شتاب فناوری RFID با هوشمندسازی مدیریت پارکینگ ها
یافتن یک فضای پارکینگ خالی در طی ساعات شلوغی، یک مسئله رایج در بسیاری از شهرها است. برآورد می شود که 30 درصد ازدحام ترافیک روزانه در مناطق مرکز شهری، ناشی از جست و جوی فضای پارک برای خودروها بوده و اینکه راننده به طور متوسط 8 دقیقه را صرف یافتن فضای پارک می کند. حال راهکار چیست؟
این موضوع نه تنها موجب تلف شدن زمان و سوخت برای رانندگانی که در جست و جوی پارکینگ هستند می شود بلکه موجب افزایش آلودگی هوا و اذیت شدن رانندگان می شود. دستاوردهای اخیر در زمینه فناوری های اینترنت اشیاء (IoT)، فرصت هایی را برای توسعه سیستم های پارکینگ هوشمند جدید ایجاد کرده و به طور معنی داری موجب کاهش شلوغی ترافیک و بهبود کیفیت زندگی شهروندان می شود.
در میان فناوری های بی سیم نوظهور، شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) و شبکه های حسگر بی سیم (WSN)، دو مورد از مفیدترین کاندیداها برای اجرای یک محیط هوشمند کامل می باشند. به خصوص، RFID یک فناوری کم هزینه و کم مصرف می باشد که متشکل از دستگاه های غیر فعال موسوم به تگ می باشند که قادر به انتقال داده های ذخیره شده در زمانی می باشند که انرژی آنها توسط میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط یک قطعه موسوم به قرائتگر تامین شود. چون تگ های RFID غیر فعال نیازی به منبع انرژی ندارند؛ طول عمر آن ها را می توان بر حسب دهه اندازه گیری کرد و این موجب شده است تا فناوری RFID برای بسیاری از سناریو های نرم افزاری مناسب باشد. با این حال، مشکل اصلی مربوط به فناوری RFID ناشی از این حقیقت است که تگ ها می توانند تنها تحت منطقه تحت پوشش قرائتگر کار کنند که این موجب می شود تا استفاده از این راه حل محدود به شناسایی شیء در مناطق کوچک باشد. تلفیق فناوری های RFID و WSN می توانند یک رویکرد مناسب برای غلبه بر این محدودیت باشند و به این ترتیب، امکان توسعه برنامه های پیشرفته نسل آینده را می دهند. اساسا، WSN ها متشکل از تعداد زیادی از دستگاه های تعبیه شده کم توان موسوم به گره های حسگر است که قادر به خود پیکربندی و خود سازمان دهی می باشند. این ویژگی ها موجب می شوند تا آنها برای استفاده در محیط های نامساعد به منظور پوشش دادن پارامترهای مهم (برای مثال دما، نور، رطوبت و غیره) بدون مداخله انسان مناسب باشند. داده های جمع آوری شده معولا در حالت چند نقطه به یک نقطه مرکزی برای استفاده و پردازش مناسب تحویل می شوند.
اگرچه RFID و WSN در ابتدا با اهداف مختلفی طراحی شدند، مزایای ناشی از هر دو فناوری حاکی از توسعه یک راه حل یکپارچه در لایه فیزیکی به منظور ترکیب قابلیت شناسایی فناوری RFID و ویژگی های برقراری ارتباط پیشرفته راه حل های WSN می باشد. این ویژگی می تواند به طور قابل توجهی، اثر بخشی هر دو فناوری را بهبود بخشد و از این روی چشم اندازهای جدیدی را برای طیف وسیعی از برنامه های نوین نظیر راه حل های پارکینگ هوشمند در اختیار بگذارد.
در طی سالهای اخیر، چندین رویکرد با هدف بهبود مدیریت پارکینگ پیشنهاد شده است. بسیاری از آنها بر مبنای استفاده از سیستم های اطلاعات (PGI) و هدایت پارکینگ هوشمند می باشند که قادر به ارائه اطلاعاتی به رانندگان در خصوص مکان و قابلیت دسترسی فضا های پارک ماشین و راهنمایی آنها به نقاط خالی پارکینگ می باشد. بهره برداری و عملکرد مناسب این سیستم ها بر مبنای استفاده از سنسورهایی است که قادر به شناسایی و تشخیص حضور خودروهای واقع در مجاورت فضا های پارکینگ می باشند. سنسورهای دوربین برای جمع آوری اطلاعات مربوط به محل پارک خودرو استفاده می شوند. با این حال این ابزارها معمولا تولید حجم زیادی از داده ها می کنند که انتقال آنها در شبکه های بی سیم سخت است. بر عکس، فناوری WSN یک گزینه ایده آل برای اجرای سرویس های پارکینگ هوشمند می باشد زیرا سنسورها را به آسانی می توان در فضاهای پارکینگ موجود بدون نصب اجزای جدید مورد استفاده قرار داد. به علاوه، اطلاعات پارکینگ دریافت شده توسط هر گره می توانند در یک حالت مشترک به منظور ارزیابی شاخص های مهم نظیر زمان پارکینگ، صورت حساب و پرداخت پردازش شوند. محققان از گره های WSN مجهز به یک سنسور نوری برای تشخیص وضعیت هر نقطه از پارکینگ در محیط خانگی و برای انتقال اطلاعات برگرداننده شده به سرور وب از طریق WSN استفاده کردند. اطلاعات همچنین به یک سرور مرکزی با استفاده از شبکه WiFi ارسال شده و برای رانندگان از طریق یک تلفن موبایل قابل دسترس خواهد بود. محققان، یک طرح تشخیصی را با استفاده از اندازه گیری مغناطیس سنج پیشنهاد کردند که قادر به مسیریابی فضاهای پارکینگ موجود در مناطق عمومی در زمان دقیق و ارسال اطلاعات به کاربران می باشد. به علاوه، یک سیستم پارکینگ هوشمند مبتنی بر رزرو، که نه تنها اطلاعات زمانی پارکینگ را به راننده انتقال می دهند، بلکه سرویس رزرو را در اختیار می گذارد.
با این حال، تا کنون هیچ یک از سیستم های پارکینگ ارائه شده در منابع قادر به شناسایی استفاده های غیر مجاز از فضاهای رزرو نبوده اند. اغلب رانندگان که با کمبود فضای پارکینگ در مناطق کلان شهری بزرگ اذیت می شوند، از نقاط پارکینگ رزرو شده برای افرادی نظیر افراد معلول یا ماموران اجرای قانون استفاده می کنند. معرفی یک سیستم مدیریت پارکینک جدید که نه تنها کاربران را به سمت نقاط خالی پارکینگ هدایت می کند، بلکه به ماموران ترافیک امکان پایش و کنترل دقیق وضعیت فضاهای پارکینگ رزرو شده را می دهد، می تواند به طور قابل توجهی موجب بهبود کیفیت زندگی شهروندان شود. به علاوه، توانایی کاربر برای پرداخت اتوماتیک برای فضای پارکینک اشغال شده بایستی به عنوان یک ویژگی سیستم مرکزی باشد چرا که به کاربر امکان کار با یک برنامه را داده و در عین حال، ماموران ترافیک را قادر به انجام کنترل ها در زمان مقرر می کند.
برای رفع این نیاز ها، یک سیستم پارکینگ هوشمند بر اساس فناوری های نوین مختلف نظیر RFID ،WSN و NFC (ارتباط حوزه نزدیک) و تلفن موبایل، برای پایش و مدیریت خودکار فضاهای پارکینگ در این مقاله معرفی می شود. این سیستم موجب تقویت کارکرد های WSN استاندارد از طریق استفاده از گره های شبکه پیشرفته می شود که قابلیت های شناسایی RFID-UHF و سنجش/ ارتباط WSN را دارا می باشد. این سیستم در زمان واقعی، قادر به جمع آوری اطلاعات در مورد وضعیت اشغال فضاهای پارکینگ ( رزرو شده یا رزرو نشده) و هدایت رانندگان به سمت نزدیک ترین نقطه خالی پارکینگ با استفاده از یک برنامه سفارشی مخصوص طراحی شده برای دستگاه های موبایل نظیر تلفن های هوشمند، تبلت ها و غیره می باشد. این برنامه به کاربران امکان پرداخت هزینه فضای پارکینگ اشغال شده را می دهد و به طور کامل از روند افزایشی پرداخت موبایلی نزدیک (MPP) بهره می برد به طوری که بیش از 50 درصد تلفن های موبایل ، NFC را پشتیبانی خواهند کرد. به علاوه، در صورت استفاده نامناسب از یک فضای رزرو شده یا انقضای زمان خرید، سیستم فورا قادر به اطلاع رسانی به پلیس ترافیک مجهز به یک تلفن هوشمند متصل به یک قرائتگر RFID-UHF قابل حمل کوچک می باشد.
معماری سیستم در پارکینگ هوشمند
سیستم پارکینگ هوشمند پیشنهادی (SPS) نه تنها از ترکیبی از فناوری های نوین مختلف استفاده می کند، بلکه در آن تلفیق فیزیکی از فناوری های RFID-UHF و WSN دیده می شود. در زیر، معماری کلی که در شکل 1 نشان داده شده است توصیف می شود.
الف) نگاهی کلی بر معماری SPS
اساس، SPS سرویس های جدید و نوآورانه را برای نظارت خودکار بر فضاهای پارکینگی که هزینه آنها پرداخت شده است از طریق استفاده از WSN مبتنی بر IEEE 802.15.4 ارائه می کنند که قادر به جمع آوری و انتقال داده ها به یک سرور مرکزی می باشد. یک برنامه سفارشی در سرور، اطلاعات دریافتی را تجزیه و تحلیل کرده و یک پیام هشدار را به برنامه موبایل پلیس ترافیک در صورت استفاده غیر مجاز از فضای رزرو شده یا انقضای رسید پارکینگ ارسال می کند. رانندگان همچنین می توانند از سیستم برای پرداخت هزینه استفاده کنند. زیر ساخت سیستم، متشکل از WSN ها، درگاه هوشمند (SG)، سرور مرکزی (CS) و دو برنامه موبایل مختلف موسوم به Parking App و Policeman App, می باشد که به ترتیب برای رانندگان خودرو و پلیس های ترافیک طراحی شده است.
اجزای اصلی شبکه Zigbee شامل گره های روتر(R) و کوردیناتور(C) می باشند (جدول 1). گره های R، قابلیت های هدایت و مسیریابی را در اختیار می گذارند، در حالی که گره C، داده های دریافتی را جمع آوری کرده و آنها را به سرور مرکزی ارسال می کند. در سیستم یکپارچه RFID-WSN، نوع گره قرائتگر روتر(RR) معرفی شده است که یک گره R رابط را با قرائتگر RFID-UHF شناسایی می کند.
سیستم طراحی شده متشکل از یک WSN با چندین گره R و RR توزیع شده در منطقه پارکینگ می باشد. به خصوص، گره های R مجهز به یک سنسور نوری بر روی هرپارکینگ برای پایش وضعیت آن قرار داده می شود، در حالی که گره های RR بر روی ستون های نزدیک به فضاهای پارکینگ رزرو شده نصب می شوند. اطلاعات بازیابی شده توسط گره ها در حالت چند هاپ به گره C تحویل داده می شوند که آنها را به SG ارسال می کند. این مورد آخر، به نوبه خود، داده های جمع آوری شده را تحلیل کرده و آنها را همراه با موقعیت منطقه پارکینگ، به CS ارسال می کند. SG یک شیوه NFC را برای نهایی سازی پرداخت هزینه پارکینگ توسط کاربر فراهم می کند.
شکل 1: معماری پیشنهادی سیستم پارکینگ هوشمند بر بنای تلفیق فناوری های UHF RFID و WSN
جدول 1: انواع گره های تشکیل دهنده سیستم SPS
| نوع گره | |
| R | گره مسیر یاب |
| C | گره کوردیناتور |
| RR | گره قرائتگر روتر (روتر قرائتگر) |
وظیفه اصلی گره های RR، کنترل این مورد است که فضاهای پارکینگ رزرو شده تنها توسط ماشین های مجازی اشغال می شوند که دارای برچسب RFID-UHF می باشند. به طور خلاصه، وقتی که CS اطلاعات مبنی بر این که فضای پارکینگ رزرو شده، اشغال شده است را دریافت می کند، کنترل می کند که آیا تگ RFID جدید توسط گرهRR مسئول کنترل آن فضای رزرو شده خاص، خوانده شده است یا نه و در چنین مواردی، مجاز بودن اشغال فضا را تایید می کند. CS یک دیتابیس دارد که اطلاعات زیاد در مورد موجود بودن فضای پارکینگ و پرداخت های کاربر را مدیریت می کند. در صورت استفاده نامناسب از فضای رزرو شده یا انقضای رسید پارکینگ، یک برنامه پایش پارکینگ بر روی CS، به پلیس ترافیک که از برنامه پیام رسانی ابری گوگل استفاده می کند (GCM) اطلاع می دهد.
ب) توپولوژی شبکه بی سیم
به منظور توسعه همه اجزای WSN علاوه بر گره های RR یکپارچه، صفحه سنسور XM1000 ادونتیکسیس استفاده شده است. این صفحه دارای فرستنده/گیرنده بی سیم CC2420 متناسب با استاندارد IEEE 802.15.4 می باشد. MCU برای ارائه عملکرد بالا با مصرف توان بسیار پایین بهینه سازی می شود. به علاوه در این صفحه، سنسورهای دمایی، رطوبتی و نوری وجود دارد.
دیگر جزء کلیدی سیستم، گره RR نشان داده شده در شکل 2 است. این گره با اتصال قرائتگر RFID به صفحه سنسور XM1000 اجرا می شود. قرائتگر انتخاب شده، که به آسانی با صفحه XM1000 از طریق رابط UART قابل پیکربندی و کنترل است. قرائتگر از دستورات استاندارد Read/Write Gen2 برای خواندن/نوشتن داده ها از حافظه تگ و نیز به حافظه تگ با فاصله تقریبا 8 متر پشتیبانی می کند. گزینه استفاده از تجهیزات سخت افزاری RFID که در دامنه فرکانس 860 مگاهرتز تا 960 مگاهرتز کار می کنند، از هرگونه تداخل احتمالی با دستگاه های WSN انتخاب شده اجتناب می کند.
سیستم عامل OS برای توسعه نرم افزار برای گره های WSN انتخاب شده است. این یک سیستم عامل متن باز (Open source) محبوب است که در معماری های میکروکنترلگر کوچک استفاده شده است. این سیستم دارای حافظه بسیار کارآمدی بوده و مجموعه ای از مکانیسم های مفید را برای تخصیص حافظه ارائه می کنند.
ج) درگاه هوشمند
درگاه هوشمند، وضعیت فضای پارکینگ را از WSN دریافت کرده، سپس این داده ها را تجزیه تحلیل و به سرور مرکزی ارسال می کند که مجهز به یک قرائتگر NFC می باشد و این امکان صدور صورت حساب را که در بخش بعد توصیف شده است می دهد.
شکل 2: گره RR که یک قرائتگر ( قرائتگر) RFID-UHF در آن تعبیه شده است. شکل 3: درگاه هوشمند با ماژول GPRS، NFC خوان و گره C
در این مطالعه، SG که در شکل نشان داده شده 3 است، با ارتباط یک مدار Rasperry PI به گره C ایجاد می شود. این مدار مجهز به یک ماژول GPRS، یک ماژول GPS و قرائتگر 13.56 مگاهرتزی چند پروتکل SCL3711 بوده است.
به منظور تجزیه تحلیل داده های فضای پارکینگ ارسال شده از طریق WSN، برنامه Standalone Java Application(SJA) اجرا و بر روی SG نصب شده است. این برنامه، داده های دریافتی از گره ها را با استفاده از jNetPcap SDK جمع آوری کرده، بسته بندی و آنها را به CS از طریق درخواست های RESTful با استفاده از اجزای Apache HTTP ارسال می کند.
ت) سیستم صدور صورت حساب
ما یک سیستم صدور صورت حساب جدید را بر اساس پرداخت های پیشرفته که از دستگاه های شخصی مشتری برای ارسال اطلاعات صدور صورت حساب استفاده می کند را طراحی کردیم. پرداخت های موبایلی نزدیک MPP، مفیدترین سرویس پرداخت می باشد که در سال های آینده رشد زیادی خواهد داشت. پیش بینی می شود که در 2018 ، یک دوم موبایل ها، دارای پشتیبانی MPP باشند. MPP برای مشتریان ایمن، جذاب و راحت بوده و از این روی موفقیت زیادی را کسب کرده است.
NFC، یک فناوری پشتیبانی کننده MPP است. NFC امکان استفاده از تلفن موبایل را به عنوان کارت اعتباری بدون تماس می دهد. وقتی که تلفن موبایل NFC در یک دامنه کوتاه (2-3 سانتی متری) از یک پایانه فروش NFC قرار می گیرد، یک لینک RF بین دو سرویس ایجاد می شود. گوگل، احتمالا یک نام برتر در دنیای NFC به دلیل تلاش های انجام شده توسط غول فناوری اطلاعات در ارائه ویژگی های NFC قوی، مقرون به صرفه و قابل تنظیم در تلفن های موبایل هوشمند می باشد. معمولا، کارت ها با یک تراشه مجزا در دستگاه، که موسوم به " المنت ایمن" (SE) است شبیه سازی می شوند.
برای این کار، ما سیستم IDA-Pay را به منظور پشتیبانی از فناوری HCE جدید توسعه دادیم. در شکل 4، معماری زیر سیستم صدور صورت حساب نشان داده شده است.
برنامه Parking App، از طریق استفاده از پارادایم آندروید Intent-Filter با برنامه IDA-Pay تماس برقرار می کند. IDA-Pay می تواند با درگاه هوشمند ارتباط برقرار کرده و اقدام به مبادله واحدهای داده های پروتکل برنامه کند. در پایان فرآیند پرداخت، یک تائیدیه بسته بندی شده و برنامه پارکینگ Parking App مجددا ظاهر می شود. زیر سیستم صدور صورت حساب متشکل از چهار بخش اصلی است:
1- NFC موبایل کاربر
2- درگاه هوشمند با یک پایانه POS IDA-Pay
3- یک سرور پردازنده پرداخت شخص ثالث
4- شبکه های پرداخت اختصاصی
شکل 4: معماری زیر سیستم پرداخت
ث) سرور مرکزی
سرور مرکزی (CS) هسته اصلی سیستم پیشنهادی است. این سرور مسئول جمع آوری داده ها و پردازش آنها، مدیریت سیستم و اجرای آن و کنترل رفتار کل سیستم است.
این مورد همچنین قادر به ارسال پیغام های فوری به دستگاه های موبایل با استفاده از پیام های ابری گوگل (GCM) می باشند. لازم به ذکر است که استفاده از GCM به جای سایر فناوری ها ( برای مثال GSM) به ما امکان برقراری ارتباط مستقیم با برنامه های موبایل را داده و از این روی می توان به همه اطلاعات در مورد فضاهای پارکینگ ذخیره شده در دیتابیس دست پیدا کرد. به خصوص، ما تصمیم گرفتیم تا از سرویس ابر SNS آمازون استفاده کنیم زیرا می تواند به طور یکپارچه از تعداد کمی تا صد ها پیام روزانه مقیاس بندی شود. این وضعیت در شهرهای بزرگ دیده نمی شود. به علاوه، این خود یک سطح انتزاعی را می افزاید که به برنامه نویسان امکان استفاده از API های یکسان را برای ارسال پیغام ها در پلت فرم های مختلف می دهد (برای مثال (IOS و آندروید). این یک ویژگی بسیار مهم متناسب با اصول مهندسی نرم افزار است. معماری کلی CS در شکل 5 نشان داده شده است.
ج) برنامه های موبایل
همان طور که قبلا گفته شد، SPS دو برنامه موبایل متفاوت یعنی Parking App و Policeman App را ارائه می کند. این برنامه ها بر روی سیستم عامل آندروید اجرا می شوند زیرا به طور کامل فناوری NFC را پشتیبانی می کند. به علاوه، SPS، سرویس های پرداخت مربوط به اکوسیستم IDA-PAY را مرتب می کند (یعنی SPS یکی از سرویس های استفاده کننده از IDA-PAY به عنوان یک پلت فرم پرداخت است). از این روی، برنامه IDA-PAY بایستی بر روی تلفن موبایل راننده نصب شود.
ویژگی های اصلی برنامه های موبایل طراحی شده شامل موارد زیر است:
● Parking App: به راننده امکان یافتن فضای قابل دسترس پارکینگ را در یک منطقه معین داده و جهات صحیح را برای رفتن به سمت نقطه پارکینگ انتخاب شده، پرداخت هزینه پارکینگ با استفاده از برنامه IDA-pay، کنترل زمان پارکینگ باقی مانده و دریافت پیغام در صورت انقضای زمان را می دهد.
● IDA-pay: از یک حافظه امن برای حفظ و بازیابی داده های کارت اعتباری استفاده می کند ( شکل 6). این جعبه داده در حافظه تلفن هوشمند قرار داده می شود.
● Policeman App: این نرم افزار بر روی دستگاه موبایل پلیس ترافیک نصب می شود. آنها مجهز به یک تلفن هوشمند متصل به یک قرائتگر RFID-UHF می باشند. این برنامه به پلیس ترافیک امکان کنترل پیغام های مربوط به تشخیص استفاده غیر مجاز از یک فضای رزرو شده را داده و خواندن مستقیم اطلاعات ذخیره شده در تگ RFID واقع در دستگاه و صدور هر گونه جریمه را می دهد.
شکل 7: سناریوهای ارزیابی که نشان دهنده تعامل میان راننده، درگاه هوشمند و پلیس ترافیک در زمانی که راننده دارای مجوز ویژه است
نتیجه گیری
در این مطالعه، یک سیستم پارکینگ هوشمند (SPS) بر اساس استفاده ترکیبی از چندین فناوری IoT جدید نظیر WSN ،RFID ،NFC و موبایل ارائه شده است. سیستم، از شبکه ناهمگن دستگاه های WSN مبتنی بر IEEE 802.15.4 و UHF RFID ترکیبی استفاده می کند که می توان از آنها در پارکینگ های بیرونی استفاده کرد. یک سرور مرکزی روشهای مدیریت دیتابیس پیشرفته و یک برنامه نرم افزار جاوای RESTful را اجرا می کند که به طور پیوسته قادر به پایش پارکینگ بوده و در صورت استفاده غیر مجاز از فضا یا انقضای رسید پارکینگ، فورا پیغام را به برنامه هوشمند نصب شده بر روی تلفن موبایل پلیس ترافیک ارسال می کند. یک برنامه موبایل دیگر به راننده ها امکان یافتن فضای خالی و پرداخت هزینه پارک را می دهد. توسعه این برنامه برای امکان افزایش سرعت پرداخت هزینه در دستور کار مطالعه و کارهای آینده ما قرار می گیرد.
