CN113362639B - 一种低功耗监测系统及其网络调度方法 - Google Patents

一种低功耗监测系统及其网络调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线传感技术领域，具体提供一种低功耗停车场车位监测系统及其网络调度方法，用于降低车位监测节点的运行功耗、提高车位监测节点的续航时间、进而降低系统整体的维护成本。本发明采用无线链路结构，将车位监测节点中无线通信模块由传统的固定式周期性唤醒改进为根据车辆在各个时间段停放密集度而设置的变速率式周期唤醒，降低了车位监测节点的网络通信模块的运行功耗；同时，通过停车场区域的划分以及区域入口、出口的过道检测节点的设置，当检测到某一区域内存在车辆停靠时，才对该区域内的车位监测节点进行事件驱动、对车位进行检测，进一步降低了车位检测节点的车位监测传感器的待机功耗。

Description

一种低功耗监测系统及其网络调度方法
技术领域
本发明属于无线传感技术领域，具体涉及一种低功耗监测系统及其网络调度方法，用于停车场车位监测。
背景技术
停车场车位监测系统主要由车位监测传感器和通信链路构成，目前市面上广泛普及的车位监测系统按实现原理的不同大致分为基于磁感线圈、地磁、超声波、红外探测和图像视频的车位监测系统，按物理通信链路传输方式分为有线和无线两种；其中，有线通信链路广泛采用基于CAN和RS485混合有线通信方式汇聚车位监测网络数据，无线通信链路广泛采用L oRa、NB-IoT和ZigBee等方式汇聚车位监测网络数据。
车位监测系统总成本大致由监测传感器成本、中继主机成本、线路成本、数据流成本、工程安装成本和维护成本组成，其中，监测传感器成本、工程安装成本和维护成本必不可少，存在于每一个车位监测系统中；而中继主机成本、线路成本和数据流成本则是根据系统构造的不同而不同。采用有线通信链路需要高昂的线路成本和工程安装成本，而采用无线通信链路则可免去线路成本；采用NB-IoT无线通信链路无需布置中继主机，免去了中继主机成本，但每年需要支付一定的数据流成本；而采用ZigBee无线通信链路无需缴纳数据流成本，但需要布置用于中继和汇聚数据流的中继和主机，需要一定的中继主机成本。通过以上分析得知，实现降低车位监测系统成本的目的在于尽量的降低监测传感器成本、工程安装成本，尽量去除中继主机成本、线路成本和数据流成本，并且尽量提高系统稳定性，降低维护成本。
采用无线链路相比采用有线通信链路的车位传感网络无需线路成本，并且安装和维护更便捷，因此具有更低的整体成本，但无线链路面临的最主要问题是车位监测节点的低功耗续航。为了降低维护成本和工程安装成本，降低系统维护的频率，户主希望车位监测节点的电池续航能力长达3年以上，这对系统的低功耗性能提出了很高的要求。
发明内容
为了解决上述现有技术问题，本发明提出了一种低功耗停车场车位监测系统及其网络调度方法，目的在于降低车位监测节点的运行功耗，提高车位监测节点的续航时间，以降低系统整体的维护成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种低功耗停车场车位监测系统，由PC控制端、网络中心节点、路由节点、车位监测节点和过道检测节点构成；其特征在于，所述停车场根据车位分布共分为N个区域，每个区域内设置1个路由节点、并在区域的入口与出口分别设置1个过道检测节点，每个车位内设置1个车位监测节点；所述PC控制端与网络中心节点通过有线或无线通信连接，所述网络中心节点与路由节点通过无线通信连接，所述路由节点与过道检测节点、车位监测节点通过无线通信连接。
进一步的，所述车位监测节点由电池、第一LDO电源管理芯片、第二LDO电源管理芯片、车位监测传感器与车位网络通信模块构成，其中，第一LDO电源管理芯片、第二LDO电源管理芯片的输入端连接电池，第一LDO电源管理芯片的输出端连接车位网络通信模块，第二LDO电源管理芯片的输出端连接车位监测传感器；第一LDO电源管理芯片的使能端连接电池，保持一直使能状态以实现车位网络通信模块的周期性唤醒；第二LDO电源管理芯片的使能端连接至车位网络通信模块的GPIO端，以实现车位监测传感器在车位网络通信模块控制下的事件驱动；
所述过道检测节点由电源、车辆检测传感器与过道网络通信模块构成，其中，电源的输入端接市电，电源的输出端分别连接车辆检测传感器与过道网络通信模块。
更进一步的，所述无线通信采用ZigBee通信协议，所述网络中心节点采用ZigBee协调器，所述路由节点采用ZigBee路由器，所述车位监测传感器采用微波雷达车位监测传感器，所述车辆检测传感器采用微波雷达检测传感器，所述车位网络通信模块与车道网络通信模块均采用ZigBee终端。
更进一步的，所述网络中心节点、路由节点和过道检测节点均由市电供电、保持24小时连续工作，所述车位监测节点由电池供电、当完成车位监测和/或数据传输后进入休眠状态直到下一次唤醒。
上述低功耗停车场车位监测系统的网络调度方法，包括：变速率式周期性唤醒和事件驱动，具体步骤为：
步骤1、变速率式周期性唤醒；
步骤1.1、PC控制端根据系统预设变速率采集表定期发送变速率采集指令至网络中心节点；
步骤1.2、网络中心节点接收变速率采集指令，并将变速率采集指令广播至各个路由节点；
步骤1.3、路由节点接收变速率采集指令后保存至指令缓冲区，并在车位监测节点的下一个轮询期间发送有效变速率采集指令至车位监测节点；
步骤1.4、车位监测节点接收有效变速率采集指令后根据变速率采集指令所指定的唤醒速率更新网络通信模块的唤醒周期；
步骤2、事件驱动；
步骤2.1、针对任一监测区域，当位于区域入口的过道检测节点检测到有车辆通过，则向路由节点发送启动计时指令，路由节点向位于区域出口的过道检测节点发出启动计时指令；位于区域出口的过道检测节点收到指令后开启计时，若预设时间内检测到有车辆通过、则判断车辆仅在该区域内经过，否则判断车辆在该区域内停靠、位于区域出口的过道检测节点向路由节点发送车位监测指令；
步骤2.2、路由节点接收车位监测指令后保存至指令缓冲区，并在车位监测节点的下一个轮询期间发送有效车位监测指令至区域内各个车位监测节点；
步骤2.3、车位监测节点接收有效监测指令后驱动车位监测传感器执行车位监测，并在下一次轮询期间将车位监测数据通过时分复用方式发送至路由节点；
步骤2.4、路由节点接收车位监测数据后转发至网络中心节点；
步骤2.5、网络中心节点接收车位监测数据后将数据发送到PC控制端；
步骤2.6、PC控制端接收车位监测数据后更新停车场车位占用状况并可视化显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种低功耗停车场车位监测系统及其网络调度方法，采用无线链路结构，将车位监测节点中无线通信模块由传统的固定式周期性唤醒改进为根据车辆在各个时间段停放密集度而设置的变速率式周期唤醒，降低了车位监测节点的网络通信模块的运行功耗；同时，通过停车场区域的划分以及区域入口、出口的过道检测节点的设置，当检测到某一区域内存在车辆停靠时，才对该区域内的车位监测节点进行事件驱动、对车位进行检测，此事件驱动机制取代传统的时间驱动机制控制传感器信息的采集，进一步降低了车位检测节点的车位监测传感器的待机功耗；综上，本发明基于周期性唤醒、变速率采集和事件驱动三种机制设计得的停车场车位监测系统能够大大降低车位监测节点的运行功耗，延长了电池的寿命，从而显著降低车位监测系统的维护成本。
附图说明
图1为本发明中低功耗停车场车位监测系统的网络调度方法流程图。
图2为本发明中低功耗停车场车位监测系统的结构图。
图3为本发明实施例中车位监测节点的电路结构图。
图4为本发明实施例中过道检测节点的电路结构图。
图5为本发明实施例中执行车位监测与泊位反馈的低功耗停车场车位监测系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种低功耗停车场车位监测系统，其结构如图1所示，具体由PC控制端、网络中心节点、路由节点、车位监测节点和过道检测节点构成；所述车位监测系统采用树状拓扑网络结构，其中，网络中心节点为网络的协调器，路由节点为网络的路由器，车位监测节点和过道检测节点为网络终端；所述停车场根据车位分布共分为N个区域、依次标记为区域1至区域N；每个区域内设置1个路由节点、并在区域的入口与出口分别设置1个过道检测节点，每个车位内设置1个车位监测节点；所述PC控制端为停车场管理系统的一部分，与网络中心节点通过有线或无线通信连接；所述网络中心节点为监测网络的协调节点，与PC控制端通过有线或无线通信连接、与路由节点通过无线通信连接；所述路由节点负责网络数据的转发，与网络中心节点和车位监测节点通过无线通信连接；所述车位监测节点负责执行车位监测，是车位监测网络中的终端节点，包括车位监测传感器和网络通信模块，并与路由节点通过无线通信连接；所述过道检测节点负责监测车辆在区域内停靠或驶离，是车位监测网络中的终端节点，包括车辆检测传感器和网络通信模块，并与路由节点通过无线通信连接。
进一步的，本实施例中，PC控制端为停车场管理系统；无线通信采用ZigBee通信协议，网络中心节点采用ZigBee协调器，路由节点采用ZigBee路由器；如图5所示；
车位监测节点中的车位监测传感器采用微波雷达车位监测传感器、根据LFMCW测距原理实现车位监测，网络通信模块为ZigBee终端，所述车位监测节点电路结构如图3所示；更进一步，为实现车位监测节点的周期性唤醒和事件驱动机制，车位监测节点采用两片带使能功能的LDO电源管理芯片，其中，第一LDO电源管理芯片的使能端EN接至5V电池，保存一直使能状态，以保证ZigBee终端实现定时器溢出唤醒模式，从而实现周期性唤醒机制，而第二LDO电源管理芯片使能端EN接至ZigBee终端的GPIO端，被ZigBee终端控制，从而实现事件驱动机制；
过道检测节点采用微波雷达检测传感器、根据多普勒测速实现车辆运动检测，网络通信模块为ZigBee终端，所述过道检测节点电路结构如图4所示；
综上，所述网络中心节点、路由节点和过道检测节点由市电供电、保持24小时连续工作，车位监测节点由电池供电、当完成车位监测和/或数据传输后进入休眠状态、直到下一次唤醒后继续执行车位监测和/或数据传输。
本实施例还提供上述低功耗停车场车位监测系统的网络调度方法，从系统功能上讲：
所述PC控制端负责发送变速率采集指令，以及接收泊位反馈数据并完成泊位可视化展示；
所述网络中心节点负责接收PC控制端的变速率采集指令并广播至网络中的路由节点，以及接收路由节点转发的泊位反馈数据并发送到PC控制端；
所述路由节点负责接收并存储网络中心节点发送的变速率采集指令和过道检测节点发送的车位监测指令，以及处理车位监测节点的轮询与泊位反馈数据并转发至网络中心节点；当路由节点收到过道检测节点发送的车位监测指令时，在回复车位监测节点的轮询时向车位监测节点发送有效车位监测指令；当收到网络中心节点发送的变速率采集指令时，在回复车位监测节点的轮询时向车位监测节点发送有效变速率采集指令；
所述车位监测节点负责轮询路由节点的指令缓冲区，当读取有效的车位监测指令时执行车位监测并在下一唤醒周期反馈泊位数据，当读取到有效的变速率采集指令则在下一唤醒周期起调节车位监测节点的网络通信模块的轮询周期；
所述过道检测节点负责监测车辆在区域内停靠，具体为：针对任一区域，位于区域入口的过道检测节点检测到有车辆通过，则向路由节点发送启动计时指令，路由节点向位于区域出口的过道检测节点发出启动计时指令；若位于区域出口的过道检测节点在预设时间内检测到有车辆通过，则判断车辆仅在该区域内经过，否则判断车辆在该区域内停靠或驶离，位于区域出口的过道检测节点向路由节点发送车位监测指令；
进一步的，本实施例中网络调度方法具体包括以下步骤：
步骤1、车位监测系统执行系统初始化，初始化阶段ZigBee协调器、ZigBee路由器、车位监测节点和过道检测节点完成ZigBee组网，PC控制端根据变速率采集表定期发送变速率采集指令至车位监测网络内的车位监测节点，车位监测节点根据变速率采集指令所指定的唤醒速率设定车位监测节点的ZigBee终端的唤醒周期；所述变速率采集表如下所示：
表1
Figure BDA0003082561050000051
Figure BDA0003082561050000061
其中，0xFF代表有效变速率采集指令，后1字节代表唤醒周期、单位为s；
步骤2、当车辆A进入被监测区域X时，位于入口的过道检测节点X1检测到车辆A通过，若位于出口的过道检测节点X2在90s内没有检测到车辆通过，则过道检测节点X2判断车辆A在该区域X内停靠，过道检测节点发送有效车位监测指令0x22至路由节点；
步骤3、ZigBee路由器收到车位监测指令0x22后保存至指令缓冲区，并在车位监测节点的下一个轮询期间发送有效车位监测指令0x22至区域内车位监测节点ZX1～ZX10；
步骤4、监测区域内的车位监测节点ZX1～ZX10收到ZigBee路由器发送的有效监测指令0x22后驱动微波雷达传感器执行车位监测，并在下一次轮询期间将泊位反馈数据通过时分复用方式发送至区域X内的ZigBee路由器；
步骤5、ZigBee路由器收到车位监测节点ZX1～ZX10发送的泊位反馈数据后通过路由转发至ZigBee协调器；
步骤6、ZigBee协调器收到区域X内的ZigBee路由器转发的泊位反馈数据后将数据发送到PC控制端；
步骤7、PC控制端收到ZigBee协调器发送的泊位反馈数据后通过与当前停车场泊位状况比较并更新停车场泊位状况，最后可视化显示。
从工作原理上讲：本发明提供的低功耗车位监测系统及相匹配的网络调度方法能够显著降低车位监测节点的运行功耗，具体采用了周期性唤醒、变速率采集和事件驱动机制等三种技术手段；更为具体的讲：
所述周期性唤醒是指车位监测节点的网络通信模块周期性地进入唤醒状态和休眠状态，在唤醒状态下轮询路由节点指令缓冲区，判断是否执行车位监测或变速率采集，轮询结束后进入休眠状态，在休眠状态下进入低功耗模式；所述指令缓冲区包括车位监测指令和变速率采集指令；所述轮询路由器节点包括车位监测节点向路由节点发送指令缓冲区读取请求及接收指令缓冲区响应；
所述变速率采集是指车位监测节点的网络通信模块根据不同时间段采用不同的唤醒周期，例如在车辆停放高峰期采用较高的唤醒频率，以提高泊位反馈的实时性，而在夜间凌晨采用较低的唤醒速率，在保证泊位反馈的时延能够被接受的情况下尽量降低车位监测节点的运行功耗，提高车位监测节点的续航时间；所述变速率采集的实现方式为PC控制端根据系统预设变速率采集表定期发送变速率采集指令至网络中心节点，网络中心节点将变速率采集指令广播至车位监测网络中的路由节点。路由节点收到变速率采集指令后保存至指令缓冲区，并在车位监测节点的下一个轮询期间发送有效变速率采集指令至区域内车位监测节点；车位监测节点收到后根据变速率采集指令所指定的唤醒速率改变车位监测节点的网络通信模块的唤醒周期；
所述事件驱动机制是指车位监测节点只有在收到路由节点的有效车位监测指令时才会唤醒车位监测传感器执行车位监测，在收到无效车位监测指令时车位监测传感器一直处于休眠状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种低功耗停车场车位监测系统，由PC控制端、网络中心节点、路由节点、车位监测节点和过道检测节点构成；其特征在于，所述停车场根据车位分布共分为N个区域，每个区域内设置1个路由节点、并在区域的入口与出口分别设置1个过道检测节点，每个车位内设置1个车位监测节点；所述PC控制端与网络中心节点通过有线或无线通信连接，所述网络中心节点与路由节点通过无线通信连接，所述路由节点与过道检测节点、车位监测节点通过无线通信连接；
所述车位监测节点由电池、第一LDO电源管理芯片、第二LDO电源管理芯片、车位监测传感器与车位网络通信模块构成，其中，第一LDO电源管理芯片、第二LDO电源管理芯片的输入端连接电池，第一LDO电源管理芯片的输出端连接车位网络通信模块，第二LDO电源管理芯片的输出端连接车位监测传感器；第一LDO电源管理芯片的使能端连接电池，保持一直使能状态以实现车位网络通信模块的周期性唤醒；第二LDO电源管理芯片的使能端连接至车位网络通信模块的GPIO端，以实现车位监测传感器在车位网络通信模块控制下的事件驱动；
所述过道检测节点由电源、车辆检测传感器与过道网络通信模块构成，其中，电源的输入端接市电，电源的输出端分别连接车辆检测传感器与过道网络通信模块。
2.按权利要求1所述低功耗停车场车位监测系统，其特征在于，所述无线通信采用ZigBee通信协议，所述网络中心节点采用ZigBee协调器，所述路由节点采用ZigBee路由器，所述车位监测传感器采用微波雷达车位监测传感器，所述车辆检测传感器采用微波雷达检测传感器，所述车位网络通信模块与车道网络通信模块均采用ZigBee终端。
3.按权利要求1所述低功耗停车场车位监测系统，其特征在于，所述网络中心节点、路由节点和过道检测节点均由市电供电、保持24小时连续工作，所述车位监测节点由电池供电、当完成车位监测和/或数据传输后进入休眠状态直到下一次唤醒。
4.按权利要求1所述低功耗停车场车位监测系统的网络调度方法，包括：变速率式周期性唤醒与事件驱动，具体为：
步骤1、变速率式周期性唤醒；
步骤1.1、PC控制端根据系统预设变速率采集表定期发送变速率采集指令至网络中心节点；
步骤1.2、网络中心节点接收变速率采集指令，并将变速率采集指令广播至各个路由节点；
步骤1.3、路由节点接收变速率采集指令后保存至指令缓冲区，并在车位监测节点的下一个轮询期间发送有效变速率采集指令至车位监测节点；
步骤1.4、车位监测节点接收有效变速率采集指令后根据变速率采集指令所指定的唤醒速率更新网络通信模块的唤醒周期；
步骤2、事件驱动；
步骤2.1、针对任一监测区域，当位于区域入口的过道检测节点检测到有车辆通过，则向路由节点发送启动计时指令，路由节点向位于区域出口的过道检测节点发出启动计时指令；位于区域出口的过道检测节点收到指令后开启计时，若预设时间内检测到有车辆通过、则判断车辆仅在该区域内经过，否则判断车辆在该区域内停靠、位于区域出口的过道检测节点向路由节点发送车位监测指令；
步骤2.2、路由节点接收车位监测指令后保存至指令缓冲区，并在车位监测节点的下一个轮询期间发送有效车位监测指令至区域内各个车位监测节点；
步骤2.3、车位监测节点接收有效监测指令后驱动车位监测传感器执行车位监测，并在下一次轮询期间将车位监测数据通过时分复用方式发送至路由节点；
步骤2.4、路由节点接收车位监测数据后转发至网络中心节点；
步骤2.5、网络中心节点接收车位监测数据后将数据发送到PC控制端；
步骤2.6、PC控制端接收车位监测数据后更新停车场车位占用状况并可视化显示。
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