田野，郝蕓

（天津理工大學(xué) 中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380）

射頻識別技術(shù)作為一種新興的非接觸式自動識別技術(shù)，在國內(nèi)外快速普及，在許多領(lǐng)域都有較大應(yīng)用價值和發(fā)展前景?；赗FID技術(shù)的車輛管理系統(tǒng)是集RFID技術(shù)、計算機管理技術(shù)和自動化控制于一體的現(xiàn)代化的車輛出入管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)車輛出入的人工管理相比，有著獨特的優(yōu)勢：合法車輛在出入小區(qū)時，車主無需停車，大大的節(jié)省了時間；減少了人工的干預(yù)，節(jié)省勞動力；臨時車輛進入小區(qū)，采用收費制度；對于非法車輛拒絕出入小區(qū)，保證小區(qū)車輛的安全；系統(tǒng)可以隨時記錄車輛出入的信息，以備查詢和打印報表。整個系統(tǒng)使用起來方便可靠。系統(tǒng)通過了模擬調(diào)試，運行可靠，達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。該設(shè)計方案合理、先進，效果顯著，是一種很有推廣價值的小區(qū)車輛出入管理系統(tǒng)。

1 射頻識別原理

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸[1－2]。其基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。根據(jù)RFID系統(tǒng)工作的頻率的不同可以將其分為低頻、高頻、超高頻和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)的頻率范圍為30～300 kHz，基于這些頻率的RFID系統(tǒng)一般都有相應(yīng)的國際標(biāo)準；高頻系統(tǒng)的頻率在3～30 MHz之間；超高頻系統(tǒng)頻率范圍為300 MHz～3 GHz，常見的工作頻率為915 MHz；微波系統(tǒng)的頻率范圍2.4～5 GHz。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)設(shè)計的過程中必須滿足以下要求：保證擁有合法身份的車輛在出入小區(qū)時，車主無需停車，可快速通過；對于外來車輛，采用發(fā)放臨時卡，讀卡后允許車輛通過，并根據(jù)車輛的停留時間收取一定的費用；系統(tǒng)可以自動記錄車輛出入小區(qū)的時間；用戶可以查詢通過管理系統(tǒng)查詢車輛各種信息；嚴格控制一車一卡，不允許同一張卡帶幾輛車出入小區(qū)；防止小區(qū)丟車事件的發(fā)生。

根據(jù)車輛出入管理系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)采用局域網(wǎng)管理模式[3]。在此模式中，管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器放在小區(qū)的服務(wù)器上，出入口控制室位于出口和入口的中間。每個控制室放置一臺管理計算機和一臺RFID控制器和一臺PLC。連接在RFID控制器上的兩個讀寫頭分別放置在小區(qū)的入口和出口處，實現(xiàn)對進入或者離開車輛信息的讀取。另外，在入口和出口處還分別放置兩個地感線圈和一個道閘。對于長期用戶，由RFID標(biāo)簽組成的RFID卡，放置在汽車左邊的門上。各個出入口的計算機和小區(qū)的局域網(wǎng)連接，這樣無論車輛從哪個出入口進入或者離開小區(qū)，車輛的出入信息都會被實時記錄并保存到中央數(shù)據(jù)庫。管理信息系統(tǒng)和車輛出入控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，實現(xiàn)了車輛出入的智能化管理。這樣不僅滿足車輛進出小區(qū)方便、快捷、安全的要求，也提高了小區(qū)物業(yè)的服務(wù)水平，為建設(shè)智能化小區(qū)奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的入口結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。出口和入口結(jié)構(gòu)基本相同。

圖1 系統(tǒng)入口結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

3 車輛出入控制子系統(tǒng)

車輛出入控制子系統(tǒng)是小區(qū)車輛出入管理的一個重要的組成部分，主要實現(xiàn)對車輛出入的自動控制。整個系統(tǒng)的控制過程簡單，主要功能包括控制器（PLC）與RFID控制器之間的通信，驗證車輛的合法身份；控制出入口道閘的開啟；出入口的指示燈指示和車輛防砸等等。圖2為入口工作的流程圖。

圖2 入口工作流程圖Fig.2 Entry work flowchart

擁有長期卡的車輛離開小區(qū)時，出口車道下面的地感線圈1檢測車到，允許RFID控制器讀RFID卡信息，驗證身份后，道閘自動抬起，車輛離開。車輛通過道閘且離開地感線圈2后，閘桿自動落下。如果閘桿下落過程中，線圈檢測到閘下面有車輛，則閘桿會自動抬起，直到車輛離開后，閘桿才重新落下。臨時車輛離開小區(qū)時，RFID控制器讀卡，管理系統(tǒng)根據(jù)車輛進入和離開的時間計算出車輛停留的時間。車主根據(jù)車輛停留的時間繳納一定的費用，車輛離開小區(qū)時，管理員收回臨時卡。出口工作流程圖如圖3所示。

1）設(shè)備選型

圖3 出口工作流程圖Fig.3 Export work flowchart

本系統(tǒng)是使用于小區(qū)車輛識別，出入小區(qū)的車輛行駛的速度相對緩慢，所以選用歐姆龍V600系列RFID系統(tǒng)。V600系列RFID系統(tǒng)是工作頻率為530 kHz高標(biāo)準的電磁耦合式RFID系統(tǒng)。它的編碼體系完全符合EPC標(biāo)準[4]，最大的識別距離為10 cm左右，通信的速率非常的快，讀取數(shù)據(jù)時為40～60 ms，寫數(shù)據(jù)的速率為90～170 ms。它具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，可以在高溫150℃的環(huán)境中工作；產(chǎn)品類型豐富，RFID標(biāo)簽的存儲容量為254字節(jié)～8k字節(jié)；小型無電池型標(biāo)簽可改寫30萬次。

整個系統(tǒng)由 RFID控制器V600－CA5D02、RFID讀寫頭V600－H07和 RFID 標(biāo)簽 V600－D23P66N 3部分組成[5]。 主控制器為歐姆龍的CP1L－M20DR－APLC。它與傳統(tǒng)的CPM1A和CPM2A不同，除了具有它們的一般功能之外，還增加了脈沖輸出功能、變頻定位功能和以太網(wǎng)功能等等。它的程序的存儲容量為8KB，輸入輸出最大可以擴展到60個點，完全可以滿足一般用戶的需求。通過安裝選件板，可以選擇RS－232或 RS－422/485通信。

2）PLC與RFID控制器的通信

PLC[6]與RFID控制器之間采用無協(xié)議通信，即不使用重試處理、不經(jīng)過數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換處理及具有對應(yīng)接收的數(shù)據(jù)進行處理分支等的順序通信協(xié)議。在無協(xié)議且無轉(zhuǎn)換的條件下，通過通信端口的輸入輸出指令（TXD，RXD）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[7]。PLC與RFID控制器之間使用RS－422方式進行通信。根據(jù)RFID控制器通信規(guī)格要求，使用歐姆龍CXProgrammer7.1編程軟件將CP1L串口1模式設(shè)置為RS－232，通信波特率設(shè)置9600，數(shù)據(jù)格式為7、2、E。CP1L端口1選用插件 CP1W－CIF11，為 RS－422/485 型。

PLC與RFID控制器通信時，使用專用的SYSWAY通信協(xié)議，上位機優(yōu)先發(fā)送通信指令，RFID控制器接收后，首先分析來自主機的命令，然后對RFID標(biāo)簽進行讀寫。通信結(jié)束后，RFID控制器返回一個響應(yīng)代碼到主機。SYSWAY通信協(xié)議支持1：1和1：N通信。當(dāng)主機與RFID控制器是1對1連接時，采用1：1方式通信；當(dāng)連接主機的RFID控制器超過一個時，采用1：N方式通信。在1：N通信模式下，可以通過對RFID控制器設(shè)置來實現(xiàn)主機與RFID控制器的1：1通信。

V600系列RFID控制的指令系統(tǒng)共23條指令，可以靈活的實現(xiàn)與主機之間的通信，其中包括通信命令、一般的通信子命令、主機命令等。通信命令多用于執(zhí)行與RFID標(biāo)簽的通信，例如，對靜止或者是移動的RFID標(biāo)簽進行讀寫等。通信子命令一般用于取消某個命令的執(zhí)行，而主機命令則用于主機設(shè)備控制RFID控制器。在1：1的通信模式下，通信過程中不計算校驗碼，因此，只能通過響應(yīng)代碼來判斷通信結(jié)果的正確性。

3）控制要求及I/O分配

車輛出入控制基本要求如下：車輛出入小區(qū)時，應(yīng)首先驗證車輛的身份，身份合法，要有指示功能，同時道閘自動打開，允許車輛通過。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O distribution table

如果身份不合法，同樣有指示功能，道閘不打開。車輛駛?cè)牖蛘唏偝龅倪^程中，要有指示作用。車輛完全進入或者離開時，道閘才能落下，否則道閘不下落。關(guān)鍵應(yīng)該注意車輛身份的驗證和車輛的防砸功能。根據(jù)以上控制要求，車輛出入控制系統(tǒng)的I/O分配表1所示。

4 信息管理子系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)使用Visual Basic作為前臺開發(fā)工具。它提供強有力的數(shù)據(jù)庫存取能力，通過ADO控件和后臺SQLServer2000有機的結(jié)合在一起。車輛出入管理系統(tǒng)軟件的使用人員是小區(qū)的管理人員或者保安，實例中包括車輛基本信息管理、車輛用戶的基本信息管理、射頻卡的類型管理、射頻卡管理、車輛出入管理以及收費管理等主要功能。

根據(jù)管理系統(tǒng)功能需求設(shè)計系統(tǒng)的功能模塊圖，如圖4所示。在功能模塊的圖的樹狀結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點就是一個很小的功能模塊。每個功能模塊要針對數(shù)據(jù)庫中不同的表來完成相似的操作，即添加記錄、修改記錄、刪除記錄、以及查詢和顯示記錄等。

系統(tǒng)中，還有一個系統(tǒng)用戶管理模塊。這個模塊相對簡單，包括用戶信息管理和權(quán)限控制兩個部分。在初始化時，有兩個默認用戶。系統(tǒng)管理員用戶Admin，普通用戶wang，在設(shè)計程序時手動添加到數(shù)據(jù)庫中。兩個用戶密碼分別為Admin和123。系統(tǒng)管理員用戶擁有整個系統(tǒng)的最高權(quán)限，可以創(chuàng)建其它的普通用戶、修改用戶信息、刪除用戶等；而普通用戶只能修改自己的用戶名和密碼。

用戶對數(shù)據(jù)庫的需求，主要體現(xiàn)在各種信息的提供、保存、更新和查詢，因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須充分的滿足各種信息的輸出和輸入。基本數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理的流程，組成了一份詳盡的數(shù)據(jù)詞典，對數(shù)據(jù)庫的設(shè)計起到非常重要的作用。通過對系統(tǒng)需求的分析，得到如圖5所示的數(shù)據(jù)流程。

圖4 車輛出入管理系統(tǒng)模塊圖Fig.4 Vehicles in and out management system module chart

圖5 數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 Data flowchart

計算機與RFID控制器使用MSComm控件進行通信[8]。其通信協(xié)議、指令及數(shù)據(jù)傳輸格式與PLC與RFID控制器通信完全相同。計算機與RFID控制器之間的無握手信號的連接方案。這種方式連線方便，僅需要1根信號地線GND和2根數(shù)據(jù)線：發(fā)送線TXD和接收線RXD。接線時，計算機串口的發(fā)射端TXD、接收端RXD分別與RFID控制器的接收端RXD、發(fā)射端TXD連接，雙方的GND相連，各自的請求發(fā)送線RTS、允許發(fā)送線CTS短接?？刂凭€RTS、CTS自連，默認對方信號存在，以確保進入握手后的狀態(tài)，可直接交換數(shù)據(jù)。

計算機與RFID控制器進行通信時雙方的通信參數(shù)設(shè)置（如波特率、校驗方式、數(shù)據(jù)位等）應(yīng)該一致。為了方便起見，雙方的通信參數(shù)多設(shè)置為RFID控制器的默認值。

下面談一下通信的具體實現(xiàn)。在VB環(huán)境下，新建一個工程，在這個工程的新窗體上進行用戶界面設(shè)計。首先，窗體的caption屬性設(shè)置為“計算機與RFID控制器通信”，然后再窗體上添加7個對象，2個標(biāo)簽、2個文本框、兩個按鈕和一個MSComm控件。標(biāo)簽是用來顯示信息，不能用來輸入；文本框用來數(shù)據(jù)也可顯示；命令按鈕用來執(zhí)行相關(guān)的操作；MSComm控件用來實現(xiàn)通信。對象建立好以后，要為其設(shè)置屬性值。建立好的用戶界面窗體。在視圖菜單中選擇“代碼窗口”或者雙擊用戶窗口，進入代碼窗口編寫事件過程代碼程序。整個通信程序主要由以下幾個部分組成：串口初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、串口事件處理。

串口初始化的功能是打開端口，設(shè)置通信參數(shù)。程序代碼如下：

發(fā)送數(shù)據(jù)的功能是將命令數(shù)據(jù)按通信協(xié)議組成數(shù)據(jù)包發(fā)往RFID控制器。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

串口事件處理程序的主要功能是接收數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)顯示在文本框內(nèi)。程序?qū)崿F(xiàn)如下：

在“運行”菜單的“啟動”命令，系統(tǒng)運行程序，彈出計算機與RFID控制器通信的窗體。在對窗體內(nèi)，按照RFID控制器與計算機通信數(shù)據(jù)的格式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入通信對話框的發(fā)送數(shù)據(jù)文本框中，然后點擊發(fā)送數(shù)據(jù)按鈕，即可實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交換。

管理軟件運行在管理計算機上，對整個系統(tǒng)的各種信息進行管理。運行系統(tǒng)后，先進入管理軟件的登陸界面，系統(tǒng)管理員輸入用戶名和密碼登陸到系統(tǒng)主界面。

主界面的上部是系統(tǒng)的菜單信息，主要包括以下幾個方面：基本信息管理、車輛管理以及系統(tǒng)用戶。在“基本信息管理”菜單下可以實現(xiàn)對射頻卡、射頻卡類型以及用戶基本信息的管理；“車輛管理”菜單下的子菜單可以實現(xiàn)車輛基本信息管理和車輛出入信息的管理。在“系統(tǒng)用戶”中主要實現(xiàn)對用戶名和密碼的管理。

雖然整個管理系統(tǒng)有幾個的模塊構(gòu)成，但是系統(tǒng)中各個模塊基本功能、設(shè)計方法和操作步驟基本相同。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)主要由車輛出入控制子系統(tǒng)和車輛出入管理信息子系統(tǒng)兩個部分組成?？刂谱酉到y(tǒng)的主要通過控制器與RFID控制器之間通信，讀取車輛RFID卡（RFID標(biāo)簽）的信息，然后驗證車輛的合法身份，控制車輛的出入。管理信息子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對小區(qū)車輛各種信息的管理；通過計算機與RFID控制器的通信，采集RFID卡的信息，記錄車輛的出入信息，加強車輛的出入管理；對外來車輛的收費管理等。本系統(tǒng)充分利用RFID技術(shù)實現(xiàn)了對小區(qū)出入車輛的無人化安全管理。

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