CN110689732A - 一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统，所述系统包括网关、传感器节点和服务器，在停车场范围内组建LoRa无线传感器网络，并将传感器网络的数据上传至云端服务器；所述网关为手机传感器网络中所有节点的数据并整合后发送至服务器；所述传感器通过传感器获取当前的车位占用情况；所述服务器端接收来自多个网关的停车场数据处理后存储至相应的数据表中，同时服务器端负责向外界的开发者提供查询以及修改的接口，方便不同用户根据自己需求定制前端页面。本发明提供了一种耗较较低、信息传输时延较低和传感器方案较合理的基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统。

Description

一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统
技术领域
本发明属于物联网应用技术，基于LoRa技术里实现在停车场内组织单跳传感网络并结合低成本的电容式车位传感器来获取车位的占用信息并将车位的占用情况分享至互联网。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，我国的汽车保有量也在快速增长，2018年全国机动车保有量达到3.25亿量，相较于2017年增长1556万量，同时机动车驾驶人数量达到4.07亿人，2018年增长2236万人。如此的机动车数量增长同时也对车位的增长提出了更多的要求，但是相较于高速增长的机动车数量，城市基建所建设的停车位数量增长较缓，导致停车困难等问题。
同时，随着物联网技术的发展，用户对信息的即时性，可靠性提出了更高的要求，传统的停车场信息共享系统往往采用较落后的ZigBee技术来实现在停车场范围内的组网。ZigBee技术成熟，使用ZigBee技术的通讯芯片成本较低，一般为15-30元左右，但是由于ZigBee技术使用的ISM频段为2.4GHz，该ISM频段存在着大量的其他协议设备的干扰如WiFi，蓝牙等，同时受限与2.4GHz频段的物理限制，通讯距离较短，为了覆盖整个停车场范围往往需要使用多跳网络的形式来进行组网，使用多跳网络会对整个系统带来更高的延迟，以及更高的系统功耗，无法适应当前用户的需求。
其次，在过去的类似系统设计中使用的传感器方案较为极端，如检测精度非常高地磁传感器，该传感器通过对实现对地磁进行实时检测，当有大型的导体如汽车进入传感器范围内将会影响传感器周边的地磁场，通过检测到地磁的扰动可以判断当前的车位是否由车辆占用。该传感器精度高并且对停车场的应用范围有着极强的针对性，但是由于涉及到了对地磁的检测，对传感器的精度以及涉及难度极高，导致当前所有的地磁传感器价格居高不下。对于成本较低的传感器如距离传感器，光照传感器等，虽然技术成熟，成本低廉，但是对停车场的应用没有针对性，非常容易产生误判。因此目前拥有的停车场信息共享系统缺乏一种较为有效并且成本较低的一种传感器方案。
综上所述，传统的停车场信息共享系统主要存在功耗高，信息传输时延高以及传感器方案不合理的问题。
发明内容
为了克服已有停车场信息共享系统的功耗较高、信息传输时延较高和传感器方案不合理的不足，本发明提供了一种耗较较低、信息传输时延较低和传感器方案较合理的基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统，包括网关、传感器节点和服务器，在停车场范围内组建LoRa无线传感器网络，并将传感器网络的数据上传至云端服务器；
所述网关为手机传感器网络中所有节点的数据并整合后发送至服务器，网关同时连入无线传感器网络以及互联网，网关将会主动获取当前停车场内的停车位信息，由于LoRa网络采用的是单跳星型网络，所以网关直接采用轮询的方式查询所有节点的数据，判断各个车位是否被占用，并将所有传感器节点的数据整合后通过HTTP协议上传至相应的云服务器；
所述传感器通过传感器获取当前的车位占用情况，停车场需要预先在每个车位下安装电容传感器极板，节点接入停车场预置的极板，检测极板的充电时间来判断当前是否存在车辆与车位底部的极板形成电容；采用的测量电容器充电时间的方法为利用AVR单片机GPIO口上的输入寄存器，输入寄存器中存储的数据为当前GPIO外部引脚的实际逻辑电平值，当电容器极板上的电压处于上升状态时输入寄存器的值为逻辑0，当电容器极板上的电压接近5V时，输入寄存器中的值为逻辑1；记录电容器极板完全放电之后输入寄存器从逻辑0上升至逻辑1的时间即可；当网关查询该节点的数据时，节点将会判断当前车位是否被占用，并将测得的数据通过LoRa模块发送回网关；
所述服务器端接收来自多个网关的停车场数据处理后存储至相应的数据表中，同时服务器端负责向外界的开发者提供查询以及修改的接口，方便不同用户根据自己需求定制前端页面。
进一步，所述传感器节点中，单片机记录极板充电所用时间的算法步骤如下所示：
1)将输出寄存器设置为逻辑0；
2)将GPIO设置为输出模式，对电容器极板进行放电；
3)将GPIO设置为输入模式；
4)将GPIO输出寄存器设置为逻辑高电平，此时GPIO接入上拉电阻，开始对极板进行充电；
5)设置整型变量cycle＝0；
6)如果cycle>超时阈值执行下一步，否则读取输入寄存器数据，如果值为逻辑1，cycle++，执行下一步，如果值为逻辑0，cycle++重复执行步骤(6)；
7)如果cycle>阈值返回车位被占用，如果cycle<阈值返回车位空闲。
本发明中，LoRa通讯技术为Semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，该通讯协议在同样的功耗条件下比其他无线式传播距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，LoRa的调制方式基于扩频技术和线性调制扩频的一个变种，具有前向纠错能力，能够有效的消除长距离通讯带来的误码现象从而大幅提高通讯距离。LoRa协议使用的频段为433，868，915MHz，在国内允许使用433MHz频段。由于LoRa使用的通讯频率较低，因此有着较长的波长，同时该频段能够有效避免其他协议的干扰。先进的调制技术以及频段使得LoRa技术的传播距离可以达到2-5KM，在郊区等空旷地带传输距离可达15KM，因此LoRa协议能够轻松使用单跳网络来覆盖一个停车场范围。
LoRa整体网络结构分为终端、网关、网络服务、应用服务几个功能。终端主要包含各种传感器节点，如智能水表，智能垃圾桶等设备。网关为LoRaWan网关，负责收集LoRa局域网中传感器节点收集到的数据并进行整合后使用TCP/IP协议将数据上传至互联网，LoRa网关主要用于远距离星型网络架构的实现。LoRaWan中的Server模块按照各自的功能能够分为Join Server，Application Server以及Network Server，在实际的应用中三个服务器可以使一个共同的物理实体。Join Server为终端设备提供网络服务激活流程，NetworkServer负责与网关的数据交互，Application Server为应用服务器，用户将手机到的网关数据处理并用于相关的应用。
对于本系统使用的传感器方案，需要提出一种针对停车位占用的传感器方案，考虑到车辆为大型金属导体，通过在停车位底部安装额外的金属极板，当有车辆停放在传感器上方时会与底部的金属极板产生一个电容，因此可以通过检测底部金属板与车辆之间产生的电容大小即可判断是否由车辆停放在此停车位上。
对于检测微小电容，目前采用的方法为测量电容器测量时间，在RC电路中，V0为电容器的初始电压，Vu为电容器充满电时的终止电压，Vt为任意时刻t在电容器两端的电压，Vt随充电时间变化的公式如下所示：
当初始时电容器两端电压为0V，电容器两端的终止电压为电源电动势E时，以上公式可以简化为：
当t＝RC时，Vt＝0.63E
当t＝2RC时，Vt＝0.86E
当t＝3RC时，Vt＝0.95E
当t＝4RC时，Vt＝0.98E
当t＝5RC时，Vt＝0.99E
一般认为当t≥3RC时电容器完成充电，因此可以根据电容器从0V开始充电到电容器两端电压接近电源电压的时间可以计算得到电容器的电容值。
本发明的有益效果主要表现在：耗较较低、信息传输时延较低和传感器方案较合理。
附图说明
图1是系统总体架构。
图2是电容充电时间计时算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统，包括网关、传感器节点和服务器，在停车场范围内组建LoRa无线传感器网络，并将传感器网络的数据上传至云端服务器；
所述网关为手机传感器网络中所有节点的数据并整合后发送至服务器，网关同时连入无线传感器网络以及互联网，网关将会主动获取当前停车场内的停车位信息，由于LoRa网络采用的是单跳星型网络，所以网关直接采用轮询的方式查询所有节点的数据，判断各个车位是否被占用，并将所有传感器节点的数据整合后通过HTTP协议上传至相应的云服务器；
所述传感器通过传感器获取当前的车位占用情况，停车场需要预先在每个车位下安装电容传感器极板，节点接入停车场预置的极板，检测极板的充电时间来判断当前是否存在车辆与车位底部的极板形成电容；采用的测量电容器充电时间的方法为利用AVR单片机GPIO口上的输入寄存器，输入寄存器中存储的数据为当前GPIO外部引脚的实际逻辑电平值，当电容器极板上的电压处于上升状态时输入寄存器的值为逻辑0，当电容器极板上的电压接近5V时，输入寄存器中的值为逻辑1；记录电容器极板完全放电之后输入寄存器从逻辑0上升至逻辑1的时间即可；当网关查询该节点的数据时，节点将会判断当前车位是否被占用，并将测得的数据通过LoRa模块发送回网关；
所述服务器端接收来自多个网关的停车场数据处理后存储至相应的数据表中，同时服务器端负责向外界的开发者提供查询以及修改的接口，方便不同用户根据自己需求定制前端页面。
进一步，所述传感器节点中，单片机记录极板充电所用时间的算法步骤如下所示：
1)将输出寄存器设置为逻辑0；
2)将GPIO设置为输出模式，对电容器极板进行放电；
3)将GPIO设置为输入模式；
4)将GPIO输出寄存器设置为逻辑高电平，此时GPIO接入上拉电阻，开始对极板进行充电；
5)设置整型变量cycle＝0；
6)如果cycle>超时阈值执行下一步，否则读取输入寄存器数据，如果值为逻辑1，cycle++，执行下一步，如果值为逻辑0，cycle++重复执行步骤(6)；
7)如果cycle>阈值返回车位被占用，如果cycle<阈值返回车位空闲。
本实施例将硬件节点进行组装，网关由Arduino UNO，Yun Shield以及LoRaShield组成，节点端由Arduino UNO，LoRa模块以及传感器组成，网关与节点安装完成之后使用Arduino IDE分别对节点和网关烧录相应的程序。对每个节点需要在烧写程序时修改其节点编号便于基站进行轮询。
在实验环境下采用两块6cm×10cm的铜板分别模拟车位底部传感器极板以及车辆底部。在极板上方无车辆停放时极板充电所用时间均占用两轮循环即cycle变量值为2，因此将2作为判断当前是否由车辆占用车位的阈值。在中间间隔空气无其他电介质的情况下最大感应距离约为3cm。
提高传感器感应距离的方法有两点
(1)提高传感器极板正对面积。目前普通家用车底盘离地约为13cm～19cm，车辆长宽约为5m，2m，实际占地面积约为10m2，因此可以在停车位上覆盖更大面积的极板如铝箔，线圈等。
(2)提高上拉电阻阻值。单片机对电容器极板的充电需要经过上拉电阻，根据电容器充电完成的时间t＝5RC可得，增加上拉电阻阻值R能够提升电容充电所需时间，提高检测精度。
在服务器端，设计了三张数据表来存储各个停车场以及停车位信息，并向用户提供了查询，更新数据的接口，允许普通用户查询当前所想要的支持本系统的停车场以及该停车场内的车位占用情况。管理员用户可以向添加停车场信息，并插入该停车场内所有的车位信息方便为更多的停车场提供支持。

Claims (2)

1.一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统，其特征在于，所述系统包括网关、传感器节点和服务器，在停车场范围内组建LoRa无线传感器网络，并将传感器网络的数据上传至云端服务器；
所述网关为手机传感器网络中所有节点的数据并整合后发送至服务器，网关同时连入无线传感器网络以及互联网，网关将会主动获取当前停车场内的停车位信息，由于LoRa网络采用的是单跳星型网络，所以网关直接采用轮询的方式查询所有节点的数据，判断各个车位是否被占用，并将所有传感器节点的数据整合后通过HTTP协议上传至相应的云服务器；
所述传感器通过传感器获取当前的车位占用情况，停车场需要预先在每个车位下安装电容传感器极板，节点接入停车场预置的极板，检测极板的充电时间来判断当前是否存在车辆与车位底部的极板形成电容；采用的测量电容器充电时间的方法为利用AVR单片机GPIO口上的输入寄存器，输入寄存器中存储的数据为当前GPIO外部引脚的实际逻辑电平值，当电容器极板上的电压处于上升状态时输入寄存器的值为逻辑0，当电容器极板上的电压接近5V时，输入寄存器中的值为逻辑1；记录电容器极板完全放电之后输入寄存器从逻辑0上升至逻辑1的时间即可；当网关查询该节点的数据时，节点将会判断当前车位是否被占用，并将测得的数据通过LoRa模块发送回网关；
所述服务器端接收来自多个网关的停车场数据处理后存储至相应的数据表中，同时服务器端负责向外界的开发者提供查询以及修改的接口，方便不同用户根据自己需求定制前端页面。
2.如权利要求1所述的一种基于LoRa通讯技术的低成本停车场信息共享系统，其特征在于，所述传感器节点中，单片机记录极板充电所用时间的算法步骤如下所示：
1)将输出寄存器设置为逻辑0；
2)将GPIO设置为输出模式，对电容器极板进行放电；
3)将GPIO设置为输入模式；
4)将GPIO输出寄存器设置为逻辑高电平，此时GPIO接入上拉电阻，开始对极板进行充电；
5)设置整型变量cycle＝0；
6)如果cycle>超时阈值执行下一步，否则读取输入寄存器数据，如果值为逻辑1，cycle++，执行下一步，如果值为逻辑0，cycle++重复执行步骤(6)；
7)如果cycle>阈值返回车位被占用，如果cycle<阈值返回车位空闲。
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