（检测技术与自动化装置专业论文）基于手持机模式的停车管理系统的研究与实现.pdf

河海大学硬士学位论文 摘要 摘要 近年来，“停车难”已经成为困扰我国各大城市的难题，一方面机动车数量不 断攀升，另一方面现有停车场和停车位以及城市空地没有充分发挥其作用。因此， 高效的停车管理系统显得非常的必要。同时，停车管理系统直接体现了一个城市 交通现代化管理的水平，一个有效的停车管理系统对于疏导城市交通，改善市容 市貌，增加政府收入都具有极为重要的意义，因此具有广泛的应用前景。 本文首先分绍了国内外停车管理系统发展情况，通过比较各种类型的收费介 质，尤其是对目前流行的i s o i e c l 4 4 4 3 两种射频通信方式进行了比较，确定使用 t y p ea 类型的射频i c 卡作为系统的收费介质。两后以提高系统的效率和降低成本 为目的，设计了系统的具体方案，并对系统的工作流程进行优化，使系统适合各 种类型的停车场和停车位。接下来从硬件和软件两个方面出发，采用了模块化的 方法，设计完成了系统的各个功能模块，核心工作是非接触i c 卡读写的设计。 本文中的停车管理系统综合了非接触i c 卡的读写技术，无线通信技术，自动 控制技术，传感技术及机电一体化技术，以手持机为核心，包括了车位锁，上位 机管理软件及其他辅助设施，对车辆出入，收费等多项停车管理功能实现智能化 控制，从而可以有效地解决各种类型的停车场和停车位的收费难的问题。该系统 具有成本低，使用方便，服务高效，收费透明无误，同时能有效防止停车费流失， 增加了安全性，提高了整个停车场的工作效率。 论文最后给出了停车管理系统的测试方法和测试结果，测试结果表明该系统 已达到了设计目标，能满足各种实际的需求。 关键词停车管理系统非接触i c 卡无线通信 河海大学硕士学位论文 a b s 廿a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，p a r k i n gp r o b l e mi sa b i gh e a d a c h ei nm a n yl a r g ec i t i e si nc h i n a o no n eh a n d , t h em o t o rv e h i c l e sa 托i n c r e a s i n gc o n s t a n t l y ；o nt h eo t h e rh a n d t h e c u r r e n tp a r k i n ga n dt h ev a c a n ta r e ah a s n tf u n c t i o n e dw e l l i ti sh i e j “yn e c e s s a r yt o h a v et h eh i g l ie f f i c i e n c yp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m m e a n w h i l e ，t h eh i g he f f i c i e n c y p a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e ma l s o 锄m a r kal e v e lo fc i t yt r a f f i cm o d e r n i z e w h i c h c a nr e l i e v et h et r a f f i cp r e s s u r e , i m p r o v et h ec i t ye n v i r o n m e n ta n di n c r e a s et h ei n c o m e f o rt h eg o v e m m e n li tr e a l l yh a sa na b r o a dp r o s p e c t f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a c kg r o u n do fp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi n c h i n aa n da b r o a d a f t e rc o m p a r i n gd i f f e r e n tf e em e d i u me s p e c i a l l yt w og e n e r a l c o m m u n i c a e o nf o r m a t so f i s o i e c l 4 4 4 3 ，t y p eai cc a r di sa p p l i e dh e r e s e c o n d l y ， an e w p a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e dt or a i s et h er e l i a b i l i t ya n dc o n t r o lt h e c o s t i ts u i t sa 1 1k i n d so fp a r k i n g a tl a s t , t h es y s t e mi s d e s i g n e da n dp r e s e n t m o d u l a r i z e db a s e d t h es o t h v a r ea n dh a r d w a r e t h ek e r n e lw o r ki s d e s i g nt h e r e a d i n ga n dw r i t i n gt e c h n o l o g yo f t h en o n - c o n t a c ti cc a r ds y s t e m t h e s y s t e ms y n t h e s i z e st h er e a d i n ga n dw r i t i n gt e c h n o l o g yo ft h en o n - c o n t a c t i cc a r d , t e l e c o m m u n i c a t i o n , a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，s e n s i n gt e c h n o l o g ya n d e l e c t r om e c h a n i c s i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y w i t ht h eh a n dm a c h i n e ，p a r k i n gl o c ka n d t o pm a n a g e m e n tc o m p u t e r , i tr e a l i z e si n t e l l e c t u a lc o n t r o lo fe n t r a n c e sa n de x i t s , t h e c h a r g e ，e t e t h e r e f o r e , i tc a ns o l v eb o t ht h ep a r k i n ga n dt o l l i n gp r o b l e m sa tt h es a m e t i m e f u r t h e r m o r e ，t h i ss y s t e mi sl o wc o s tb u tc a l lb eu s e dc o n v e n i e n t l ya n ds e l v e e f f 矗c i e n t l y i tm a k e st h ep a r k i n gd e c o m f d 3m o r et r a n s p a r e n ta n de r r o r l e s sc h a r g e i tc a n a l s op r e v e n t7 t h ef e e s l o s s ，i m p r o v es e c u r i t ya n dp a r k i n ge f f i c i e n c y a tl a s t , t h et e s t i n gm e t h o da n dr e s u l t so ft h ep a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi s g i v e no u t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mr e a c ht h eo b j e c to ft h es y s t e md e s i g n a n dm e e ta l lf l e a 地p r a c t i c a l l y k e yw o r d ：t h ep a r k i n g t e l e c o m m u n i c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：立扯 2 。8 年净月弦日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密 论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 主聋j =2 0 0 s 年3 月w 日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近几年中国汽车的销售量增加的非常快，2 0 0 1 年，中国汽车销量只有2 3 0 万辆，位居世界第七位，而2 0 0 7 年汽车销量达到8 8 0 万辆，超过日本成为世界 第二大汽车消费国。据预测，2 0 1 0 年中国汽车的销量将超过1 0 0 0 万辆，并超越 美国市场。中国汽车消费量占全球总消费比例的增长率【1 1 如图1 - 1 所示； 图1 1 中国汽车消费量比例增长率 由于中国的经济发展存在着严重的地区不平衡，导致个别发达地区和城市的 汽车数量已经达到了非常高的水平，由此带来的直接结果是这些地区的交通变得 非常的拥挤，堵车成了我们生活的一部分。与此同时，停车难的问题也变的越来 越突出。现有的停车场和停车位的数量已经远远满足不了实际的需求，以及很多 停车场和停车位缺少有效的停车管理系统而导致使用效率比较低等原因有关。如 何解决停车难的问题呢? 建设专用的大型立体式停车场开发成本太高，周期又 慢，只有发达国家和特别发达地区才能承受 2 1 。立体式停车场如图1 2 所示：。 图 - 2 大型立体式停车场 停车密度最高的道路两旁的停车收费系统( 密表) ，使用时由于对车辆没有约 河海大学硕士学位论文第一章绪论 束能力，经常出现车辆停放不规范，且逃票的现象时有发生。一些城市的空闲地被 开发成小型停车场后，缺乏有效的管理设备，使用效率比较低。以上的问题表明 现实生活中需要一种更为简单有效的停车管理系统。本文在传统停车场收费系统 的基础上，以非接触i c 卡位收费介质，开发出了一种技术可靠，使用方便，效 率高且成本低的停车收费系统，非常适合解决此类小型停车场和停车位的收费问 题，对目前停车难的问题提供了一种非常有效的解决方案。 1 2 停车收费系统的现状与发展趋势 停车难是世界各国的普遍问题，由于停车设施供给的增加受到土地，资金等 限制，使得停车管理系统越来越被受到重视。停车场收费系统是伴随着公用收费 停车场这一新生事物而诞生的。传统停车场的收费都是采用人工方式，存在着收 费过程费时费力，停车场利用率低下，金额易流失等问题。随着科学技术的发展， 各种新技术、新材料的应用使停车场管理系统的功能逐渐完善，可靠性逐步提高。 许多现代控制领域及智能交通领域的前沿技术在停车场管理系统中也得到了广 泛应用，使当今停车场管理系统越来越具有智能化的特点。系统当中的收费介质 是用来标识车辆的唯一标志，是管理系统的重要技术特征，因此收费介质可以反 映其系统的技术先进程度。以停车场管理系统使用的收费介质为核心特征，停车 场收费系统经历了磁卡、纸质磁卡、条形码以及非接触i c 卡等几个发展阶段。每 个阶段的停车场管理系统都是在克服了其上一代系统在收费介质缺陷的基础上， 进一步提高了收费系统的工作效率和可靠性，并丰富了管理系统的管理服务功 能。目前，使用以非接触式i c 卡、射频电子标识、车牌图像识别技术为代表的非 接触类型收费介质已经成为停车场管理系统建设的主流方向1 2 】。 停车场管理系统的下一个技术发展方向是智能化、网络化 2 1 。一方面以智能 化设备和完善的管理软件来简化或取代人的劳动，停车场车辆出入、场内监控以 及收费等全过程的完全无人化管理；另一方面通过网络化管理实现能够在一个相 对广阔的地域内了解多个停车场车位情况，提前预定停车位，最终实现“随意” 停车，是停车场管理系统最终目标。 1 2 1 国外停车场管理系统的现状与发展趋势 目前，国外停车场管理系统经过半个多世纪的发展，基本进入了智能化收费 的阶段。其使用的收费介质已由传统接触读写类型收费介质转变为非接触类型的 新型收费介质。国外停车场收费系统一般采用高度智能化的专用设备，可以实现 收费系统的自动化操作。其使用的设备制造工艺精良，系统稳定性和产品技术水 平都能达到较高水平。而且这些系统还有一个显著特点就是停车交易支付手段的 2 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 电子化程度非常高，基本上不存在现金交易的现象。许多国外停车场管理系统出 现了停车车位引导系统、停车车位查询系统等智能化设备，它可通过路边的可边 信息板提供实时的停车信息，引导架车者更方便，迅速地寻找停车位。停车引导 和信息系统( p g i ) 在美国称为先进停车信息系统( a p i s ) ，是智能交通系统( i t s ) 在 停车领域的应用 3 1 。 一些国外停车设备厂商正在研究能够实现“网络化存车”的停理系统 4 1 。该管 理系统能统一调度车位资源，统一进行交易结算。停车用户在家中通过网络就可 以预定停车车位，交纳停车费用，查询出行目的地的各类停车信息。这种新型停 车场管理方式适应了i n t e r n e t 网络在人们日常生活中越来越普及的现状，使停 车场管理系统的作用范围和功能得到了极大的扩展和延伸。 为了提高效率，缩短停车的时间，国外一些企业在停车管理系统当中引入了 一个新的停车收费概念：不停车收费系统f 5 】。该系统通过使用最先进的传感技术， 车辆自动识别技术，微波通信等技术，使车辆进入停车场的时间大大缩短。 如图1 3 所示是加拿大g u e l p h 停车场的停车管理设备图，为i c 卡收费的智能 停车场，用户刷卡后，仪表自动开始计时，当用户未刷卡或卡内余额不足时，系 统会警示，通知巡视人员。 图1 3 加拿大g u e l p h 停车场 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 国内停车场管理系统的现状与发展趋势 国内停车场管理系统是伴随着国内公用停车场的大量出现而产生并逐步发 展起来的。最初的国内停车场管理系统是在引进和消化吸收国外同类系统的基础 上逐步发展起来的，并在此基础上不断改进提高。发展初期，由于有许多关键设 备国内无法生产，因此停车场管理系统硬件大多采用国外产品，所以这一阶段的 国内停车场管理系统带有更多“集成”的意味。 从1 9 9 6 开始，我国城市停车设施有了较快的发展，特别是近几年来，随着认 识的不断提高，技术的不断进步，国内停车场已经开始作为产业的发展壮大，国 内停车场管理系统厂商的技术实力得到迅速增强。国内停车场管理系统也由单纯 的引进和仿制转向真正意义上的技术研发。一些国际先进的停车场管理技术和理 念也在国内新型停车场管理系统中得到广泛的应用。许多停车场管理系统关键设 备已经可以在国内研发制造，许多厂家推出的停车场管理系统在技术上能够紧跟 国际先进技术潮流。 应该看到，国内停车场管理系统核心技术的设计水平和设备制造水平与国外 同类系统仍存在一定的差距。国内停车场管理系统使用的一些核心技术如远距离 读卡技术等仍是国外企业的技术专利。如何提高停车管理系统核心技术水平，如 何提高停车管理系统设备制造水平，是目前国内停车管理系统企业普遍面临的两 个问题。 目前国内很多停车场管理系统已经开始进入由传统的人工式管理系统向新 型智能化管理系统升级换代的时期。以收费介质为例，以接触式i c 卡收费介质为 特征的管理系统已经面临被逐渐淘汰的局面。而以非接触式l c 卡技术等非接触类 型收费介质为特征的新型停车场管理系统正在迅速走向成熟，也正在逐步成为国 内停车场管理系统的主流。 我国新型停车场管理系统还处在应用的初级阶段，许多管理系统在实际使用 中暴露了出一些问题1 6 j 。其表现有： 一些管理系统的系统设计不够合理完善，未能充分考虑我国的实际国情，使 新型停车场管理技术不但未能在实际应用中发挥出应有的作用，相反有些停车场 采用的新的技术设备却成为制约管理系统发挥管理功能的瓶颈。例如有些管理系 统采用非常先进的车牌自动识别技术，意图实现车辆存取过程的无人无实物收费 介质的工作方式。但在实际应用过程中，这种新型技术却经常因无法克服目前有 些车牌污损、锈蚀及安装位置不规范等原因使管理系统无法自动识别，造成系统 经常出现非正常的停顿。为了使系统能够正常工作，往往还是需要配备管理人员 来辅助实现车辆的识别，这对停车场管理者来说，就得不偿失了。如图1 _ 4 所示 为国内某停车场的出入口： 4 河海大学硬士学位论文 第一章绪论 图1 _ 4 国内某停车场出入口 从图中我们可以看到全自动的刷卡机及连动的刀闸，且设置了两套监视系 统，自动化程度已经非常高了，但这样的全自动的管理设备但仍离不开管理人员。 还有的停车场设计者盲目追求高技术，片面追求高智能化，使用一些尚不完善的 新技术。往往在使用过程中出现一些问题而使系统可靠性变差。例如有的停车场 管理系统采用远距离射频识别技术，使一些进口读卡机读卡距离提高到数米甚至 数十米，虽然这种技术在某种程度上提高了停车场出入的顺畅性，但在使用中由 于停车场出入口停车位置的局限，经常造成多卡之间的无线电干扰，或引起收费 系统的误动作，无法完成“一卡一车”、一车一杆”的出入h i 作流程，造成收费 系统的逻辑错误。 目前应用比较广泛的停车场管理系统多为相对独立的管理系统，只有少数可 以实现联网功能，整个系统缺乏必要的可扩展性。也就是说一入一出型的管理系 统如果扩展为多入多出型的收费系统，常常要替换所有的原有设备和软件，造成 原有投资的浪费。有的停车场管理系统只能使用厂家指定的收费介质类型，无法 实现一卡多用即“一卡通”的目标。停车场收费系统的配套设备中核心设备如读卡 机、车辆检测器等设备元件多为进口，其优点是提高了系统可靠性，但缺点是提 高了系统的成本，而且这些设备的核心技术尚未完全掌握，设备维修维护有较大 的困难。某些厂家选用的停车场设备如发卡机、读卡机、电动栏杆等，有的并非 是为停车场专门设计的产品，难以适应停车场高温差( 南方与北方，夏季与冬季) 、 高湿度( 地下型停车场) 、灰尘多( 露天型停车场) 、电磁干扰严重( 汽车启停频繁) 等恶劣环境，因而造成系统可靠性降低，设备故障频发，整个系统难以正常使用。 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 有相当比例的停车场管理系统在投入使用后很短的时间户由于系统本身系统设 计的问题，设备选型不合适等原因，往往使管理系统投入使用后频频发生故障。 有的厂家设计制造的停车场系统是采用多个生产厂家的设备拼装构成的，而且这 些厂家不具备对多品种多型号设备的维修维护的能力，造成系统维护周期加长。 因此，评价一个停车场管理系统的好坏嘲，不能仅仅看是否使用了最前沿的 先进技术，也不仅仅看整个系统价格是否低廉，而应该看能否真正在实际应用中 充分发挥系统应有的管理功能，充分满足用户的需求。从而为用户创造最大的经 济和社会效益。 1 3 本文的研究内容与意义 本文设计的系统主要针对目前一些小型停车场及分散停车位收费困难的问 题，采用非接触i c 卡为收费介质，设计一种技术较先进，性能可靠，操作简单， 具有较高性价比的新型停车场管理系统，为更好地解决日前我国各大中城市面临 的“停车难”问题，提供一个有效方法。文中对系统中使用的上位机管理软件，手 持机系统。车位锁等设备进行设计，并对设计系统的进行了严格的测试。 6 河海大学硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 第二章系统的总体结构设计 在进行系统的设计时，第一件事就是一定明确系统的任务要求，不明确或错 误的任务要求很可能导致整个系统设计任务的失败。本文的主要内容要求是设计 一种以非接触i c 卡为收费介质的新型停车管理系统，改变目前停车管理中高档管 理系统成本过高、脱离实际，难于应用的缺点，低档管理系统的系统可靠性差、 效率低下的问题，以先进的技术和较低的成本提高停车场管理系统的整体水平和 工作效率，从而设计一种优化的停车管理系统方案。 2 1 收费介质的确定 收费介质的选择非常关键，直接体现了这个收费系统的管理水平。所谓的收 费介质是停车场用来标识每辆车的唯一标识，介质中存储有一组标明车辆身份的 数字标识。停车场收费系统通过此标识记录和查询车辆的进出时间及车辆的其他 信息，以此实现对车辆的收费管理。 停车场使用过的收费介质有纸质磁卡、条形码、接触i c 卡、射频i c 卡等等， 其优缺点各有不同。 ( 1 ) 纸质磁卡：最早的收费介质，出现于七、八十年代。 优点：生产成本较低，结构简单，体积小巧，便于大量发行。 缺点：自动化程度低，数据存储容量小，不易保存( 无防水功能，折损和磁 化后数据即被破坏) ，无法重复使用，安全性差( 无加密功能) ，读写设备复杂而且 维护费用高( 接触读写，需经常清理维护) 。 ( 2 ) 条形码；最常见的收费介质，其中的p d f 4 1 7 码在1 9 9 7 年被定为我国的 国家标准。 优点：可实现自动管理，成本极低。 缺点：信息一次性，无法改写。 ( 3 ) 接触式i c 卡：最早出现的i c 卡类型。l c 卡的出现改变了我们原来的生 活方式。 优点：安全性较高，数据存储容量大，一卡多用，可靠性及寿命比磁卡高， 读写机构比磁卡简单，造价便宜，维护方便。 缺点：成本较高，而且触点外露容易被污染、损伤及静电损毁，寿命较低， 读写速度较慢，读写机的插卡处容易被污染和损坏。 ( 4 ) 射频i c 卡：是近十几年发展起来的一项新技术，它将射频识别技术和i c 卡技术结合起来，解决了无源和免接触这一难题f 5 1 ，它具有以下的优点： 1 可靠性高、使用寿命长、维护成本低 7 河海大学硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 射频i c 卡与读卡器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故 障。此外，射频i c 卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损 坏而使卡片失效等问题，适应各种恶劣环境m 。因此，在正常使用的情况下，可 以保证i c 卡的使用寿命在1 0 年以上。 2 。操作方便、快捷 由于非接触通信，读写器在5 一l o o m 甚至更远的范围内就可以完成对卡片的操 作，射频i c 卡使用时非常简单，不需固定方向和位置，没有方向性，卡片可以任 意方向掠过读写器表面，即可完成操作，大大提高每次使用的速度。 3 加密性能好、| 安全可靠 每张卡片在出厂时都写有不可更改的唯一编号( 全球唯一的序列号，制造厂 家在卡片出场前已将此序列号固化，不可再更改) ，并可为第一用户设定卡与读 写设备相对应的唯一的密钥，卡和读写设备均无法复制，确保系统的安全性和可 靠性。 4 抗干扰性强 射频i c 卡中具有防冲突机制，在多张卡片进入读写器的工作范围时防止卡片 之间出现数据干扰，允许只读一张卡操作。 5 多种权限级别管理 可设置多个权限级别，增加了整个系统运行的安全性。 通过对多种收费介质的比较，本文中的系统选用非接触i c 卡作为停车场的收 费介质。 ， 2 2 通信方式的确定 有线通信网络传输质量稳定，速度快，保密性好，不易受外界的干扰，但是 要在交通繁忙的室外环境，布线非常不便，且布好后也容易受外界的破坏。 以红外线作为介质的网络使用非常的广泛，这种系统构架简单，只需要两只 特殊的二极管，不需要物理线路，而且不影响周边的环境，不干扰其他的电器设 备。但是红外线穿透性差，容易受遮挡，不适合在这复杂的外界环境下使用。 利用无线电波传输信息的通信方式，不需要架设传输线路，不受通信距离限 制，机动性好，建立迅速【8 】。根据无线电波的不同波段和传播模式，无线电通信 分为短波通信、超短波通信、微波接力通信、卫星通信、和散射通信。无线通信 具有以下的特点： 1 稳定性好 无线电波传播的稳定性，虽会受自然条件变化的影响，但在无线电通信收发 信设备和无线电系统采取一定措施，仍能保持良好的稳定性和可靠性。短波段电 s 河海大学硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 波的传播衰减，不仅随季节、昼夜而变化，而且会因磁暴、日蚀或太阳黑子的活 动而受严重影响，对短波通信经常换用近于最高可用频率的工作频率，就能保持 良好通信质量；微波段的电波传播也有衰落现象，雨雪云雾对它也有一定影响， 在微波通信设备上采取了自动门限扩展和雨去极化一类的相应措施，能使微波通 信具有与有线电通信相同的通信质量。无线电信道是开放型信道，因而从无线电 作为通信工具之始就针对保密性问题采取了多种措施，例如现在高密级的数字保 密设备，就能保证通信的保密性。 2 使用方便 无线电通信投资少，建设速度快，只要收信和发信双方建立台、站，便可通 信。无线电通信灵活性大，采用移动通信方式，车、船、飞机即可在行动中进行 通信。此外，还便于建立紧急的或临时的通信业务，如救灾通信业务等。 在低电压微功率的条件下，受外界的地理环境和电磁环境以及发射效率和接 收效率的影响，无线通信的距离是非常有限的。在实际中我们一般通过以下一些 措施来增大通信距离： l 、尽可能提高天线的有效高度 提高天线的有效高度能显著扩大通信距离，特别是在城市环境中，将天线设 在楼顶时能避开很多障碍并远离干扰源，从而扩大通信范围。 2 、采用高增益的天线 天线是无源器件，其本身不能放大信号，但高增益天线能显著提高通信方向 上的能量密度，提高信号，噪声比，从而扩大通信范围，其作用就与手电筒或是 探照灯上的聚光镜相似。但高增益天线的成本较高，几何尺寸及重量都比较大， 只适合于固定安装使用，因此，在一定对多点或多点对一点的无线通信组网中可 考虑主机用高增益的全向天线，分机则根据距主机距离的不同选用不同增益的天 线，对于固定安装并且距离主机特别远的分机还可选用高增益的定向天线，而距 离主机较近的分机可选用低成本的普通鞭状天线，以降低系统成本。发射机采用 高增益定向天线可显著提高通信方向上的信号强度，面接收机采用高增益定向天 线可显著提高通信方向上的接收信号场强和信号噪声之比，从而大幅度地扩大 通信距离，但只适合于同一个方向上的通信，并且成本也较高，天线的几何尺寸 大，重量也较重，只适合于固定安装使用。 3 ，尽量缩短射频电缆的长度 用于连接天线的射频同轴电缆对射频信号也有一定的损耗，电缆越长，损耗 就越大，对所传输的射频信号的损耗的增大又会导致通信距离的下降，除尽量缩 短距离外，电缆还应该采用多芯屏蔽电缆连线。 4 、尽量远离各种干扰源 距干扰源越近，信号噪声比就越低，也会导致通信距离下降。必要时可分 9 河海大学硕士学位论文 第二章系统的总体结构设计 别对数传模块和会产生电磁干扰的部件采取屏蔽措施，并用特性阻抗为5 0 f l 的射 频同轴电缆将天线引到远离干扰源的地方，同时与射频组件相连的电源线、信号 线也采用屏蔽电缆，并增加必要的滤波网络，以最大降度地抑制干扰。充分发挥 接收机高灵敏度的优势。 5 、优先采用抗干扰能力强的无线通信产品 当无线通信接收机处在电磁干扰较大的环境中工作时，如果抗干扰能力跟不 上，接收灵敏度高将变得毫无意义，此时应优先采用抗干扰能力较强的产品，如 窄带二次变频的f m 或f s k g f s k 调制懈调方式的产品( 通常这类产品的接收灵 敏度也很高) ，如果是数字通信系统还应优先采用有软件纠错功能的产品。 本文设计的系统采用了一对简单实用的无线通信模块。 2 3 系统的组成和功能要求 整个停车场系统由上位机控制软件，手持机，车位锁三个主要模块以及监控 摄像头和打印机等附属模块组成。手持机是一种功能强大且可方便移动的控制 器，具有人机交换界面，它的外观如图2 1 所示： 图2 1 手持机产品外观图 手持机是管理系统的核心组成部分，系统的很多重要功能都是通过它来实现 1 0 河海大学硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 的。它的主要功能如下所示： 1 初次进入车辆发i c 卡，向卡内写入车辆进入停车场的时间； 2 车辆离开刷卡，读取卡内的时间数据； 3 自动计算停车时间，将停车时问x x 日x x 时x x 分显示在液晶屏上： 4 自动计算停车后应收取的金额； 5 可随时查阅停车收费的记录，包括消费的时间以及车牌号等信息； 6 为确保信息的安全，实行两级管理机制； 7 填写收费规则，管理级可通过管理卡填写收费规则； 8 清除相关信息，管理级可通过管理卡对停车收费总金额、收费时间等信息一 次性清除； 9 时间调整，管理级可通过管理卡进行时间校对： 1 0 识别和判断内部卡是否有效； 1 1 电量不足声响及显示提示； 1 2 随时可将停车收费总金额及收费笔数转存到财务卡内； 1 3 可为长期卡充值； 1 4 可无线控制：控制车位锁，语音提示，显示屏等； 1 5 拥有u s b 接口，能跟上位机软件进行通信； 车位锁是个机电一体化的产品，主要功能是接受手持机的控制信号，解码 后控制电机作相应的动作，来完成对车位空间的控制。 上位机软件主要功能是通过u s b 接口上传手持机里面的充值信息及消费信 息，统一管理和保存。整个系统的功能图如图2 - 2 所示： 图2 - 2 系统的功能组成图 河海大学硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 2 4 系统的工作流程设计 本系统是在传统停车场的基础上重新设计，主要针对一些特殊的停车场和停 车位。为了使系统的效率达到最高，应对工作流程进行优化设计。 2 4 1 迸车的工作流程 经过优化后的系统工作流程如图2 - 3 所示： 图2 3 进车的工作流程图 为了方便用户，本系统提供了两种类型卡：临时卡和长期卡。 临时车辆进入停车场时，由手持机管理员发临时i c 卡给车辆，车主接卡后 河海大学硕士学位论文第二章系统的总体结构设计 向手持机刷i c 卡，手持机通过内置的读卡机获得卡号后用语音提示，并且开始 记费，而后自动发送命令放下一个车位锁。此后，车辆进入空的停车位，进场动 作完成。 ， 持长期卡的车辆进场相对简单，不需要领卡，进场后拿出i c 卡刷卡，手持 机获得卡号后验证卡好的合法性，成功后手持机自动发送命令放下一个车位锁， 进场动作完成。 2 4 2 出车的工作流程 出车的流程跟进车的流程类似。临时卡的用户要离开时，先到手持机管理员 处刷卡并把卡还给管理员，同时手持机屏幕上显示消费的时间及要交纳的费用， 付款后用户既可把车开走，开走后，地感线圈发信号给车位锁，车位锁自动将锁 打上。 持长期卡的用户要离开时，直接刷卡即可离开，而后地感线圈发信号给车位 锁，车位锁自动将锁打上。 2 5 本章小结 本章通过对各种方案的比较，确定了系统的收费介质和通信方式。通过系统 的工作原理图可以看到，整个收费系统是由手持机，车位锁，上位机管理系统以 及辅助设备组成，而后详细介绍了各部分的功能，详细规划了系统的工作流程。 河海大学硕士学位论文 第三章系统功能的实现 第三章系统功能的实现 在上一章当中，我们根据系统的任务要求设计了设计的工作方案，以及系统 详细的工作流程。这一章开始，我们的任务是根据系统的工作方案和任务要求对 系统进行模块化划分。而后，为每个模块选择合适的器件。在器件的选择时，应 该认真考虑各方面的因素，因为系统的性能直接取决于选择的器件的性能。器件 选择完毕，根据器件的具体参数设计系统的硬件电路板，采用的p r o t e l 9 9 软件。 电路板制作是项复杂的工作，系统的稳定性跟电路板的性能也有很大的关系，因 此，制作电路板应注意各方面的问题，如数模的隔离，电源线的分布，散热的要 求等等。一些简单的功能模块可通过电路仿真软件仿真后确定参数在进行电路板 的制作。第一块电路板是带试验性质，用于系统的调试。如果某些功能模块无法 调通，我们需要重新选择器件，而且有些器件的参数我们必须通过不断的试验才 能确定，因此，需要多次制作电路板才能最终确定。硬件平台构建好后，我们进 行软件系统的设计。为了能提高软件系统的移植性，采用c 语言设计，同时根 据功能细分为各个子函数。最后进行整个系统的调试。 3 1i c 卡系统的设计 i c 0 n t e g r a t e dc i r c u i t ：集成电路) 智能卡正在并已经融入当今信息技术的主 流。她以其高度的信息集成，高度的安全性，正日渐显示其辉煌和灿烂。 随着金融行业的不断发展，社会经济的日新月异，特别是公共交通行业， 无线通信领域，卫生保健行业，封闭式场所管理，身份识别，电话通信，大楼保 安系统等等，人们已愈来愈多地开始接受和使用i c 智能卡。特别是银行服务系 统，i c 智能卡替代古老的磁卡而服务于大众己日渐成熟。随着新技术的使用， 如“一卡通”，一卡多用等，给我们的生活质量带来了很大的提高。 近几年来，随着i c 智能卡中的接触式c p u 卡以及非接触式i c 智能射频卡( 内 建m c u ，a s i c 等) 的高度安全保密性，使之在i c 智能卡领域中异军突起，成为 当今i c 智能卡中的流行宠物，应用前景十分广阔。 3 1 1i c 卡技术的发展状况 国外对i c 卡的研究和应用较早，特别是在美国、欧洲国家等，i c 卡遍布社 会各个方方面面。就像在美国【9 l ，国民消费总额的2 0 3 0 是由“刷卡”消费完 成的，由此可见i c 卡应用的程度。 我国对i c 卡行业的发展始于1 9 9 3 年左右，当时的中央领导特别是江泽民同 1 4 河海大学硕士学位论文第三章系统功能的实现 志高度重视i c 卡行业，高瞻远瞩，指示要发展我国自己的i c 卡事业【1 0 】，建立“金 卡工程”。如今，我国已研制成功我国自主版权的较大容量的存储卡，逻辑加密 卡等，但是对于尖端的c p u 卡及非接触式i c 智能射频卡( 内建m c u ，a s i c 等) 的制卡技术及其相应的读写卡设备技术，仍处于落后状态。这极大地制约了i c 卡行业的发展，特别是在要求有极高安全性和保密性的金融行业中，制约了我国 金卡工程的实施和发展。 3 1 2 关于i c 卡的i s o i e c l 4 4 4 3 协议 与i c 卡相关的国际标准有多种l l ”，包括描述i c 卡物理特性的i s 0 7 8 1 6 ；规 划卡点触点位置和尺寸的i s 0 7 8 1 6 - 2 ；以及描述i c 卡电磁信号和传输保护的协 议i s 0 7 8 1 6 - 31 ”。对于近距离的非接触i c 卡则应符合i s o i e c l 4 4 4 3 1 1 】的一系列标 准，以下针对非接触i c 卡的电磁信号传输做简单的介绍。 在操作时，卡机作为源端发射电磁波产生一个能量场，当卡片进入该电磁波 场区时，由于耦合效应在卡片上激发出相应的电流电压变化，i s o i e c l 4 4 4 3 2 规定电磁场的频率为1 3 5 6 m h z 士7 k h z 。根据标准规定，卡与读卡器之问的通讯 信号的调制存在两中规范：t y p e a 和r 忡eb ，我们讨论一下两类规范的区别。 3 1 3t y p e a 和t y p eb 比较及选择 在r 呷ea 协议里，卡片与读卡器之间的数据传输率为1 0 6 k b p s ，调制于一 1 3 5 6 m h z 的载波上。 。 当读卡器向卡片传递信号使用密勒编码的方式0 2 1 ，采用1 0 0 0 , 6 的a s k 调制 方式。在凹槽时间段内，读卡器发射的磁场强度为平时的5 以下，持续时间大 于0 s u s 。如下定义了三种序列： 1 x 序列：过6 4 个载波周期后发生一个间断。 2 y 序列：在1 2 8 个载波周期内没有调制发生。 3 z 序列：在序列初始便发生间断。 在传输过程中，我们用上述序列来组合表征所传输的o 和“l 信息，协议如 下面所示： 、 1 逻辑“l ”：用序列x 表示。 2 逻辑o ：用序列y 表示，但有两个特例。 3 数据中出现多个连续的逻辑o ”时，从第二个逻辑“o ”开始可以采用序列z 表示。 4 如在“帧开始”信号后的第一比特是“0 ”，这个逻辑“0 ”及其后的逻辑“o ”均 可用序列z 表示。 河海大学硕士学位论文第三章系统功能的实现 5 通讯开始信号，用序列z 表示。 6 通讯结束信号，用逻辑0 信号加上序列y 表示。 7 无信息，至少两个连续的序列y 表示。 当卡片向读卡器的信号传送采用负载调制的方式( l o a d m o d u l a t i o n ) ，通过改 变卡片上的调制电路的负载阻抗进行调制，采用8 4 7 k h z 的负载波( 读卡器载波 频率的1 1 6 ) 进行调制。各序列的定义如下： 1 序列d ：在1 2 8 个载波周期的一个比特数据时间内，前6 4 个载波周期用 负载波去调制数据。 2 序列e ：在1 2 8 个载波时钟周期的一个比特数据时间内，后6 4 个载波周 期用负载波去调制数据。 3 序列f ：在1 2 8 个载波周期长的一个比特数据的整段时间内没有调制。 传输过程中，用上述序列组合表征所需要的 “1 ”信息。 l - 逻辑“l ”用序列d 表示。 2 逻辑“o ”用序列e 表示。 3 通讯开始用序列d 表示。 4 通讯结束用序列f 表示。 5 无信息无调制。 在r 即eb 协议里，卡片与读卡器之间的数据传输率仍为1 0 6 k b p s ，调制于 1 3 5 6 m h z 的载波上。 当读卡器向卡片传递信号时，与t y p e a 不同，采用1 0 幅度调制，直接使 用不归零( n r z ) 码，不需要进行编码。位的表示和编码如下； 1 逻辑“l ”：载波幅度处于无调制时的值。 2 逻辑“o ：载波幅度处于被调制时的值，约为无调制时的8 8 9 2 。 当卡片向读卡器的信号传送也采用阻抗调制方式，负载波采用b p s k ( b i p o l a r p h a s es h i f tk e y i n g ) 编码，然后采用负载调制方式，位表示和编码如下： 1 序列d ：被调制的负载波的初始电平为高。 2 序列e ：被调制的负载波的初始电平为低。 上面的序列用来对以下信息编码： 1 逻辑“1 佣序列e 表示。 2 逻辑“o 佣序列d 表示。 3 通讯开始用序列d 表示。 4 通讯结束用序列e 表示。 5 无信息无调制。 两者的通信信号如图3 1 所示： 1 6 河海大学硕士学位论文第三章系统功能的宴现 攀 苄 毒 薹 s 匿1 0 0 j 鼹i 暇 修正的密勒码1 0 6 k p s 不归零o 咀z ) 码。1 0 6 k b i t ，譬 i o 1 1l o l o l t l l o i ，一ol o i li l l l _ l - o l _ _ l一一 蹒驴钢 负藕调镧 零o e z ) 码 勖载渡f c 1 6 , 1 0 6 k b p s副载被f c 1 6 j1 0 6 k b p $ jo | t i o i o l ，l j o l t l o l o 1 1l 啊嗍i l m q l i - u l m l 一 舶哪i ih h i i 翻啊i m l l l l f li l n l m u l i i i i i i i i i - i l h i i j i i i i i l l li l i i i i i h u l i i i i i i i i i hi i l i i i u 图3 1t y p ea 和r 即eb 的通信信号 、 通过以上的分析，我们可以看出这两种信号各有自己的特点。 1 t y p ea 信号的特点 采用1 0 0 幅度调制，解调电路设计简单 电路的抗干扰能力强 提取的时钟信号不连续 电源的稳定性不够强 从电路实现角度而言，t y p ea 的卡收到信号以后，需要进行解调和解码，且 信号不连续。 2 t y p eb 信号的特点 采用1 0 幅度调制，i c 卡中解调电路相对复杂 能够提取连续的时钟信号，使数字电路简化 i c 卡内数据解调后不需要解码电路 电源的稳定性容易控制 从电路实现角度而言，t y p eb 的卡收到信号以后，只需解调便可产生能直接 处理的m 疆码信号。下面将就两中协议的功率传输和信号通信方面，在前人的基 础上做个比较【埘。 一、功率传输上的比较 读卡器与射频卡之间通过天线线圈进行耦合来传输能量。在柱坐标系下， 环形天线产生的磁场中任意点的矢量磁位1 3 】只有切向分量如： 厶= 警纠叫踯，l p - ， 1 7 河海大学硕士学位论文第三章系统功能的实现 其中，a 是圆环线圈的半径，为磁场常数( 风= 4 # 1 0 。v s l a m ) ，p 是柱坐标下 的径向变量，i 是线圈的电流大小，k 和e ( k ) 是以k 为模数的第一类和第二类椭 圆积分： 叫i i 4 a p 写 础，= 旒 砸) ：讧瓦蕊 由h：三v_ z 得到环形天线的磁场方程： 驴丢南 - 踯，+ 篇础) 也= 去南卜+ 篇叫 h =