盛小寶，賈莉莉，魏峻

(公安部第三研究所 200031)

基于CSS技術(shù)的室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛小寶，賈莉莉，魏峻

(公安部第三研究所 200031)

針對(duì)室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛管理和安全管理的需要，利用CSS(Chirp spread spectrum，線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)，設(shè)計(jì)出車(chē)輛人員實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)多樓層全區(qū)域的實(shí)時(shí)精確定位，并準(zhǔn)確地將各個(gè)區(qū)域內(nèi)人員及車(chē)輛的動(dòng)態(tài)信息反映到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員可隨時(shí)動(dòng)態(tài)掌握人員、車(chē)輛的精確位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，便于合理調(diào)度管理。產(chǎn)品功耗低、具有遠(yuǎn)距離定位能力且精度高、支持深入開(kāi)發(fā)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有廣泛的應(yīng)用前景。

線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻;CSS;實(shí)時(shí)定位系統(tǒng);射頻識(shí)別技術(shù);停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市汽車(chē)保有量不斷攀升，原有的露天停車(chē)場(chǎng)、小型停車(chē)場(chǎng)已經(jīng)漸漸不能適應(yīng)車(chē)輛出行與保存的需要，交通樞紐停車(chē)場(chǎng)、P+R(Park and Ride，存車(chē)換乘)停車(chē)場(chǎng)、公交車(chē)隊(duì)停車(chē)場(chǎng)、和大型購(gòu)物中心停車(chē)場(chǎng)越來(lái)越多地建成室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)的模式。室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)建設(shè)方式上往往采取封閉/半封閉多層結(jié)構(gòu)，面積大，存放車(chē)型多，存車(chē)、尋車(chē)和車(chē)輛安全防范工作，經(jīng)常困擾車(chē)主和停車(chē)場(chǎng)管理人員。解決這些問(wèn)題，首先要迅速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)車(chē)輛位置，即對(duì)車(chē)輛進(jìn)行區(qū)域定位。傳統(tǒng)的GPS、北斗等衛(wèi)星定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境無(wú)法工作，圖像識(shí)別技術(shù)要求高清攝像機(jī)停車(chē)場(chǎng)全覆蓋，系統(tǒng)成本高且識(shí)別效果很容易受到環(huán)境光照影響，一般有源電子標(biāo)簽電池壽命短，定位精度低，有時(shí)甚至無(wú)法區(qū)分樓層。在信息化日益普及以及安全觀念日益強(qiáng)化的今天，如何采用先進(jìn)的信息化手段，有效管理車(chē)輛流動(dòng)，提升對(duì)車(chē)輛監(jiān)控手段，日益成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

本文在研究基于RFID(Radio Frequency Identification，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別)和CSS(Chirp spread spectrum，線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)的定位測(cè)距方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CSS技術(shù)的室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)區(qū)域定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)系統(tǒng)在場(chǎng)內(nèi)的試驗(yàn)測(cè)定證明了運(yùn)用CSS技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)停車(chē)場(chǎng)高精度定位的可行性。

1 CSS技術(shù)

CSS(Chirp spread spectrum，線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)以前主要用于脈沖壓縮雷達(dá)，該技術(shù)能夠很好的解決雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)距長(zhǎng)度和測(cè)距精度不能同時(shí)優(yōu)化的矛盾［1］。2006年10月，IEEE委員會(huì)在802.15.4a的物理層草案中把CSS技術(shù)列為標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)技術(shù)在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用受到進(jìn)一步關(guān)注。CSS技術(shù)是由Chirp信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的，從信號(hào)特征上來(lái)說(shuō)，CSS信號(hào)是一種擴(kuò)頻信號(hào)，在一個(gè)Chirp信號(hào)周期內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出線(xiàn)性調(diào)頻的特性，信號(hào)頻率隨著時(shí)間的變化而線(xiàn)性變化。Chirp信號(hào)的頻率在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)會(huì)“掃過(guò)”一定的帶寬，所以Chirp信號(hào)又被形象地稱(chēng)為“掃頻信號(hào)”。因?yàn)镃SS的頻帶較寬，特別適合在室內(nèi)多徑信道中使用。

CSS技術(shù)具有很強(qiáng)的多徑分辨能力、抗噪音能力，受頻率偏移影響小，發(fā)射的瞬時(shí)功率低，發(fā)生器件成本低，傳輸距離比較遠(yuǎn)等特點(diǎn)［2］，因此在無(wú)線(xiàn)定位方面具有廣泛的應(yīng)用前景。目前有多種定位系統(tǒng)，如ZigBee、WiFi等。任何定位系統(tǒng)需要獲取鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離［3］。ZigBee等采用測(cè)算節(jié)點(diǎn)之間連接信號(hào)強(qiáng)度的方法，利用無(wú)線(xiàn)信號(hào)的空間傳輸衰減模型估算出節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離。根據(jù)ZigBee的衰減模型，30 m以?xún)?nèi)能夠進(jìn)行大約5米級(jí)的距離分辨，80 m以?xún)?nèi)能進(jìn)行10米級(jí)的分辨，而80 m以外信號(hào)波動(dòng)已經(jīng)無(wú)法識(shí)別，實(shí)際應(yīng)用中這些值將都有所降低，同時(shí)由于ZigBee等系統(tǒng)只有幾兆帶寬，頻譜密度高，極易受到外界干擾，同時(shí)天氣變化也會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度測(cè)算，導(dǎo)致嚴(yán)重偏離運(yùn)算模型，定位精度極差。CSS系統(tǒng)采用SDS－TWR的測(cè)量方法［4］，獲取雙向傳輸?shù)臅r(shí)間，進(jìn)而獲取節(jié)點(diǎn)距離。CSS系統(tǒng)采用了80 M帶寬，能夠很好地低于環(huán)境干擾，脈沖系統(tǒng)具有精準(zhǔn)的到達(dá)時(shí)間計(jì)算能力，具有良好的抗干擾性及抗多路徑效應(yīng)能力，容易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，應(yīng)用中實(shí)際測(cè)距精度可以達(dá)到1米左右。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于CSS技術(shù)的室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)具備區(qū)域人員、車(chē)輛信息識(shí)別、記錄、定位等功能，由硬件設(shè)備及軟件系統(tǒng)組成。硬件設(shè)備包含RFID/CSS有源定位電子標(biāo)簽、有源定位讀寫(xiě)器、發(fā)卡器等;軟件系統(tǒng)包括用于車(chē)輛、人員定位的應(yīng)用軟件及中間件數(shù)據(jù)處理軟件。車(chē)輛和人員攜帶或粘貼特定電子標(biāo)簽進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和運(yùn)動(dòng)軌跡描繪。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖1)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 硬件設(shè)備構(gòu)成

系統(tǒng)硬件設(shè)備組成分為四部分:數(shù)據(jù)采集單元包含RFID/CSS讀寫(xiě)器、發(fā)卡器和標(biāo)簽;數(shù)據(jù)傳輸單元包含網(wǎng)絡(luò)交換機(jī);數(shù)據(jù)處理單元包含數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器;監(jiān)管單元包含監(jiān)管端PC外設(shè)報(bào)警器等。

2.1.3 軟件設(shè)備構(gòu)成

系統(tǒng)軟件組成分為系統(tǒng)定位監(jiān)控軟件和中間件兩部分。

系統(tǒng)定位監(jiān)控軟件:提供圖形化的監(jiān)控管理工具，可實(shí)時(shí)查詢(xún)?nèi)藛T、車(chē)輛的位置、狀態(tài)、移動(dòng)軌跡及事件顯示。采用目前行業(yè)中主流的開(kāi)發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，系統(tǒng)可根據(jù)客戶(hù)需求定制開(kāi)發(fā)采用CS和BS架構(gòu)。

中間件:與系統(tǒng)中的讀寫(xiě)器設(shè)備進(jìn)行通訊、監(jiān)測(cè)讀寫(xiě)器設(shè)備的狀態(tài)并通過(guò)讀寫(xiě)器讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，使用定位算法計(jì)算標(biāo)簽所在的區(qū)域和標(biāo)簽狀態(tài)信息。根據(jù)配置的業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則，產(chǎn)生各種類(lèi)型的事件信息。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 前端信息采集

前端信息采集設(shè)備包括RFID/CSS讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽等，人員/車(chē)輛電子標(biāo)簽通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式遠(yuǎn)距離傳輸?shù)絉FID/CSS讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器通過(guò)有線(xiàn)傳輸至監(jiān)控中心。

2.2.2 信息網(wǎng)絡(luò)傳輸

監(jiān)控中心的監(jiān)控管理服務(wù)器以及監(jiān)管計(jì)算機(jī)之間的信息通過(guò)專(zhuān)用局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸。信息采集設(shè)備將采集到的信息通過(guò)專(zhuān)用局域網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

2.2.3 定位監(jiān)控功能

系統(tǒng)具備人員/車(chē)輛定位監(jiān)控的能力，軟件系統(tǒng)的功能應(yīng)包含:界面登陸功能、權(quán)限設(shè)定功能、定位監(jiān)管功能、日志功能、統(tǒng)計(jì)分析、告警功能和系統(tǒng)設(shè)置功能。

(1)登陸界面。采用主菜單—子菜單形式提供;主要分為人員信息管理，權(quán)限設(shè)定功能，人員監(jiān)管功能，日志功能，統(tǒng)計(jì)分析功能，告警通知功能，系統(tǒng)設(shè)置。

(2)權(quán)限設(shè)定。系統(tǒng)功能權(quán)限設(shè)定可進(jìn)行不同級(jí)別人員，所能使用功能的設(shè)定;人員訪問(wèn)區(qū)域權(quán)限設(shè)定是按照不同類(lèi)型的人員，針對(duì)不同級(jí)別的人員，進(jìn)行信息的錄入，修改，刪除和必要條件的查詢(xún)。

(3)定位監(jiān)管。對(duì)監(jiān)控對(duì)象(人員、車(chē)輛)進(jìn)行分層次、分類(lèi)型的顯示與管理?？稍谖锢砥矫鎴D上查詢(xún)顯示人員的當(dāng)前位置，可在物理平面圖上動(dòng)態(tài)顯示;人員、車(chē)輛移動(dòng)軌跡監(jiān)管功能:可查詢(xún)?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)，某個(gè)指定人員的移動(dòng)軌跡;可使用平面示意圖結(jié)合表格形式進(jìn)行顯示。

(4)日志查詢(xún)。一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)使用系統(tǒng)的人員、車(chē)輛所用功能進(jìn)行記錄，查詢(xún)。以一覽表格形式表現(xiàn)。日志數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)刪除。

(5)統(tǒng)計(jì)分析。可根據(jù)用戶(hù)需求定制報(bào)表Excel模板，以表格形式在此Excel模板中顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并以同樣形式在系統(tǒng)中展示。采用此種方式，可以在控制相應(yīng)成本的基礎(chǔ)上，較為完善的提供統(tǒng)計(jì)工具。用戶(hù)可在Excel輸出結(jié)果中進(jìn)行柱狀/餅狀圖的手工轉(zhuǎn)換;提供日、月、年及自定義時(shí)段的，人員、車(chē)輛進(jìn)出頻率、數(shù)量、告警記錄、操作日志等統(tǒng)計(jì)。

(6)告警功能。設(shè)定人員、車(chē)輛發(fā)出告警的條件;觸發(fā)告警條件時(shí)，自動(dòng)彈出告警窗口;告警數(shù)據(jù)不能從系統(tǒng)中刪除;告警級(jí)別:系統(tǒng)告警分為緊急告警、重要告警、一般告警三類(lèi)，在此設(shè)定告警形式，內(nèi)容及所發(fā)出的對(duì)象;人員、車(chē)輛異常告警功能:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置中的人員、車(chē)輛告警條件，一旦觸發(fā)告警條件時(shí)，自動(dòng)彈出告警窗口。在此可對(duì)告警窗口彈出的對(duì)象和顯示內(nèi)容進(jìn)行設(shè)定;告警查詢(xún):實(shí)時(shí)告警查看、歷史告警查詢(xún)、告警分析等功能融為一體。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

3.1 系統(tǒng)原理

該物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)采用802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合RFID技術(shù)，運(yùn)用窄脈沖進(jìn)行精確的到達(dá)時(shí)間(TOA)運(yùn)算;根據(jù)定位讀寫(xiě)器的坐標(biāo)位置，確定移動(dòng)標(biāo)簽在定位場(chǎng)景中的位置。為實(shí)現(xiàn)人員、車(chē)輛定位系統(tǒng)的管理目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、車(chē)輛的位置定位、區(qū)域控制等功能，需要在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)布置定位讀寫(xiě)器，采用RFID/CSS定位技術(shù)，通過(guò)先進(jìn)的定位算法，計(jì)算出人員、車(chē)輛標(biāo)簽相對(duì)定位讀寫(xiě)器的位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的定位，并可以根據(jù)人員、車(chē)輛所通過(guò)定位喚醒器形成軌跡，對(duì)人員、車(chē)輛在區(qū)域內(nèi)的行動(dòng)事件查看，系統(tǒng)具有準(zhǔn)確判斷性、高效識(shí)別率、低功耗等特點(diǎn)。

雙向到達(dá)時(shí)間測(cè)算原理如圖2所示［5］。

圖2 雙向到達(dá)時(shí)間測(cè)算原理圖

信號(hào)單純的傳輸時(shí)間為d，則整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，產(chǎn)生了四次測(cè)量過(guò)程4d，以及2 次回復(fù)等待時(shí)間(TReply，A;TReply，B);所以單次測(cè)量時(shí)間計(jì)算如下［6］:

C為常量

由于 TRound，A，TRound，B，TReply，A，TReply，B均能夠板載晶振測(cè)量出來(lái)，故單次信號(hào)傳輸時(shí)間、傳輸距離也能夠計(jì)算出來(lái)。

當(dāng)電子標(biāo)簽?zāi)軌驕y(cè)量出與其中一個(gè)Anchor的距離時(shí)，即可根據(jù)下列的結(jié)構(gòu)，測(cè)出周邊Anchor距離;在電子標(biāo)簽獲取四個(gè)距離值后，通過(guò)數(shù)據(jù)搜集器傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)軟件，并進(jìn)行基于球面的數(shù)學(xué)運(yùn)算，所獲取的坐標(biāo)信息在客戶(hù)端軟件上顯示。定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)性能

本實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中能夠獲取以下指標(biāo):測(cè)距典型精度，室內(nèi)室外均為0.6米～2米;定位典型精度:室內(nèi)1米～2米，室外0.8米～2米。惡劣環(huán)境中精度可能有所降低。另外由于定位讀寫(xiě)器可實(shí)現(xiàn)分組管理，徹底解決停車(chē)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)竄層困擾。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

本文所采用的CSS定位解決方案可以避免通用有源RFID系統(tǒng)的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域精確定位，并及時(shí)、準(zhǔn)確地將各個(gè)區(qū)域人員及車(chē)輛的動(dòng)態(tài)信息反映到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，管理人員可隨時(shí)動(dòng)態(tài)掌握人員、車(chē)輛的精確位置及每個(gè)工作人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，便于合理調(diào)度管理。需要尋找特定人員或車(chē)輛時(shí)，相關(guān)人員可以根據(jù)定位系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解當(dāng)時(shí)相關(guān)的監(jiān)控對(duì)象位置情況，提高工作效率。同時(shí)CSS技術(shù)使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的抗干擾能力，產(chǎn)品功耗低、具有遠(yuǎn)距離定位能力且精度高、支持深入開(kāi)發(fā)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

表1 不同定位技術(shù)的比較

ZigBee定位、WiFi、RFID定位均是采用RSSI以及信號(hào)連接質(zhì)量來(lái)粗略判斷距離，其信號(hào)靈敏程度均在2DB左右［6］。ZigBee物理層基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于工業(yè)小數(shù)據(jù)量通訊與控制;WiFi主要應(yīng)用于室內(nèi)通訊。表1是針對(duì)不同技術(shù)的定位方案的比較［7］:

4 結(jié)束語(yǔ)

基于CSS技術(shù)的室內(nèi)大型多層停車(chē)場(chǎng)區(qū)域定位系統(tǒng)對(duì)停車(chē)場(chǎng)車(chē)輛人員管理和安全管理意義重大?？紤]不同應(yīng)用環(huán)境中，可能存在地形復(fù)雜、無(wú)線(xiàn)信號(hào)衰減嚴(yán)重、有線(xiàn)電纜鋪設(shè)困難而且造價(jià)高等問(wèn)題，目前大多人員與設(shè)備定位系統(tǒng)不僅功能簡(jiǎn)單，而且技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)較高，不能較好地應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程。基于CSS的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)采用總線(xiàn)/以太網(wǎng)系統(tǒng)與無(wú)線(xiàn)CSS網(wǎng)絡(luò)的方式，運(yùn)用獨(dú)有的CSS技術(shù)測(cè)量距離，可以實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)對(duì)人員、車(chē)輛的實(shí)時(shí)通信與位置監(jiān)測(cè)。比目前市場(chǎng)上的基于有源RFID、ZigBee及WiFi等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的定位系統(tǒng)具有更好的綜合性能。整個(gè)通信系統(tǒng)各功能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立，方便實(shí)際應(yīng)用與功能擴(kuò)展，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］ PINKNEY JQ，TR LABS，CALGARY UNIV，etal.A robusthigh speed indoor wireless communications system using chirp spread spectrum［C］.IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering，1999:84－86.

［2］張驍耀，王玫.基于CSS技術(shù)的室內(nèi)定位通信系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(13):49 －52.

［3］ 李曉維.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.

［4］張科帆，朱海霞，包建軍.基于CSS技術(shù)的井下精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2014，40(1):5 －8.

［5］盧東亮，俞慶生，梁廣玲，等.CSS定位技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2012，9(8):159 －160.

［6］張巖，魏書(shū)田，張守祥.啁啾擴(kuò)頻超寬帶技術(shù)的測(cè)距定位研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48(28):130 －134.

［7］ 王愛(ài)玲，盛小寶.RFID技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)物資出版社，2007.

Design and Im plementation of a Real-time Location System for the
Large Multi-storey Indoor Car Park Based on Chirp Spread Spectrum Technology

SHENG Xiao-bao，JIA Li-li，WEIJun
(No.3Research Institute of the Ministry of Public Security，Shanghai200031，China)

In view of the demand on car management and security management in large indoor multi-storey car parks，by using chirp spread spectrum(CSS)technology，we have designed and implemented a real-time location system for vehicles and personnel.It can realize precise real-time positioning over all indoor areason different floors，and accurately relay dynamic information about staff and vehicles in all the areas to the computer system，so that administratorsmay at any time know exact location and movement locus of personnel and vehicles for the purpose of reasonable dispatching.As it has low power consumption and accurate long-distance positioning capability and can support deeply developed complex network protocols，this product has a broad application prospect.

chirp spread spectrum;CSS;real-time location system(RTLS);radio frequency identification technology;Parking lot management system

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.010

TP216

A

1000－3886(2015)06－0030－03

定稿日期:2015－09－17

盛小寶(1979－)，男，江蘇大豐人，助理研究員，研究方向:無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘。 賈莉莉(1980－)，女，吉林人，副研究員，研究方向:圖像識(shí)別，數(shù)據(jù)挖掘。

魏峻(1971－)，男，上海人，助理研究員，研究方向:安防及弱電系統(tǒng)。