CN113281053B - 基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统及方法 - Google Patents

基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统，包括立体车库，在智能立体车库的每一个升降平台安装四个无线传感器节点，利用声音传感器对汽车进入车库后的声音信号进行采集，并通过LoRa进行数据传输，四个无线传感器节点将收集到的声音传输到上位机，上位机利用声源定位法来判断汽车发动机的位置和状态，本发明还公开了基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输方法。本发明不需要新的电线和网络电缆，安装方便灵活。对于现有的智能立体车库只需要在升降平台直接安装即可，不需要重新布线。传输方法采用LoRa自组织分簇网络，可以远距离监控多个进出口，减少了进出口的值班人员。

Description

基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统及方法
技术领域
本发明涉及基于立体车库的非接触式的声学监测与LoRa传输系统及方法，具体涉及一种声学监测、LoRa传输和压电式振动能量收集装置相结合的安全检测装置，属于安全检测技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展，汽车的数量每年呈递增趋势。面对快速增长的车辆和有限的停车位形成的尖锐矛盾，智能立体车库作为一种新型停车场便应运而生。
目前，智能立体车库的安全检测主要使用的是光电开关，通过光电开关的通断情况只能检测车的大小，但无法对汽车进入车库后的发动机的运行状况进行检测。立体车库一旦存入正在怠速的汽车就很有可能发生意外事故，轻则车辆损坏，重则破坏车库设备，造成不必要的损失。
发明内容
针对智能立体车库内存放车辆发动机状态识别问题，发明一种对入库后即将存放的车辆发动机状态的检测装置，使车库在工作过程中实时的检测发动机的状态，确保车辆入库后发动机处于关闭状态。
本发明是这样实现的：本发明采用一种非接触式的声学监测，LoRa传输和振动能量收集器相结合的测试装置。利用声音传感器对汽车进入车库后的声音信号进行采集，并通过LoRa进行数据传输，上位机对接受到的信号进行判断，包括如下步骤：
在智能立体车库的每一个升降平台安装四个无线传感器节点，四个无线传感器节点构建一个平面四元阵，四个无线传感器节点将收集到的声音传输到上位机，上位机利用声源定位法来判断汽车发动机的位置和状态。
当汽车进入车库，待司机下车后声音传感器采集发动机的声音信号。通过自组织分簇网络将采集到的声音信号传输到上位机。上位机通过对数据的分析判断出声音的来源位置和对采集到的声音的波形和已知的波形（在实验场地检测到的怠速汽车声音波形）进行对比判断发动机的状态。
无线传感器网络不需要安装新的电线和网络电缆，易于安装和维护，具有良好的灵活性，使现有的立体车库的改进变得方便快捷。可以和声源定位法结合来精确判断汽车发动机的状态。
立体车库的进出口不止一个，大型立体车库的进出口可以达到四至六个，而且互相之间存在一定的距离。本发明采用自组织分簇网络，自组织分簇网络包括传感器检测节点，簇头节点，Sink节点。当车辆进入车库后，触发立体车库的司机下车信号后，无线传感器节点进行声音采集后传输到簇头节点，簇头节点处理完信息再转发到Sink节点。Sink节点通过4G网卡将数据传输给上位机进行分析判断。采用簇头节点可以做到一人监控到多个进出口，解决了每个进出口都需要一个值班员的任务，有效的减少了值班人员。
无线传感器网络通信受到很多因素的影响，为了保证数据包的完整传输，必须要有一种方法来确定数据包是否传输成功。停车系统检测到司机下车后传感器节点开始采集声音，检测点采集到数据后发送数据。在数据包发送失败的情况下可以检测到并且能够进行数据的补发。传感器检测点向簇头节点发送一个数据包，簇头节点再将数据发送给Sink节点，等待Sink节点的状态报告。如果收到Sink节点的肯定回答(ACK),说明本次数据包接受成功。如果节点没有收到肯定回答，认为数据传输失败。直至上位机判定汽车熄火停止数据上传。
上位机采集到的数据与汽车怠速的波形数据进行一致性比较，以此来确定汽车发动是否熄火。四个声音传感器利用声源定位方法，确定声音的来源是否为发动机的位置。
无线监测节点一般情况是电池供电，能量有限，能量耗尽时无法在准确时间节点更换。因此本发明采用压电式振动能量收集装置为无线监测点提供能量。升降平台在存储车辆过程中存在振动，本发明采用压电振动能量收集器将升降平台运行时产生的振动机械能转化为电能。
压电式振动能量收集装置通过压电材料在振动中变形产生电能。升降平台在上下运动时产生的振动通过压电式振动能量收集装置为无线网络节点提供电源。本发明采用压电式悬臂振动能量收集装置，在悬臂上粘贴压电陶瓷铬钛酸铅（PZT）。当底座遇到外界振动时，通过安装在悬臂末端的质量块会带动双晶压电悬臂梁产生形变，导致压电片也产生形变，在压电效应的作用下产生电压为负载供电。
本发明的有益效果是：本发明采用压电式振动能量收集装置和无线传输的方法，压电式振动能量收集装置直接给传感器节点供电，不需要新的电线和网络电缆，安装方便灵活。对于现有的智能立体车库只需要在升降平台直接安装即可，不需要重新布线。传输方法采用LoRa自组织分簇网络，LoRa具有远距离传输优势，可以通过上位机或者手机进行远距离监控多个进出口，减少了进出口的值班人员。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为无线传感器节点安装图。
图2为无线传感器节点硬件示意图。
图3为自组织分簇网络结构图。
图4为压电悬臂梁结构图。
图5为自动应答机制流程示意图。
图中1-紧固螺丝，2-声音传感器，3-传感器接口，4-天线，5-MCU（单片微型计算机）处理单元和射频模块，6-悬臂梁发电装置，7-悬臂梁，8-压电材料，9-质量块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。下面结合附图对本发明所述的电流测试装置进行详细的说明。
如图1-5所示，在智能立体车库的每一个升降平台安装四个无线传感器节点，四个无线传感器节点构建一个平面四元阵，如图1所示。四个无线传感器节点将收集到的声音传输到上位机，上位机利用声源定位法来判断汽车发动机的位置和状态。
本发明设计的无线传感器节点硬件示意图如图2所示，主要由麦克风2、传感器接口3、天线4、MCU（单片微型计算机）处理单元和射频模块5及悬臂梁发电装置6组成。雨雪天气汽车容易将水带入车库内，所以无线传感器外壳采用防水接线盒。因为MCU（单片微型计算机）处理单元和射频模块5和麦克风2需要的电压不同，我们在悬臂梁发电装置6上加入升压整流电路将输入的电压按照所需的电压进行升压整流后分别供应给MCU（单片微型计算机）处理单元和射频模块5和麦克风2，利用传感器接口3将射频模块和声音传感器连接在一起。将所有的器件采用橡胶卡扣固定在防水接线盒，此时无线传感器节点组装完成。
在智能立体车库的每一个升降平台安装四个无线传感器节点。利用外壳的1紧固螺钉安装在升降平台，按照图1所示在距离升降平台前端500 mm，距离左端1000mm的地方安装第一个无线传感器节点，在距离升降平台前端1500 mm，距离左端1000mm的地方安装第二个无线传感器节点，在距离升降平台前端2500 mm，距离左端1000mm的地方安装第三个无线传感器节点，在距离升降平台前端1500 mm，距离左端2000mm的地方安装第四个无线传感器节点，四个无线传感器节点构建成一个平面四元阵。上位机利用平面四元阵的声源定位法来判断汽车发动机的状态和位置。在距离升降平台前端4750 mm，距离左端1000mm的地方安装簇头节点用于收集无线传感器节点发出的信号。
如图3所示。自组织分簇网络包括传感器检测节点，簇头节点，Sink节点。在主控室的合适位置安装一个汇聚Sink节点。汇聚sink节点收集各个升降平台的簇头节点发出的信号，通过4G网卡将数据传递给上位机。当车辆进入车库后，触发立体车库的司机下车信号后，无线传感器节点进行声音采集后传输到簇头节点，簇头节点处理完信息再转发到Sink节点。上位机通过对数据的分析判断出声音的来源位置和对采集到的声音的数据和已知的数据（在实验场地检测到的怠速汽车声音数据）进行对比，从而判断汽车是熄火状态还是怠速状态。采用簇头节点可以做到一人监控到多个进出口，解决了每个进出口都需要一个值班员的任务，有效的减少了值班人员。
无线传感器网络通信受到很多因素的影响，为了保证数据包的完整传输，必须要有一种方法来确定数据包是否传输成功。停车系统检测到司机下车后传感器节点开始采集声音，检测点采集到数据后发送数据。在数据包发送失败的情况下可以检测到并且能够进行数据的补发。传感器检测点向簇头节点发送一个数据包，簇头节点再将数据发送给Sink节点，等待Sink节点的状态报告。如果收到Sink节点的肯定回答(ACK),说明本次数据包接受成功。如果节点没有收到肯定回答，认为数据传输失败。直至上位机判定汽车熄火停止数据上传。自动应答机制如图5所示。
升降平台在存储车辆过程中存在振动，本发明采用压电振动能量收集器将升降平台运行时产生的振动机械能转化为电能。压电式振动能量收集装置通过压电材料在振动中变形产生电能，为无线网络节点提供电源。压电式悬臂梁结构如图4。在悬臂上粘贴8压电材料（压电材料分为压电材料上半部分和压电材料下半部分，且压电材料整体呈长方体）采用压电陶瓷铬钛酸铅（PZT）附着在7悬臂梁上，并在右端粘贴一个9质量块增大悬梁臂的形变。将6压电悬臂梁发电装置安装在无线传感器节点的内部。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统，包括立体车库，其特征在于，在智能立体车库的每一个升降平台安装四个无线传感器节点，所述的无线传感器节点包括声音传感器，四个无线传感器节点构建一个平面四元阵，利用声音传感器对汽车进入车库后的声音信号进行采集，并通过LoRa进行数据传输，四个无线传感器节点将收集到的声音传输到上位机，上位机利用声源定位法来判断汽车发动机的位置和状态；
所述的声音传感器采集发动机的声音信号，通过自组织分簇网络将采集到的声音信号传输到上位机，上位机通过对数据的分析判断出声音的来源位置和对采集到的声音的波形和已知的波形进行对比判断发动机的状态，上位机采集到的数据与汽车怠速的波形数据进行一致性比较，以此来确定汽车发动机是否熄火；
所述的无线传感器节点包括防水接线盒、声音传感器、传感器接口、天线、MCU单片微型计算机处理单元和射频模块和压电式振动能量收集装置，所述的声音传感器、传感器接口、天线、MCU单片微型计算机处理单元和射频模块和压电式振动能量收集装置采用橡胶卡扣固定在防水接线盒；
所述的压电式振动能量收集装置为压电悬臂梁发电装置，所述的压电悬臂梁发电装置安装在无线传感器节点的内部，压电悬臂梁发电装置将升降平台运行时产生的振动机械能转化为电能，压电悬臂梁发电装置通过压电材料在振动中变形产生电能，为无线网络节点提供电源；
所述的压电悬臂梁发电装置在悬臂梁上粘贴压电材料，压电材料分为压电材料上半部分和压电材料下半部分，且压电材料整体呈长方体，采用压电陶瓷铬钛酸铅附着在悬臂梁上，并在右端粘贴质量块增大悬梁臂的形变；
升降平台在上下运动时产生的振动通过压电式振动能量收集装置为无线网络节点提供电源，采用压电悬臂梁发电装置，在悬臂梁上粘贴压电陶瓷铬钛酸铅，当底座遇到外界振动时，通过安装在悬臂梁末端的质量块会带动双晶压电悬臂梁产生形变，导致压电片也产生形变，在压电效应的作用下产生电压为负载供电；
所述的防水接线盒的紧固螺钉安装在升降平台，在距离升降平台前端500mm，距离左端1000mm的地方安装第一个无线传感器节点，在距离升降平台前端1500mm，距离左端1000mm的地方安装第二个无线传感器节点，在距离升降平台前端2500mm，距离左端1000mm的地方安装第三个无线传感器节点，在距离升降平台前端1500mm，距离左端2000mm的地方安装第四个无线传感器节点，四个无线传感器节点构建成一个平面四元阵，上位机利用平面四元阵的声源定位法来判断汽车发动机的状态和位置，在距离升降平台前端4750mm，距离左端1000mm的地方安装簇头节点用于收集无线传感器节点发出的信号。
2.根据权利要求1所述的基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统，其特征在于，所述的自组织分簇网络包括传感器检测节点，簇头节点，Sink节点，当车辆进入车库后，触发立体车库的司机下车信号后，无线传感器节点进行声音采集后传输到簇头节点，簇头节点处理完信息再转发到Sink节点。
3.根据权利要求1所述的基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统，其特征在于，在所述压电悬臂梁发电装置上加入升压整流电路将输入的电压按照所需的电压进行升压整流后分别供应给射频模块和声音传感器。
4.基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输方法，其特征在于，对于权利要求2所述的基于立体车库的非接触式声学监测与LoRa传输系统，系统检测到司机下车后传感器节点开始采集声音，检测点采集到数据后发送数据，在数据包发送失败的情况下能够检测到并且能够进行数据的补发，传感器检测点向簇头节点发送一个数据包，簇头节点再将数据发送给Sink节点，等待Sink节点的状态报告，如果收到Sink节点的肯定回答，说明本次数据包接受成功，如果节点没有收到肯定回答，认为数据传输失败，直至上位机判定汽车熄火停止数据上传。
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