的光被反射到接收单元上，这些 反射光的形式被自动分析后，表明车辆身份的代码信息被抽取出来。这种方法 具有可靠性差，受环境干扰大，数据传输率低等缺点。 2 、应用图像处理的停车场管理系统 使用图像处理的停车场管理系统一般由视频摄像机、图像采集设备及计算 机处理系统组成。由视频摄像机摄取图像，经采样转换后，再输给计算机系统 进行图像的预处理及识别，一般是识别车牌号码、车型类别及车辆颜色等。这 种方法的缺点同样是可靠性差，受环境干扰大，数据传输率不高。 3 、应用电感祸合的停车场管理系统 这种停车场管理系统利用电感祸合来实现数据传送。收发模块采用传统的 线圈作为天线，用于传送信号给车辆或从车辆传送信号给识别装置。车辆信息 收发使用简单的线圈或铁氧体线圈为天线，依据通讯波长决定天线大小。这一 系统可靠性好，环境适应性强，但数据传输速率较低。 4 、应用磁卡的智能停车场管理系统 在人们的生活和工作中磁卡或i c 卡成了不可缺少的东西，在银行，智能小 区等场合使用普遍。磁卡和i c 卡识别技术在智能停车场管理系统中的应用使得 车辆的识别实现了半自动化。但这种卡的缺点是信息存储量小，无法核对车、 卡是否一致，卡片容易受到物理损伤。不能完全改善车辆进出高峰时，由于半 自动化作业造成的堵塞现象。 1 1 3r f i d 技术在停车场管理系统中的应用 r f i d 的概念 r f i d 是本系统的主要基础技术之一。其起源于二战时期的美军飞机雷 达探测技术，其基本思想是利用射频通讯方式，依据磁场或电磁场空间传播 理论，在读写器和射频标签( 电子标签) 间进行的非接触收发数据通信，以达 到唯一标识物体的作用。它能够实现多目标识别与数据采集、运动目标识别 与数据采集和物品跟踪定位的功能。近年来这项技术凭借其精度高、抗干扰 能力强、操作快捷、使用寿命长、读取距离大等特点，在工业自动化，物流， 2 北京邮电大学硕士论文 r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 交通，供应链管理等各个领域都获得了广阔的应用前景，被公认为本世纪十 大重要技术之一。 r f i d 技术的研究现状 从全球的范围来看，r f i d 技术广受重视，发展非常迅速。其主要推动 者沃尔玛公司在2 0 0 3 年就开始了他的r f i d 征程，要求公司前1 0 0 的供应商 在2 0 0 5 年1 月之前给所有的运送商品的箱子和货物托盘加上r f i d 标签。此 外，t l 公司、i n t e l 公司等美国集成电路厂商目前也都在r f i d 领域投入巨 资进行芯片开发。在欧洲，p h i l i p s 公司、s t 微电子公司一直在积极开发廉 价r f i d 芯片；诺基亚公司在研究能够基于r f i d 的移动电话购物系统；s a p 公司则在积极开发支持r f i d 的企业应用管理软件。在其他诸如交通、身份 识别、生产线自动化控制、物资跟踪系统等方面，欧洲同样不弱于r f i d 的 积极推动者美国。同时，在韩国、日本等地，r f i d 技术也迎来了研究开发 的热潮1 】【2 】。 我国作为目前世界上最为蓬勃的经济体系之一，为r f i d 技术的发展提 供了肥沃的土壤。英国调查公司i d t e c h e x 在他的一份关于中国r f i d 市场统 计报告中指出，0 7 年中国成为世界上最大的r f i d 市场，这一年中国r f i d 产值在全球的4 9 6 亿美元中占去了将近1 9 亿美元，也就是说全球3 8 的 r f i d 市场在中国。其中包括了世界上最大一项r f i d 项目工程中国第二 代居民身份证换代。2 0 0 8 年3 月，全球首条投入商业运营的集装箱电子标签 航线在上海港正式开航；7 月，上海坤锐科技有限公司自主研发的u h f 电子 标签芯片q r 2 2 3 3 成功通过e p c g l o b a lc 1g e n 2 兼容性及互操作性双重认证 并获得授权认证，成为世界第四、亚洲第一通过该认证的芯片产品；8 月， 深圳远望谷p t c 实验室获得e p cg l o b a l 认证，这表明中国具有了提供国 际水准的产品性能测试能力，为中国的r f i d 产品提供了强有力的性能测试 平台。虽然，近年来的可喜数据并不代表中国已真正地成为r f i d 技术的龙 头老大，抛去2 0 0 7 年中国身份证市场的份额不算，我国的r f i d 应用仍然落 后于美国和日本等国家【3 】。但是不可否认中国在r f i d 领域的地位正在不断 上升。 虽然r f i d 技术已经在许多领域取得了良好的应用前景，但是仍然存在 许多问题制约着r f i d 技术的高速发展。比如信息安全问题，目前对于只读 标签中的数据信息无法进行很好的保密，对于可读可写标签，还存在电子标 签上的信息被恶意更改等诸多隐患。只有少数价格昂贵的r f i d 芯片能够处 理加密解密这类较复杂的工作，而且，目前的标准没有对r f i d 发射信号提 供加密，所以很容易被黑客窃听。所以如何在不增加太多成本的同时提高电 3 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 子标签的安全性还有待于进一步研究。同时r f i d 系统地具体应用中常常要 求能够同时识别多张射频标签，即系统应该能够提供防数据碰撞机制。此外， 提高r f i d 系统的电磁兼容性以适应于各种环境的应用、标准化问题、用户 隐私问题等等都是制约r f i d 技术广泛应用的关键技术。 基本的r f i d 系统主要由两部分组成，即电子标签( t a g r e s p o n d e r ) 和 读卡器( r e a d e r i n t e r r o g a t o r ) 。读卡器在其识别范围内以广播方式发送请求命 令，标签在收到命令后将自身的识别信息发送给读卡器。然而，阅读范围内 可能存在多个标签，收到读卡器的广播命令后，多个标签同时将自身信息送 入读卡器的读通道就会导致信道争用，各标签的信息相互干扰，从而产生数 据碰撞。可靠的防止标签信息互相冲突，使多路存取无故障地进行的技术方 法被称为防碰撞算法。 防碰撞算法是r f i d 系统的关键技术之一，在射频识别系统中存在着3 种通信形式，一种是单读卡器到多标签的通信，即在一个读卡器的阅读范围 内存在多个标签。读写器发出的信息流被多个电子标签接收，属于广播机制。 第二种在读卡器作用范围内的多个标签共享信道向读卡器发送信息，属于多 路存取的机制。第三种是多读卡器与多标签之间同时进行信息交互所产生的 通信机制。由于第三种通信形式在r f i d 应用场景中相对较少出现，r f i d 防 碰撞算法的研究重点侧重在第二种通信形式。解决这种机制中碰撞问题的防 碰撞算法目前主要有两大类：概率性防碰撞算法和确定性防碰撞算法。 概率性防碰撞算法中各标签分时使用信道，读卡器采用随机应答的方式 处理信息，标签被随机无序的识别。概率性防碰撞算法主要指a l o h a 算法 及其变种。目前，已经被r f i d 标准采用，并随着标准的普及被广泛应用于 各r f i d 系统中的算法主要有基本a l o h a 算法，时隙a l o h a 算法，帧时 隙a l o h a 算法，动态帧帧时隙a l o h a 算法。其他没有在标准中使用的概 率性防碰撞算法：沈宇超，沈树群等提出的随机推迟算法、张明提出的标签 随机分群及群间随机避让算法【6 j ，浙江大学吴春华的动态a l o h a 算法【_ 7 】等。 这些算法都属于纯a l o h a 算法，存在“部分碰撞的问题导致系统效率非 常低，理论最大值约为1 8 4 ；北航吴晶提出的利用动态时间槽分配的多目 标防冲突识别算法【s 】，刘佳提出的基于时隙的r f i d 防碰撞算法【9 】和华中科技 大学的程文青提出的改进的动态帧时隙a l o h a 算法【l o 】解决了“部分碰撞“ 的问题大大提高了系统效率；对a l o h a 算法及其变种算法不断的研究和改 进，使得概率性防碰撞算法取得了较高的系统效率和广泛的应用。 确定性防碰撞算法中读卡器将作用范围内的标签按照算法规则不断划分 为更小的子集，直至完成各个标签的分时识别。这种算法一般具有同标签信 4 - ， 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 息相关的识别顺序，要求读写范围内的标签在短时间内数量不变。标签连绵 不断涌入读卡器问询区可能会打乱标签的分组。e p c g l o b a l 组织提出的基于 位的二进制算法，i s o 组织制定的二进制搜索算法等都是很具有代表性的确 定性防碰撞算法。目前，已经被r f i d 标准采用，并随着标准的普及被广泛 应用于各r f i d 系统中的确定性防碰撞算法主要有二进制搜索基本算法，返 回式二进制搜索算法：在二进制搜索算法的基础上，在识别出一个标签后使 用后退策略，识别时间与所需识别标签数量呈线性关系，适用于大批量物品 识别、追踪、管理的场景，但不适用于长i d 场景。 r f i d 技术的技术标准 r f i d 目前还未形成统一的全球化标准，市场多种标准并存。r f i d 标准大 致包含四类：技术标准( 如符号，射频识别技术、i c 卡标准等) ；数据内容标准( 如 编码格式、语法标准等) ；一致性标准( 如印刷质量、测试规范等标准) ；应用标 准( 如船运标签、产品包装标准等) 。 目前，世界上主要有三大国际标准组织制定r f i d 标准，它们分别是 e p c g l o b a l 、i s o 、u i d 。 r f i d 标签与读写器之间发送的频率称为r f i d 系统的工作频率。r f i d 工 作频率一般划分为三个范围：低频( 3 0 k h z 一3 0 0 k h z ) 、高频( 3 m h z - 3 0 m h z ) 和 超高频( 3 0 0 m h z - - 一3 0 h z ) 。常用的工作频率有低频1 3 4 2 k h z 、高频1 3 5 6 m h z 、 超高频8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 等。r f i d 标准的工作频率大多侧重在高频 与超高频范围的应用，但也因标准的侧重的应用方向不同而选用频率不同。 其中e p cg 1 0 b a l 标准由于综合了美国和欧洲厂商，是目前全球实力最强的 r f i d 标准组织，也较为广泛地被采纳使用。i s o 标准则是国际权威性标准制定 者。u i d 则是日本政府大力推广的射频技术标准。这些标准都在不断成熟与演 变之中。其中e p c 标准和i s o 标准应用最为广泛。 e p cg l o b a l 是由u c c ( 统一编码委员会) 和e a n ( 国际物品编码协会) 联发起的非营利性机构。它除了发布工业标准外，还负责e p c 号码的注册管理。 e p c ( 电子产品编码，e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 赋予每一件物品一个包含了该 物品从生产、运输、存储到使用的全过程的各种信息和属性的独一无二的代码。 2 0 0 4 年6 月e p cg l o b a l 正式公布了全球第一个r f i d 标准，其中e p c 标签所 设定的6 个同等级( c l a s s ) 分别为： c l a s s0 ( r e a do n l y ，只读) ：简单被动式标签。标签在出厂时即写入一组 不可更改的号码，提供简单的辨识服务。 c l a s sl ( w o r m ，写一次读多次) ：简单被动式、可供一次写入的只读标 签。 c l a s s2 ( r e a d w r i t e ，读写) ：具有可重复读写功能的被动式标签。 5 北京邮电大学硕士论文 r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 c l a s s3 ：内设感应器的半被动标签，有重复读写功能，可感应侦查温度、 湿度动向变化并记录，读写距离大，成本高，用于较贵重物品。 c l a s s4 ：是一种主动标签，可主动与其他标签沟通。 c l a s s5 ：具有l 、2 、3 等级标签的功能，可激活其他标签，与读写器等同， 时可与4 等级或同等级的标签进行通信。 和e p c g l o b a l 相比，i s o i e c 有着天然的公信力，因为i s o 是公认的全球 非盈利工业标准组织。与e p c g l o b a l 只专注于8 6 0 9 6 0m h z 频段不同，i s o i e c 在各个频段的r f i d 都颁布了标准。例如，起草建立了r f i d 标签在支付系统 的标准i s o1 4 4 4 3 - - c o n t a c t l e s sp a y m e n t s 以及非接触智能卡和接触式卡领域的 空中接口标准i s o1 5 6 9 3 - - s m a r tl a b e l s 等。i s o 制定的标准中关于r f i d 自动 识别和物品管理的标准i s o1 8 0 0 0 系列被广泛采纳。 i s 0 18 0 0 0 标准共有七个组成部分，它们分别是： 18 0 0 0 一l ：g e n e r i c p a r a m e t e r s f o ra i ri n t e r f a c e sf o r g l o b a l l ya c c e p t e d f i ；e q u e n c i e s 空中接口一般参数和参考体系 l8 0 0 0 2 ：p a r a m e t e r sf o ra i ri n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n sb e l o w13 5k h z 1 3 5 k h z 以下空中接口通信参数 l8 0 0 0 3 ：p a r a m e t e r sf o ra i ri n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n sa t1 3 5 6m h z l 3 5 6 m h z 1 3 5 6 m h z 空中接口通信参数，目前较多应用在i c 卡上 l8 0 0 0 4 ：a i ri n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n sa t 2 4 5g h z 2 4 5 g h z 空中接口通信参数，适合较长距离使用，主要用于交通 18 0 0 0 5 ：a i ri n t e r f a c ef o r5 8g h z 5 8 g h z 空中接口通信参数 18 0 0 0 6 ：a i ri n t e r f a c ef o r8 6 0m h zt o9 3 0m h z 8 6 0 9 3 0 m h z 空中接口通信参数，适合远距离，是目前主流频段标准 18 0 0 0 7 ：a i ri n t e r f a c ea t4 3 3m h z 4 3 3 m h z 有源r f i d 空中接口通信参数 根据观察，这些不同的标准组织有出现互相融合兼容的发展趋势。比如说 e p c 标准规定，e p c 标签的技术标准要求能够兼容i s o1 8 0 0 0 6 ，频率为 8 6 0 9 2 0 m h z 。 r f i d 技术在停车场管理系统中的应用 近几年来，已经有非接触无源射频标签在停车场的车辆识别领域得到了应 用，应用r f i d 的智能停车场管理系统利用无线射频技术实现数据无线传输。 其优点首先是高数据传输速率。其次由于天线的大小与使用载波波长有关，系 统的读写装置可以做得很小，性能可靠。通常情况下，这类停车场管理系统选 ， 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 用的主要是使用1 3 5 6 m h z 工作频段的r f i d 无源电子标签。 应用这种技术的停车场管理系统相对磁卡或者i c 卡它实现了非接触的操 作，使得对于标签的物理损伤减小了，而且大大提高了标签的信息存储量。 但是由于这种识别方式的传输距离一般只有l o e m - 5 0 c r n 左右，车辆的标签 同读卡器之间要实现通信的读写距离很短，不能摆脱的是停车、开窗、刷卡的 步骤，不能完成不停车、不减速的高效率停车场管理要求，所以在车辆行驶高 峰时期，出入口堵塞现象并没有得到完全改善。 因此，需要我们解决上述问题，提出更加高效智能的停车场管理系统。本 文提出了基于有源电子标签的r f i d 停车场管理系统，实现远距离高效率的出 入停车场管理，车辆在进出停车场时，不再需要停车、降车窗、刷卡等一系列 手续，车辆识别和收费都能自动完成，实现了高效便捷的出入方式，为用户和 管理人员都带来了极大的便利。 1 2 课题的研究意义 伴随着经济的不断发展，我国汽车保有量在不断增加。其中私人轿车的增 速保持着最快增长的势头，据国家统计局0 9 年2 月2 6 日发布的 2 0 0 8 年国民 经济和社会发展统计公报显示，我国民用汽车保有量达到6 4 6 7 万辆，比上年 末增长1 3 5 ，其中私人汽车保有量4 1 7 3 万辆，增长1 8 1 。 不断增加的城市车辆数对城市的停车场建设及管理提出了新的挑战，如果 停车管理问题不能得到妥善解决，则将会带来停车无序、交通混乱、交通事故、 环境污染等一系列社会问题和环境问题。停车管理问题主要是由停车设施有限、 停车设施利用率较低、停车管理不善等原因产生的。在土地资源有限的条件下， 传统的管理方式已经满足不了对于效率和安全性的要求。提高停车系统的科技 含量，通过技术改善效能，采用现代化手段对停车场实行高效智能化管理，以 满足快节奏车辆进出、引导、停放的需要。建立智能停车场管理系统，这己成 为高舒适度、高效率、低能耗的人性化城市的发展方向。 r f i d 技术利用射频信号实现无需接触的信息传递并通过所传递的信息达 到识别的目的。它可以将相关的信息编码写入电子标签，制作成为识别卡或者 其他形态。r f i d 的电子标签具有防水、防磁、耐高温、识别距离远、具有一 定的穿透性、使用寿命长，能在恶劣环境下工作；能够轻易嵌入或附着在不同 形状、类型的产品上，可以高速写入及存取数据，能够同时处理多个标签，标 签的数据存取有密码保护，安全性更高等诸多的优势。能够妥善解决现有停车 场管理系统所存在的种种问题，实现不停车不减速的高效车辆管理。因此，本 文着重介绍了基于r f i d 技术的智能停车场管理系统的关键技术研究与系统设 7 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 计。 1 3 论文组织结构 第一章绪论 介绍基于r f i d 智能停车场管理系统这一课题的研究背景和意义，分析和 比较停车场管理系统的应用与研究的现状，阐述本课题的主要研究工作和所采 用关键技术。 第二章相关技术基本原理研究 本章描述了r f i d 技术的系统组成和工作原理，对于r f i d 技术的常用编 码方式进行了简单的介绍，简述了r f i d 的技术标准。 第三章智能停车场管理系统架构设计 本章对智能停车场管理系统的特点和需求进行了概述，并提出了智能停车 场管理系统的设计原则及工作流程，针对智能停车场管理系统的特点，对系统 架构进行了研究与设计。 第四章一种基于自适应动态分组的确定性算法 本文采用了有源标签进行通信以实现远距离车辆识别，但是因此带来了多 标签碰撞问题。针对这一问题，本章分析了r f i d 系统的各类防碰撞算法，并 提出了一种新的防碰撞算法。 第五章智能停车场管理系统的实现 本章简述了智能停车场管理系统的实现，主要体现为r f i d 系统设计，结 合自适应动态分组算法进行读写器和标签的设计实现；停车场引导的实现，采 用基于a 算法的停车场最短停车路径搜索确定车辆引导信息；系统的软件系统 的数据库设计、模块设计实现等； 第六章总结与展望 总结现有的研究工作和系统的特点及不足，对下一步的研究方向和应用前 景进行展望。 一 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 第二章相关技术基本原理研究 2 1r f i d 的基本组成及原理 2 1 1r f i d 的基本组成及原理 下图2 1 为r f i d 的组成原理图，系统由电子标签、读卡器、计算机数据 管理系统组成。标签是r f i d 的核心部分，由射频信号模块和控制模块等构成。 其主要作用是存储相关的识别信息，并与读卡器之间实现通信。读卡器与标签 通过射频信号进行数据交换，主要由射频模块、控制模块、串行通信模块等组 成。计算机数据管理系统主要负责对读卡器获取的信息进行处理，包括了信息 处理模块、数据库模块、显示模块等部分。 图2 - 1r f i d 系统组成图 电子标签 电子标签是r f i d 系统的数据载体。电子标签根据读写器发出的指令，做 出相应的操作和响应。在实际应用中，将物品信息写入电子标签中，在标签附 着在待识别物体的表面。读卡器以无线射频的形式读取和更新存储在电子标签 芯片中的数据，进行信息解读并进行相关的管理。 标签天线是读写器和标签芯片之间信号和能量传递的中介，是标签与读卡 9 二一：艟藏彭i 北京邮电大学硕士论文r f i d 智能停车场管理系统的研究与设计 器之间传输数据的发射、接收装置。 标签按载波频率可以分为低频标签、中频标签和高频标签。低频标签主要 有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种，中频标签频率主要为1 3 5 6 m h z ，高频标签主要 为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 等。低频标签主要用于短距离、低成本的场景， 广泛的被应用在校园卡、动物监管、货物跟踪等，以往的基于r f i d 的智能停 车场管理系统就是使用这种电子标签。中频标签常常用于门禁控制和需传送大 量数据的应用系统。高频标签应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合， 具有很高的效率，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收 费等系统中应用较多。 标签按供电方式标签可以分为无源标签和有源标签。无源标签不带电池， 其所需能量均由读卡器所产生的电磁波提供工作距离、存储容量等都受到能量 来源的限制。有源标签是指标签内置电池供电，通信距离更远，但因其寿命有 限、体积较大、价格相对较高，且不适合在恶劣环境下工作。主要应用于贵重 物品远距离检测类型的应用领域。 根据标签的读写功能来划分可将r f i d 标签分为三种：只读标签、一次写 入多次读标签和可读写标签。只读型标签的结构功能出厂时己经被写入；一次 写多次读的标签是用户可以一次性写入数据的标签，写入后数据不变可以多次 读取；可重写型标签内的信息可被读写器读取、更改或重写，这种标签生产成 本较高，价格较贵。 读卡器 因频率范围、通信协议、数据传输方法的不同，各种读卡器相互间也有很 大的区别，读卡器的主要功能为向电子标签提供射频能量、建立通信、防止碰 撞、消息鉴权、从电子标签中读出数据或写入数据、完成数据信息处理并实现 应用操作并和高层处理应用交互。读卡器可以单独具有读写、显示和数据处理 等功能，也可与计算机或其它系统进行互联，完成对射频标签的相关操作。读 卡器同电子标签类似，读卡器也可以按照工作频率，划分为低频、中频、高频 三种，按照外观模式可以分为固定式和手持式两种，是负责读取或写入标签信 息的设备，可以将其作为部件的形式嵌入到其他系统中，也可以设计为单独的 整体。 读卡器由两个基本的功能块组成：控制模