李澤恒 馮馨瑩 王玥 劉雅嵐 葉凱航

摘 ?要：針對高校校園非機(jī)動車輛出入庫安全和管理等問題，采用RFID（射頻識別）技術(shù)并結(jié)合STM32單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計了一個基于RFID的非機(jī)動車輛出入庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對用戶非機(jī)動車輛信息的錄入、出入庫識別、分配車位和短信提醒等功能，提高了非機(jī)動車輛出入庫的安全性和車庫管理的效率，具有較好的現(xiàn)實意義和一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：RFID;STM32;非機(jī)動車輛出入庫管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.4 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0182-04

Abstract：In view of the safety and management of the non motor vehicle in and out of the campus，a management system of the non motor vehicle in and out of the campus based on RFID （radio frequency identification）technology and STM32 single-chip microcomputer technology is designed，which realizes the functions of the users non motor vehicle information input，in and out identification，parking space allocation and SMS reminder，and improves the safety of the non motor vehicle in and out of the campus Integrity and efficiency of garage management have better practical significance and certain practical value.

Keywords：RFID;STM32;management system of non motor vehicle in and out

0 ?引 ?言

隨著校園面積不斷擴(kuò)大，非機(jī)動車輛如自行車、電動車等的數(shù)量也不斷增加，亂停亂放以及車輛失竊的事情屢屢發(fā)生，甚至每年一到畢業(yè)季，校園內(nèi)就會增加一批被遺留的自行車，造成“僵尸車墳場”現(xiàn)象，針對于非機(jī)動車輛的問題不斷增多，不僅會給在校學(xué)生正常停放車輛帶來麻煩，同時也給學(xué)校管理出了一道難題[1-3]。

為解決高校內(nèi)非機(jī)動車輛的出入庫安全及管理問題，本課題基于RFID技術(shù)，設(shè)計了一個非機(jī)動車輛出入庫管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，并采用STM32單片機(jī)作為控制器，結(jié)合現(xiàn)有的無線通信、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實現(xiàn)對非機(jī)動車輛的出入庫管理等功能。借助功能強(qiáng)大且資源豐富的STM32F103單片機(jī)來連接讀寫器并控制電子門的開關(guān)，由讀寫器讀取可移動電子標(biāo)簽的信息，通過Internet網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至后臺數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理。該系統(tǒng)通過RFID與STM32F103單片機(jī)的配合，實現(xiàn)了標(biāo)簽與車輛的一一對應(yīng)，和對車輛的車位分配，能夠有效保證非機(jī)動車輛進(jìn)出車庫的安全性，提高車輛管理的效率，防止外來車輛占用校內(nèi)資源，并減少車輛管理所消耗的人力和物力。

1 ?RFID技術(shù)簡介

RFID（Radio Frequency Identification）無線射頻識別技術(shù)，是指通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的通信技術(shù)，該技術(shù)能夠通過無線射頻信號自動遠(yuǎn)距離識別目標(biāo)，并快速、實時與準(zhǔn)確地采集和處理特定目標(biāo)的信息，可工作于各種惡劣環(huán)境中，如掃描條形碼或近距離刷近場通信NFC卡等。RFID技術(shù)從20世紀(jì)60年代發(fā)展至今，已經(jīng)初步形成RFID標(biāo)準(zhǔn)體系，并已投入教育、醫(yī)療、工廠和資源管理等領(lǐng)域開始使用[4]。

RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、標(biāo)簽、應(yīng)答器和后臺計算機(jī)組成。其中，RFID標(biāo)簽主要包括IC卡和天線，IC卡用于存儲和處理記錄，天線用于接收和發(fā)送標(biāo)志。

當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場并接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號后，便能通過感應(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），閱讀器讀取信息并解碼后，將其送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理[3-5]。

RFID系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其能實現(xiàn)安全通信和存儲，標(biāo)簽不僅有密碼保護(hù)，還可以與讀寫器進(jìn)行匹配認(rèn)證[4，5]，因此被廣泛應(yīng)用于企業(yè)供應(yīng)鏈管理中，提高了企業(yè)庫存跟蹤和管理的高效性[6]。

2 ?系統(tǒng)架構(gòu)

基于RFID的非機(jī)動車輛出入庫管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊通過安裝在電子門上的讀寫器讀取自行車上的標(biāo)簽信息，并將采集到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)由下位機(jī)，即數(shù)據(jù)采集器，通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。數(shù)據(jù)處理模塊將收集到的數(shù)據(jù)傳送到后臺數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計，最后把分析處理的結(jié)果反饋給下位機(jī)，以控制電子門的開關(guān)，并根據(jù)需要發(fā)送短信通知對應(yīng)的用戶和管理員。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

在車庫門口會放置一臺讀寫器設(shè)備，用來讀取車輛上面的標(biāo)簽信息，若讀取到標(biāo)簽信息并且驗證通過，電子門打開，同時屏幕上會顯示車已入庫的信息，后臺開始計時，車庫車輛總數(shù)加一，屏幕上會告知車主可以存放的位置，若車庫已滿則會提醒車主尋找最近的還有余位的車庫來存放車輛;當(dāng)車輛出庫時，屏幕上會顯示出庫成功和存放時間，車庫車輛總數(shù)減一，后臺會記錄各用戶的停放次數(shù)。車輛停留時間過長（在此三個月以上視為時間過長），會以發(fā)送短信的方式來提醒車主;若存放時間超過一定期限（在此一年視為清理期限），則會通知管理人員進(jìn)行清理，以防資源浪費(fèi)。

為了使同學(xué)們更有秩序地停放車輛，本設(shè)計還將車庫進(jìn)行分區(qū)管理，靠近車庫門口的位置作為獎勵車主的停放區(qū)域，主要分配給經(jīng)常使用且有秩序停車的車主，若有車主不按告知的位置進(jìn)行停放，將會損耗信用額度，并且若在區(qū)域內(nèi)檢測到非法停放的車輛，系統(tǒng)會向管理人員推送警報信息并發(fā)出警報聲，從而督促同學(xué)們規(guī)范停車。

3 ?系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 ?硬件組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件組成包括數(shù)據(jù)采集模塊、Wi-Fi模塊與GPRS模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由UHF超高頻電子標(biāo)簽、KL9001讀寫器和接收天線組成。KL9001讀寫器通過RS232接口與STM32F103單片機(jī)相連，利用串口USART3進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)后，STM32F103單片機(jī)通過串口與ATK-ESP8266相連，將數(shù)據(jù)傳送到后臺進(jìn)行統(tǒng)計，最后由SIM900A模塊發(fā)送短信通知用戶和管理員，系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1.1 ?數(shù)據(jù)采集模塊

將KL9001讀寫器工作模式設(shè)置為主動模式，使其一直處在查詢標(biāo)簽的狀態(tài)下，采集讀寫器范圍內(nèi)查詢到的EPC號。

3.1.2 ?Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊選用ATK-ESP8266模塊。ATK-ESP8266與STM32F103串口連接后將采集到的標(biāo)簽信息轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)包，通過Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)椒?wù)器端，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，匹配結(jié)束后，將匹配后的信息反饋回STM32F103控制電子門開關(guān)。

ATK-ESP8266模塊是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-Wi-Fi（串口-無線）模塊，串口設(shè)備只需簡單配置即可通過網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）傳輸數(shù)據(jù)，可以通過AT指令發(fā)送命令。該模塊不但支持兼容3.3 V和5 V單片機(jī)系統(tǒng)，還支持串口轉(zhuǎn)Wi-Fi STA、串口轉(zhuǎn)AP和Wi-Fi、STA+Wi-Fi、AP的模式，能快速構(gòu)建串口Wi-Fi數(shù)據(jù)的傳輸方案，方便設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。將工作模式設(shè)置為STA+AP后，模塊還可以通過路由器連接到網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的無縫切換。

3.1.3 ?GPRS模塊

GPRS模塊使用SIM900A作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的終端，通過RS232接口與STM32相連。因其供電范圍為3.2～ 4.8 V，所以可直接使用單片機(jī)上的電源來供電。SIM900A支持的頻段有GSM850、GPRS 900和1800 MHz，也可通過AT指令來控制SIM900A實現(xiàn)各種基于GSM的通信功能。

在本課題中，當(dāng)車庫內(nèi)傳感器檢測到車輛在同一位置停放時間過長且超過規(guī)定時間時，處理器將通過串口通信發(fā)送AT指令控制SIM900A，由SIM900A短信給車主，提示車主車輛停放時間過長。

AT指令不需區(qū)分大小寫，返回OK則證明工作正常，使用起來方便易上手。并且GPRS技術(shù)的傳輸距離幾乎是沒有限制的，有手機(jī)信號的地方就能通信，同時也可以把數(shù)據(jù)上傳互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理。

由于PDU模式需要先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，所以本系統(tǒng)選擇設(shè)置在文本模式下發(fā)送短信，設(shè)置步驟分為三步：

（1）設(shè)置發(fā)送模式：AT+CMGF=1（CMGF為0是以PDU模式發(fā)送，為1是以文本方式發(fā)送）;

（2）接收方電話號碼：AT+CMGS=“133xxxxxxxx”;

（3）輸入內(nèi)容：>Hello world！。

3.2 ?軟件功能實現(xiàn)

3.2.1 ?數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊每100 ms接受一次上機(jī)位讀寫器的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息比對，當(dāng)匹配結(jié)果為入庫時，電子門打開，LCD屏幕顯示用戶EPC號、在庫車輛數(shù)與停放位置;當(dāng)匹配結(jié)果為出庫時，電子門打開，LCD屏幕顯示用戶EPC號、在庫車輛數(shù)和停放時間，具體數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。

3.2.2 ?數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫的主要功能是記錄用戶的ID、停放時間、存放次數(shù)及區(qū)域的信息，以便車輛出入庫時進(jìn)行信息比對和管理聯(lián)系車主，確保用戶車輛的安全性。本系統(tǒng)后端采用SQLite數(shù)據(jù)庫分別構(gòu)建車輛管理信息庫和車輛出入庫信息庫。

車輛管理信息庫由車主對應(yīng)的EPC號、學(xué)號、電話號碼及寢室號構(gòu)成，通過學(xué)校學(xué)籍系統(tǒng)獲取學(xué)生的身份信息，并將學(xué)生信息錄入學(xué)生所分配到的RFID標(biāo)簽中，每個RFID標(biāo)簽都有唯一的EPC號，EPC號可作為車輛信息庫的主鍵。車輛出入庫信息庫由出入庫車輛的EPC號、入庫時間和出庫時間構(gòu)成。

本系統(tǒng)不僅會統(tǒng)計每個時刻的車輛出入庫信息，還計算車輛的出入庫頻率，按出入庫頻率高低給車主科學(xué)地分配停車區(qū)域，并定期生成可讀的日志文件，還會將存儲在數(shù)據(jù)庫中的所有用戶標(biāo)簽的EPC號按從小到大進(jìn)行排序，在檢索時采用二分查找法，以增加檢索效率。如需獲得車輛車主信息，只需通過車輛EPC號查詢車輛管理信息庫即可。

4 ?測試與結(jié)果

最后對本系統(tǒng)軟硬件做整體功能測試。系統(tǒng)測試結(jié)果如表1所示，是針對非機(jī)動車輛出入庫的測試結(jié)果：以貼防撕標(biāo)簽的20輛車作為測試對象，20輛車依次進(jìn)入車庫并記錄數(shù)據(jù)?！捌ヅ涑晒β省笔侵缸x寫器讀取標(biāo)簽信息傳送到后臺的數(shù)據(jù)庫后，判斷是否與數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的車主信息相吻合，即查看在數(shù)據(jù)傳輸過程中有無差錯;“車庫內(nèi)停留時間”是用來記錄車輛的存放時間，提醒管理人員對停留時間過長的車輛進(jìn)行及時處理;“現(xiàn)車庫內(nèi)余量”是指本車庫還能容納的車輛數(shù)，用來提醒車主車庫內(nèi)是否還有余量，以避免車主進(jìn)入車庫后找不到停放位置而亂停亂放。系統(tǒng)情況分析結(jié)果如表2所示，是針對不同情況下系統(tǒng)對開關(guān)門的判別。

通過測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在樣本較少的測量中準(zhǔn)確率可以達(dá)到100%，在各種可能出現(xiàn)的情況下也可以做出準(zhǔn)確的開關(guān)門動作。

5 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計了一個基于RFID的非機(jī)動車輛出入庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了非機(jī)動車輛的安全出入庫、分配車位和短信提醒等功能，提高了非機(jī)動車輛的安全性和管理效率。系統(tǒng)還可以有效分流校內(nèi)外車輛，并減少了車輛亂停亂放現(xiàn)象，給車輛的管理帶來便利。不過該系統(tǒng)目前還存在系統(tǒng)容量小，不能實現(xiàn)定位等不足。后續(xù)可以開發(fā)移動端APP程序等，讓車主可以在線實時查看自己車輛的停放位置與停放時間，另外，通過在校園內(nèi)主要路徑旁安裝讀寫器，可以實現(xiàn)車輛的小范圍定位等。

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作者簡介：李澤恒（1997-），女，漢族，山東德州人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。