關(guān) 明，趙志科

（1長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023；2中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221116）

一些景區(qū)為了方便游客游覽，引入了免費(fèi)景區(qū)觀光車租借系統(tǒng)。但是部分游客往往隨意就近停車，導(dǎo)致觀光車無法正常入庫，給工作人員帶來額外的工作量。RFID是一種利用電磁能量實(shí)現(xiàn)自動識別和數(shù)據(jù)捕獲的技術(shù)，可以提供無人看管的自動監(jiān)視與報告作業(yè)，而物聯(lián)網(wǎng)就是把傳感器裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道以及家用電器等各種真實(shí)物體上，通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來，進(jìn)而運(yùn)行特定的程序，達(dá)到遠(yuǎn)程控制或者實(shí)現(xiàn)物與物的直接通信［1－3］。因此，筆者以RFID技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的景區(qū)觀光車跟蹤及管理系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和觀光車管理系統(tǒng)相結(jié)合，通過在觀光車上放置RFID電子標(biāo)簽，景區(qū)道路兩旁及各主要建筑上安置有低成本、低功耗的RFID讀卡器節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)景區(qū)觀光車管理的智能化和無人化管理。

1 系統(tǒng)基本組成

本系統(tǒng)由智能RFID讀寫設(shè)備、RFID網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、中心服務(wù)器組成，其系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

1）智能RFID讀寫設(shè)備包括RFID電子標(biāo)簽及RFID讀卡器節(jié)點(diǎn)。RFID電子標(biāo)簽貼于校園景區(qū)觀光車車座底部，RFID讀卡器節(jié)點(diǎn)均勻安放于道路兩旁。

2）RFID網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備為RFID網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立RFID監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，同時各RFID讀卡器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測到的景區(qū)觀光車信息通過簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送出去［4－5］。

3）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備是由3G網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備、WLAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備及路由器構(gòu)成，完成各數(shù)據(jù)到中心服務(wù)器的傳輸。

4）中心服務(wù)器包括多臺PC機(jī)，監(jiān)測中心PC機(jī)上運(yùn)行著相應(yīng)監(jiān)測軟件，可以實(shí)時觀測到觀光車的位置信息，用戶可通過手機(jī)和以太網(wǎng)方便地聯(lián)入數(shù)據(jù)庫，輕松找到觀光車在景區(qū)的位置［6－7］。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)工作流程與設(shè)計思想

2.1 工作流程

當(dāng)貼有RFID電子標(biāo)簽的觀光車在景區(qū)里行駛時，放置在道路兩旁的RFID讀卡器節(jié)點(diǎn)可以接收到其返回的相關(guān)信息并傳輸給監(jiān)測中心PC機(jī)，工作人員在監(jiān)測中心PC機(jī)上借助相應(yīng)監(jiān)測軟件可以實(shí)時觀測到觀光車的位置信息。當(dāng)觀光車需要?dú)w還與借用時，只需在景區(qū)觀光車借還點(diǎn)進(jìn)行個人身份的電子認(rèn)證即可進(jìn)行歸還與借用操作，無需人工登記。并且當(dāng)景區(qū)觀光車沒有及時歸還時，工作人員借助手機(jī)接入中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，可以迅速找到景區(qū)觀光車。

2.2 設(shè)計思想

當(dāng)有觀光車借出或歸還時，借還點(diǎn)將觀光車ID號及操作者的信息通過3G網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備或WLAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送到監(jiān)測中心PC機(jī)。當(dāng)讀卡器節(jié)點(diǎn)檢測到觀光車時，將自己的地址及景區(qū)觀光車的ID號以及與觀光車的距離發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)處若沒有無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，則通過3G網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送到監(jiān)測中心PC機(jī)；如果有無線局域網(wǎng)覆蓋，則通過WLAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送到監(jiān)測中心PC機(jī)。遠(yuǎn)程客戶可通過以太網(wǎng)訪問監(jiān)測中心PC機(jī)，查詢各景區(qū)觀光車借還點(diǎn)觀光車數(shù)量、個人借還車情況以及觀光車的位置。手機(jī)客戶可通過GPRS Modem訪問監(jiān)測中心PC機(jī)查詢相關(guān)信息。具體工作過程如圖2所示。

圖2 工作過程框圖

2.3 系統(tǒng)整體運(yùn)行分析

1）系統(tǒng)開始運(yùn)行時，簇頭節(jié)點(diǎn)廣播建立網(wǎng)絡(luò)信息，各讀卡器節(jié)點(diǎn)根據(jù)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離分別加入到不同的簇；

2）簇內(nèi)各讀卡器節(jié)點(diǎn)將自己的地址信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)；

3）當(dāng)有觀光車從景區(qū)借還點(diǎn)借出或歸還時，借還點(diǎn)通過3G網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備或WLAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備將相關(guān)借還信息發(fā)送給監(jiān)測中心PC機(jī)；

4）當(dāng)有觀光車通過時，監(jiān)測到觀光車RFID標(biāo)簽的讀卡器節(jié)點(diǎn)根據(jù)RSSI值計算觀光車到自己的距離，然后將自己的地址、監(jiān)測到的景區(qū)觀光車ID和觀光車到自己的距離發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)；

5）簇頭節(jié)點(diǎn)計算觀光車的位置后通過3G網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備或WLAN網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送到監(jiān)測中心PC機(jī)；

6）遠(yuǎn)程用戶和移動手機(jī)用戶可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)訪問監(jiān)測中心PC機(jī)查詢借還點(diǎn)觀光車數(shù)量、觀光車位置和個人借還車等信息。

景區(qū)觀光車管理系統(tǒng)如圖3所示。

3 跟蹤定位的實(shí)現(xiàn)

3.1 定位算法

系統(tǒng)采用三邊測量法及RSSI算法來實(shí)現(xiàn)對景區(qū)觀光車的定位。

圖3 景區(qū)觀光車管理系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，已知A、B、C三個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D的距離分別為da，db，dc，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為（X，Y），則

由式（1）可以得到節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為

接收信號強(qiáng)度指示與距離存在一定的關(guān)系，通過運(yùn)算模型可得出傳輸距離。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所在環(huán)境的復(fù)雜性，無線信號的傳播會受反射、多徑傳播、非視距等因素的影響，因此采用對數(shù)－常態(tài)分布模型較合理。

圖4 三邊測量法示意圖

對數(shù)－常態(tài)分布模型

式中：P（d）為信號傳播距離d后的損耗，dBm；P（d0）為信號傳播距離d0后的損耗，dBm；n為傳播因子（常取2～5）；X為遮蔽因子，是一個均值為0，方差為σ（常取4～10）的正態(tài)隨機(jī)變量，dBm。

P（d0）可以通過無線電自由空間傳播模型計算得來。自由空間傳播模型為

式中：f是傳播信號頻率，MHz；d為距信源的距離，m，通常取d0＝1m。

節(jié)點(diǎn)接收到的信號強(qiáng)度

式中：Ps為信號的發(fā)射功率；Pa為天線增益；P（d）為路徑損耗。根據(jù)式（1）～ 式（5）可計算出D點(diǎn)位置。

3.2 過程分析

為了提高精度，保證路面滿足三度覆蓋條件，系統(tǒng)采用如圖5所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中，S1，S2，S3為讀卡器節(jié)點(diǎn)，S1S2＝S1S3＝S2S3，Ds為路面寬度，所以讀卡器節(jié)點(diǎn)之間的間距等于通訊半徑Rc＝2／Ds，n－n。按Dn－n布置好讀卡器節(jié)點(diǎn)后，人工測定各節(jié)點(diǎn)的位置，并儲存在讀卡器節(jié)點(diǎn)中。

根據(jù)建筑物周邊觀光車停放點(diǎn)的寬度Db，為保證其三度覆蓋，與路面定位類似，如圖6所示，沿建筑物周邊間隔布置讀卡器節(jié)點(diǎn)，并測定讀卡器節(jié)點(diǎn)位置儲存在節(jié)點(diǎn)中。

根據(jù)路面長度和建筑物的規(guī)模，每隔一定的距離布置一個簇頭節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)開始運(yùn)行后，簇頭節(jié)點(diǎn)廣播組網(wǎng)消息，各讀卡器節(jié)點(diǎn)收到該廣播后根據(jù)RSSI值計算到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離，選擇最近的簇頭節(jié)點(diǎn)加入，并將自己的坐標(biāo)、到簇頭的距離和地址發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)有觀光車通過或停放時，檢測到觀光車的讀卡器節(jié)點(diǎn)將自己的地址及監(jiān)測到的景區(qū)觀光車ID和景區(qū)觀光車到自己的距離發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)選擇3個相鄰讀卡器節(jié)點(diǎn)采用三邊定位法計算景區(qū)觀光車的坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)及景區(qū)觀光車ID發(fā)送給檢測中心PC機(jī)。

圖5 路面定位

圖6 建筑物定位

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