DE202017101931U1

DE202017101931U1 - Sensorsystem

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Publication number: DE202017101931U1
Application number: DE202017101931.4U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2027-04-01

Abstract

Sensorsystem mit: einer Sensoreinheit zur Erfassung vom Fahrzeugkörper abgegebener Schallwellen; und einem Mikrocomputer; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit ein erster Ultraschallentfernungsmesser (22) ist; der Mikrocomputer ein Mikrocontroller (25) ist, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem ersten Ultraschallentfernungsmesser (22) elektrisch verbunden ist, wobei der Mikrocontroller (25) eine Befehlsfolge speichert, bei deren Abarbeitung der Ultraschallentfernungsmesser (22) nacheinander mehrere Entfernungsmesswerte über die elektrische Verbindung an den ersten Eingang des Mikrocontrollers (25) überträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7 genannten Art. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Sensorsysteme zum Detektieren von Falschfahrern auf Autobahnen oder Schnellstraßen, insbesondere Abfahrten und Raststätten.
Die EP 0 357 893 A2 offenbart ein Verfahren zum Messen des Verkehrsflusses auf Straßen. Die Erkennung der Fahrzeuge erfolgt mit einem Sensorsystem in einer Erfassungseinheit, das z.B. auf die Schallabstrahlung und auf die Veränderung eines elektromagnetischen Feldes reagiert. Die Erfassungseinheit kann in einer Bake untergebracht sein. Zwei verschiedene Sensortypen sind in einer Erfassungseinheit untergebracht. Die Sensorsignale werden mittels Korrelation mit Signalen bekannter Kraftfahrzeuge verglichen. Ein erster Sensor arbeitet auf piezoelektrischem Wege. Der von den Fahrzeugen ausgehende Schall regt im Sensor Schwingungen an, die als Körperschall verschiedener Signalformen registriert werden. Damit kann eine Identifikation der Fahrzeugklasse erfolgen. Die Signalform wird mittels einer Verstärkereinheit in ein Identifikationssignal umgewandelt, das nach Vergleich mit bekannten Signalformen aus dem Speicher eine erste Klassifizierung ermöglicht. Auch geeignete Mikrophone sind als erster Sensor anwendbar. Als zweiter Sensor dient ein Magnetfeldsensor, der die gegenüber der ungestörten Umgebung auftretende Veränderung des elektromagnetischen Feldes beim Vorbeifahren eines Fahrzeuges misst, was eine Klassifizierung des Fahrzeuges anhand des Signalverlaufs ermöglicht. Der zweite Sensor kann eine Sensoreinheit zusammengesetzt aus Sender und Empfänger für magnetische Wellen, wie Mikrowellen, Lichtwellen, ultraviolette oder infrarote Strahlung sein. Die Signale des ersten und zweiten Sensors werden in einem Korrelator verglichen und anhand von in einer Vorauswerteeinheit gespeicherten Kenndaten bekannter Kraftfahrzeuge ausgewertet, um eine Zählung nach Fahrzeugklasse, Richtung und gegebenenfalls Geschwindigkeit zu gewährleisten. Es erfolgt eine Datenreduktion, um nur die notwendigen Daten, wie Fahrzeuge je Spur und Richtung und Zahl pro min., in digitaler Form, von der Datenausgabe über Datenfernübertragung (DFÜ), an eine Zentrale weiterzuleiten. Eine Richtungserkennung erfolgt aufgrund der mit dem Abstand vom Sensor abnehmenden Signalintensität. Dabei sind verschiedene Warnungen z.B. über eine Schilderbrücke möglich, z.B. "Überholverbot", z.B. wegen Falschfahrer, der aufgrund von entgegengesetzt ablaufende Signalintensität erkannt wird. Unterhalb der Bake wird im Boden ein Datenbus (ISDN) verwendet. Als Stromversorger kann ein Akkumulator und/oder ein Panel von Solarzellen dienen, das den Akkumulator auflädt.
Eine Leitbake ist in Deutschland ein Verkehrszeichen und Absperrgerät, das dazu dient, den Verkehrsteilnehmer auf ein Hindernis in der Fahrbahn oder am Fahrbahnrand hinzuweisen. Als Entfernungsbake bezeichnet man ein Verkehrszeichen, das dazu dient, dem Verkehrsteilnehmer einen Bahnübergang oder in Deutschland eine Autobahnausfahrt frühzeitig anzukündigen.
Ein pyroelektrischer Sensor, auch PIR-Sensor, englisch Pyroelectric Infrared Sensor und englisch Passive Infrared Sensor, ist ein Halbleitersensor der zur Detektion von Temperaturänderungen dient. Bei pyroelektrischen Kristallen führt eine Temperaturänderung zu einer messbaren Änderung der elektrischen Spannung. PIR-Sensoren werden unter anderem bei Bewegungsmeldern eingesetzt um die abgestrahlte Wärmestrahlung, beispielsweise von Lebewesen wie den Menschen, auf einige Meter Entfernung zu detektieren. Da ein PIR-Sensor nur auf Temperaturänderungen anspricht, ist er unempfindlich gegen starke Sonneneinstrahlung. Die Sensoren werden üblicherweise in einem hermetisch dichten Transistorgehäuse wie ein TO-5 gemeinsam mit einer Vorverstärkerstufe in Form eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET) untergebracht. Deshalb ist ein PIR-Sensor zuverlässig und robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Regenwasser. Der hier eingesetzte HC-SR501 misst passiv die Änderung der Infraroteinstrahlung in einem Winkel von 120° bei 8 Meter Maximaldistanz bei einem Maximalstrom von 100μA.
Der SRF02 ist ein Ultraschallentfernungsmesser mit nur einem Ultraschallwandler auf einer kleinen Platine. Die Messfrequenz beträgt 40 kHz. Der Messbereich beträgt 15 cm bis 6 m, die Auflösung 3–4 cm. Ein Plastikrohr mit 55 mm Durchmesser wird in der Sensorachse bis auf 2,49 m erkannt. Das gleiche Plastikrohr wird bei 20° Abweichung von der Sensorachse noch auf 2,05 m Entfernung erkannt, woraus sich ein Öffnungswinkel von etwa 40° ergibt. Die Länge einer Ultraschallperiode beträgt 8 mm. Die Stromaufnahme beträgt typischerweise 4 mA bei 5V. Es gibt 2 Betriebsmodi: den I2C- und den seriellen Modus. Im seriellen Modus gibt es 3 Kommandos (0 × 50, 0 × 51 und 0 × 52), um eine Messung zu starten. Je nach Kommando wird das Ergebnis in Zoll, Zentimetern oder Mikrosekunden bereitgestellt. 70 ms später kann das Ergebnis mit einem vierten Kommando (0 × 5E) ausgelesen werden. Das Ergebnis besteht aus 2 Bytes. Daneben gibt es 3 weitere Kommandos (0 × 53, 0 × 54 und 0 × 55), die eine Messung starten und das Ergebnis zurückgeben, sobald es verfügbar ist.
Der ARDUINO MEGA 2560 ist ein 8 Bit Mikrocontroller mit 54 digitalen Ein- und Ausgangsanschlüssen, 16 analogen Eingängen, 4 seriellen Anschlüssen, einem USB-Anschluss. Er kann über den USB-Anschluss, ein Netzteil oder eine Batterie mit Strom versorgt werden. Die 54 digitalen Ein- und Ausgangsanschlüsse können je 20mA liefern oder aufnehmen. Der ARDUINO MEGA 2560 ist mit 256 KB Flash-Speicher (nicht-flüchtig) ausgerüstet. Die Platinengröße beträgt 101,52 mm·53,3 mm. Passend hierzu ist der Arduino GSM-Shield erhältlich, der eine Mobilfunkschnittstelle unter anderem für den ARDUINO MEGA 2560 zur Verfügung stellt.
Die Stromaufnahme von Mikrocontrollern der Produktreihe MSP430 von Texas Instruments liegt bei vergleichbaren Testbedingungen um den Faktor 3 niedriger als bei dem ARDUINO MEGA 2560. Auch sind Mikrocontroller der Produktreihe MSP430 um den Faktor 6–8 günstiger.
Ein Elektretmikrofon ist eine besondere Bauform eines Kondensatormikrofons. Aufgrund des hohen Innenwiderstands des Mikrofonkondensators wird in die Mikrofonkapsel ein Feldeffekttransistor als Impedanzwandler eingebaut, sodass Elektretmikrofonkapseln typischerweise eine Spannungsversorgung benötigen.
Der MAX9814 ist ein Mikrofonverstärker mit variabler Verstärkung von 40, 50 oder 60 dB.
Ein Leitpfosten ist eine Verkehrseinrichtung, die der Abgrenzung der Fahrbahn und einem besseren Erkennen deren Verlaufs dient. Das in Deutschland und in einigen anderen europäischen Ländern verwendete Modell besteht aus einem 12 Zentimeter breiten und 1 m hohen, hohlen, dreieckigen Kunststoffkorpus. Der Querschnitt eines Leitpfostens entspricht in etwa dem in den 3–5 dargestellten Querschnitt mit zwei Seitenwänden und einer Rückwand. Die beiden Seitenwände schließen mit der Fahrbahn etwa einen Winkel von 80° ein. Die der Fahrbahn zugewandte, durch die beiden Seitenwände gebildete Kante ist stark abgerundet, wodurch eine Rundung entsteht. Leitpfosten sind in Deutschland 50 Zentimeter von der äußersten befestigten Kante der Straßenoberfläche und in der Regel im Längsabstand in der Geraden und der Ebene von 50 Meter aufgestellt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Sensorsystem anzugeben, mit dem Falschfahrer ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhaft an einem Sensorsystem mit nur einem Ultraschallentfernungsmesser ist der einfache Aufbau.
Vorteilhaft an einem Sensorsystem mit zwei Ultraschallentfernungsmessern ist ein erweiterter Überwachungsbereich gegenüber einem einzigen, baugleichen Ultraschallentfernungsmesser oder, bei gleichem Überwachungsbereich, eine Reduzierung der Ultraschallleistung verbunden mit der Möglichkeit, billigere Ultraschallentfernungsmesser einzusetzen.
Vorteilhaft am Einsatz eines Bewegungssensors ist die Stromersparnis, die dadurch erreicht wird, dass Teile des Sensorsystems, insbesondere die Ultraschallentfernungsmesser und das Mikrofon nur dann mit Strom versorgt werden, wenn der Bewegungssensor eine Bewegung meldet.
Vorteilhaft am Einsatz eines Mikrofons ist die Möglichkeit, Fahrgeräusche zu detektieren und damit Fehlalarme beispielsweise aufgrund von Wildtieren zu verhindern. Auch kann das Mikrofon zum Stromsparen beitragen, indem die Ultraschallentfernungsmesser nur dann mit Strom versorgt werden, wenn Fahrgeräusche ermittelt werden.
Vorteilhaft an einem Sensorsystem mit 2 Bewegungssensoren ist der geringe Stromverbrauch. Die Fahrtrichtung eines detektierten Fahrzeugs lässt sich mit einer einfachen, stromsparenden Logikschaltung ermitteln, die ein D- oder RS-Flip-Flop und weitere einfache Logikgatter, vorzugsweise der CMOS 4000er-Serie, enthalten kann. Der Mikrocontroller und ein eventuell vorhandenes Mikrofon werden erst aktiviert, wenn die Fahrtrichtung die Gesuchte ist.
Wenn das Sensorsystem in einem Gehäuse untergebracht ist, dessen äußerer, horizontaler Querschnitt in etwa dem lichten, inneren Querschnitt eines Leitpfostens entspricht, kann das Sensorsystem leicht in einem Leitpfosten untergebracht werden ohne dass ein extra Pfosten für das Sensorsystem benötigt wird.
Durch die beiden nach außen abfallenden Kanäle wird das Mikrofon vor Umwelteinflüssen, insbesondere Spritz- oder Regenwasser geschützt. So kann ein billigeres, nicht-wasserfestes Mikrofon eingesetzt werden.
Der Vorteil der Zylinder, in denen der oder die Ultraschallentfernungsmesser angebracht sind, besteht ebenfalls darin, die Ultraschallentfernungsmesser vor Umwelteinflüssen, insbesondere Spritz- oder Regenwasser zu schützen. So können billigere, nicht-wasserfeste Ultraschallentfernungsmesser eingesetzt werden.
Vorteilhaft an einem Neigungssensor ist, dass er die Funktionstüchtigkeit des Sensorsystems anzeigen oder eine erforderliche Wartung, wie das Geradestellen des Leitpfostens anfordern kann.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Rückansicht eines ersten Gehäuseteils der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems bei geöffnetem Gehäuse;
2 eine Vorderansicht der in 1 gezeigten ersten Gehäuseteils;
3 eine schematische Draufsicht des in 1 gezeigten ersten Gehäuseteils;
4 eine schematische Untersicht eines zweiten Gehäuseteils der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems;
5 eine Draufsicht auf ein erstes Gehäuseteil der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems bei geöffnetem Gehäuse; und
6 ein Blockschaltbild beider Ausführungsformen.
Die in den 1 bis 4 dargestellte erste Ausführungsform besteht unter anderem aus einem ersten, in den 1 bis 3 dargestellten Gehäuseteil 1 und einem in 4 dargestellten zweiten Gehäuseteil 2. Das erste Gehäuseteil 1 umfasst im Wesentlichen den Boden 10, zwei Seitenwände 3 und 4 sowie die die beiden Seitenwände verbindende Rundung 16. Das zweite Gehäuseteil 2 umfasst im Wesentlichen den Deckel 7 und die Rückwand 6. Die Rückwand weist an ihrem unteren Ende Zapfen 9 auf, die nach dem Zusammensetzen der beiden Gehäuseteile 1, 2 in Aussparungen 8 im Boden 10 eingreifen. Die Außenmaße der zusammengesetzten beiden Gehäuseteile 1, 2 entsprechen dem Inneren eines Leitpfostens, so dass das zusammengebaute Gehäuse in einem Leitpfosten untergebracht werden kann. Der Leitpfosten muss dann mit einer großen Öffnung in der Rückwand zum Einschieben des zusammengebauten Gehäuses und mit Sensoröffnungen in den beiden Seitenwänden und der Rundung versehen sein.
Das zusammengebaute Gehäuse wird vom flexiblen Plastik des Leitpfostens sowie von den Zylindern 12 und 13 in entsprechenden Öffnungen des Leitpfostens gehalten. Dazu muss die Breite der großen Öffnung in der Rückwand des Leitpfostens etwas kleiner als die Breite des ersten Gehäuseteils 1 sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Gehäuse mit dem Leitpfosten verschraubt oder zusätzliche Schienen oder Leisten oder das Gehäuse selbst in den Leitpfosten eingeklebt werden.
In einer anderen Ausführungsform kann das Gehäuse von unten in den Leitpfosten eingesetzt werden, was das Sensorsystem diebstahlsicherer macht. In dieser Ausführungsform dürfen die Zylinder 12 und 13 nicht oder zumindest nicht so weit wie in 3 dargestellt über die Seitenwände 3 und 4 hinausragen. Auch der PIR-Sensor 21 sollte weniger weit als in 3 dargestellt aus der Rundung 16 herausragen.
Im ersten Gehäuseteil 1 sind ein PIR-Sensor 21 in der Rundung 16, zwei Ultraschallentfernungsmesser 22, 23 in Zylindern 12 und 13, ein Elektretmikrofon 24 an den Kanälen 14 und 15 sowie ein Neigungssensor 27 auf dem Boden 10 montiert. Die Ultraschallentfernungsmesser 22, 23 können vom eingangs erwähnten Typ SRF02 sein. Die Verkabelung ist in den 1–5 nicht dargestellt.
Die runden Gehäuse der Ultraschallwandler in den SRF02 können per Presspassung in den Zylindern 12 und 13 befestigt sein oder eingeklebt oder festgeschraubt werden. Wenn das erste Gehäuseteil 1 richtig orientiert ist, also die beiden Seitenflächen 3 und 4 in vertikaler Richtung verlaufen, schließen die Achsen der Zylinder 12 und 13 mit der Horizontalen einen Winkel von 1° bis 5° ein, sodass die Zylinder leicht nach außen abfallen und Regenwasser außen abtropft und nicht ins Innere des Gehäuses geleitet wird. Bei einer Neigung einer Zylinderachse von 5° gegenüber der Horizontalen, einer Einbauhöhe des Gehäuses von 1 m über der Straße und einem Messabstand von 6 m liegt die höchste Empfindlichkeit etwa 0,5 m über der Straße. Anstelle der Zylinder 12 und 13 können auch Kegel, eventuell mit elliptischem Querschnitt oder aus Zylindern mit Kegeln kombinierte Formen eingesetzt werden.
Auch die Kanäle 14 und 15, die das Elektretmikrofon 24 akustisch mit der Umgebung verbinden, fallen nach außen ab, um Regenwasser nach außen zu leiten. Der Neigungswinkel ist hier unkritisch.
Der Neigungssensor 27 ist auf einem ebenen, erhöhten Stück des Bodens 10 montiert. Der Boden 10 ist uneben und weist an seinen tiefsten Stellen Löcher 17 auf, durch die eingedrungenes Wasser oder Kondenswasser abfließen kann. Beispielhaft sind in 1, 3 und 5 zwei Löcher 17 dargestellt.
An der Rückwand 6 sind ein Mikrocontroller 25 und ein GSM-Shield 26 mechanisch befestigt. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil 1, 2 ist eine nicht dargestellte Dichtung vorgesehen.
5 ist ähnlich zu 3 und zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Gehäuseteil 18 der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems bei geöffnetem Gehäuse. Der Unterschied liegt in den PIR-Sensoren 21 und 32. Die Achsen der beiden PIR-Sensoren 21 und 32 schließen einen Winkel von etwa 90° ein. Sowohl gegenüber der Fahrbahn als auch gegenüber der Symmetrieachse des ersten Gehäuseteils 18 schließen die Achsen der beiden PIR-Sensoren 21 und 32 Winkel von etwa 45° ein. Bei einem Öffnungswinkel der PIR-Sensoren von 120° ergibt sich ein Überlappungsbereich von 30°.
Als Alternative zu zwei PIR-Sensoren mit je einer Kunststoffkappe kann auch eine Optik, insbesondere eine Linse, mit 2 PIR-Sensoren ohne Kunststoffkappe oder ein ein- oder zweidimensionales PIR-Sensorarray verwendet werden.
Fährt ein Auto von links nach rechts an den beiden PIR-Sensoren 21 und 32 vorbei, wird es zunächst vom PIR-Sensor 32, dann vom PIR-Sensor 21 detektiert. Anschließend verlässt es den Messbereich von PIR-Sensor 32 und etwas später vom PIR-Sensor 21. Ein Falschfahrer, der das Sensorsystem von rechts nach links passiert, erzeugt den umgekehrten Signalverlauf. Anschließend kann ein Mikrocontroller durch Wiederanlegen oder Erhöhen der Taktfrequenz aktiviert werden, um vom Mikrofon 24 aufgenommenen Schall u.a. durch eine FFT auszuwerten und einen Notruf abzusetzen.
6 ist ein Blockschaltbild mit allen Sensoren beider Ausführungsformen. Der PIR-Sensor 21 ist in der ersten Ausführungsform frontal am Gehäuse angebracht (3) und misst passiv die Änderung der Infraroteinstrahlung in einem Winkel von 120° bei 8 m Maximaldistanz. Aufgrund des geringen Maximalstroms von 100μA und einem guten Ansprechverhalten auch bei kalten Autos, ist dieser zusammen mit dem Mikrocontroller 25 dauerhaft aktiviert. Dies ist die erste Aktivierungsstufe. Als Mikrocontroller 25 kann der ARDUINO MEGA 2560 verwendet werden.
Bei jeder Art von Bewegung werden sofort das Elektretmikrofon 24 und der Mikrofonverstärker 31 an den V+-Anschlüssen mit positiver Versorgungsspannung versorgt und damit aktiviert. Der Mikrocontroller 25 schaltet also auf die zweite Aktivierungsstufe um. Die positive Versorgungsspannung wird von einem ersten digitalen Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers 25 geliefert, der maximal 20 mA zur Verfügung stellt.
Der Mikrocontroller 25 wandelt die vom Mikrofonverstärker 31 erhaltenen Daten sofort mittels einer Fast-Fourier-Transformation (kurz: FFT, genauer: Fast-Hartley-Transformation) in ein Audio-Spektrum mit einer Auflösung von 150 Hz um.
Übersteigen nun die Amplituden bestimmter Frequenzen einen definierten Wert, so handelt es sich bei dem gemessenen Objekt um ein Fahrzeug, womit zur dritten Aktivierungsstufe weiter geschaltet wird. Wird nach 50 vollständigen FFT-Analysen, entsprechend einer Zeit von < 100 Millisekunden kein Fahrzeug erkannt, so wird wieder zur ersten Aktivierungsstufe zurück geschaltet, also 0V an den ersten digitalen Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers 25 gelegt und damit das Mikrofon 24 und der Mikrofonverstärker 31 abgeschaltet. Die definierten Frequenzen zur Unterscheidung stützen sich derzeit auf die Aufnahme und Analyse verschiedener Fahrzeuge an einer Straße. An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass trotz der hier noch sehr groben Analyse die Unterscheidung zwischen Fahrzeug und beispielsweise einem Tier aufgrund des starken Unterschiedes der Frequenzspektren bereits sehr zuverlässig ist.
Wurde das herannahende Objekt aufgrund seiner Schallemission als Fahrzeug identifiziert, so werden die Ultraschallentfernungsmesser 22, 23 aktiviert, indem sie von einem zweiten bzw. dritten digitalen Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers 25 mit positiver Versorgungsspannung V+ versorgt werden. Die Ultraschallentfernungsmesser 22, 23 senden einen kurzen, 8 Zyklen umfassenden, 40-kHz-Impuls aus und messen anschließend die Dauer bis zum Eintreffen des Echos, womit sich direkt der Abstand zum reflektierenden Objekt berechnen lässt. Die Ultraschallentfernungsmesser 22, 23 weisen eine Reichweite von 6,7 m auf.
Jeder der Ultraschallentfernungsmesser 22, 23 liefert etwa alle 70 ms einen Messwert. Unter Beachtung der zeitlichen Folge der Messwerte kann auch auf die Fahrtrichtung geschlossen werden. Mit Hilfe einer Reset-Bedingung, die eine Analyse erst wiederholt, wenn beide Sensoren den ursprünglichen Abstand (ohne Fahrzeug) messen, werden vorbeifahrende längere Fahrzeuge wie Busse oder Autos mit Anhänger richtig interpretiert. Im Realtest konnte ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 70 km/h problemlos erkannt werden.
Dies würde auch mit nur einem Ultraschallentfernungsmesser funktionieren. Wenn man davon ausgeht, dass der Mindestabstand Sensor Auto 2 m beträgt, die Reichweite des Sensors 6,7 m beträgt und das Auto 70 km/h, also ca. 20 m/s fährt, befindet sich das Auto ca. 5 m, also 250 ms im Messbereich des Sensors. Wenn der Sensor alle 70 ms einen Entfernungsmesswert liefert, wären das 3 Messwerte pro Vorbeifahrt. Wenn man also annimmt, dass nur der Ultraschallentfernungsmesser 22 eingebaut ist, deuten 3 oder mehr aufeinanderfolgende, fallende Entfernungsmesswerte auf eine Vorbeifahrt in der richtigen Richtung von links nach rechts hin. 3 oder mehr aufeinanderfolgende, ansteigende Entfernungsmesswerte deuten auf eine Vorbeifahrt von rechts nach links, also auf einen Falschfahrer hin. Wäre nur ein Ultraschallentfernungsmesser 32 eingebaut, wäre das gerade andersherum.
Bei erkanntem Falschfahrer wird als vierte Aktivierungsstufe der GSM-Shield 26 aktiviert, welcher einen Notruf über das Mobilfunknetz mit Standortinformationen in Form einer SMS an eine Verkehrsleitzentrale absetzen kann. Somit können weitere Behörden informiert, sowie eine Verkehrsmeldung über das Radio in die Wege geleitet werden. Gleichzeitig werden in den Figuren nicht dargestellte LEDs an einem im Sichtfeld des Falschfahrers befindlichen Einfahrt-verboten-Schild eingeschaltet. Dies wird durch ein einfaches Kabel zwischen Gehäuse und dem Straßenschild umgesetzt.
Um eine leistungsstarke Beleuchtung zu erhalten, schaltet das vom Gehäuse kommende Signal ein direkt am Schild befindliches Relais ein, wodurch die LEDs durch einen eigenen Akkumulator betrieben werden.
Durch die insgesamt 4 Aktivierungsstufen wird die durchschnittliche Leistungsaufnahme deutlich reduziert.
Die Stromversorgung wird durch ein extern angebrachtes 6 W Solarmodul 28 gekoppelt mit einer integrierten Ladesteuerung 30 und unter dem Gehäuse im Leitpfosten befindlichen 4400mAh Lithium-Polymer-Akkumulator 29 sichergestellt. Die elektrische Verbindung kann durch die Löcher 17 erfolgen. Die Leistung des Solarmoduls wurde anhand der minimalen durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von 900 kWh/m² [4] in Deutschland, sowie der Leistungsaufnahme durch die Bauteile von insgesamt < 1,5 Watt errechnet. Der oder die Ultraschallentfernungsmesser 21 und/oder 32, der Mikrocontroller 25 sowie der GSM-Shield 26 hängen direkt an der Stromversorgung also am Spannungsregler 30. Der GSM-Shield 26 benötigt bis zu 2 A Strom, schaltet aber seinen Sendekreis selbstständig ein und aus, so dass die Stromaufnahme des GSM-Shields 26 ausreichend gering ist, wenn keine Notrufe oder andere Statusmeldungen verschickt werden.
Anstelle des GSM-Shields 26 können auch andere Funktechnologien wie LoRaWAN eingesetzt werden, die speziell für das Internet der Dinge entwickelt wird.
Als Alternative oder Ergänzung zum GSM-Shield 26 und zur Stromversorgung durch das Solarmodul 28 kann das Netzwerk 33 dienen. Beispielsweise kann man über eine ISDN-Zweidrahtleitung sowohl Daten übertragen als auch das Sensorsystem mit elektrischer Energie versorgen.
Der für die Entwicklung des Prototypen genutzte Mikrocontroller ARDUINO MEGA 2560 ist zwar zu Testzwecken sehr gut geeignet. Nachteilig ist hier einerseits die Größe, welche eine kompakte Bauweise erschwert. Andererseits ist auch der Energieverbrauch deutlich höher als bei anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen. Da im Hinblick auf die Energieautarkie eine möglichst geringe Leistungsaufnahme des Systems wünschenswert ist, sollte ein marktreifes Produkt also im besten Fall durch (teure) ASICs oder (günstigere) low-power Mikrocontroller beispielsweise der Produktreihe MSP430 gesteuert werden. Ein geringerer Stromverbrauch verringert gleichzeitig auch die Größe der benötigten Solarmodule 28 und reduziert den Wartungsaufwand durch längere Akkumulator-Lebensdauer.
Um einen Mikrocontroller in einen stromsparenden Standby-Modus zu versetzen, kann die Taktfrequenz herabgesetzt evtl. sogar ausgeschaltet werden, wenn als Arbeitsspeicher SRAM verwendet werden. So kann der Mikrocontroller nach Anlegen des Takts einfach weiterarbeiten ohne booten zu müssen.
Zur Erhöhung der Wetterfestigkeit können nach der IP-46 Norm geschützte PIR-Sensoren, Mikrofone sowie Ultraschallentfernungsmesser eingesetzt werden. Diese sind jedoch teurer als die oben genannten Bauteile.
Schließlich ist optional ein Neigungssensor 27 vorgesehen. Der Neigungssensor kann beispielsweise ein Quecksilberschalter oder auch ein Beschleunigungssensor sein, der die Erdbeschleunigung vektoriell gegenüber dem Gehäuse misst. Solche Beschleunigungssensoren werden gerne in Smartphones verbaut.
Durch den Neigungssensor kann das Sensorsystem erkennen, ob es durch Kollisionen mit Fahrzeugen oder durch andere Umwelteinflüsse aus seiner ursprünglichen Position gebracht wurde. Eine annähernd senkrechte Position des Leitpfostens, in den das Sensorsystem eingebaut ist, ist für die Funktionstüchtigkeit des Sensorsystems notwendig und kann durch den Neigungssensor geprüft werden. Eine Fehlposition kann über das integrierte Kommunikationsmodul der zuständigen Behörde übermittelt werden. Dabei kann es mehrere Schwellenwerte geben, beispielsweise Abweichung von der Senkrechten

• unter 3°: Sensorsystem funktioniert perfekt,
• 3 bis 6°: Sensorsystem funktioniert, aber man sollte den Leitpfosten bei Gelegenheit senkrecht stellen, damit das Sensorsystem nicht durch Regenwasser beschädigt wird,
• 6 bis 20°: Sensorsystem funktioniert bedingt, Notrufe sind unzuverlässig, oder
• über 20°: Sensorsystem defekt, sendet keine Notrufe mehr.

Wie bei allen sicherheitsrelevanten Systemen schickt das System beispielsweise einmal täglich oder einmal pro Stunde eine In-Ordnung-Nachricht an die Leitstelle, falls keine anderen Nachrichten oder Notrufe verschickt werden. Bei Ausbleiben dieser In-Ordnung-Nachricht und/oder weiterer Nachrichten oder Notrufe sollte nach dem Grund gesucht und gegebenenfalls das Sensorsystem repariert werden.
Um im Falle eines Falschfahrers auch die übrigen Verkehrsteilnehmer auf der Autobahn-Abfahrt zu warnen, könnte eine Art Warnmodul entwickelt werden, welches auf gleiche Art und Weise in Leitpfosten auf der Ausfahrt integriert werden kann. Diese Module hätten dann nur den Zweck Fahrer auf der Abfahrtsspur rechtzeitig vor dem Falschfahrer zu warnen, beispielsweise durch Lichtsignale. Dazu könnten diese mit Empfängern ausgerüstet werden, um ein kabelloses Übertragen des Signals an einen oder gleich mehrere Systeme auf der Abfahrt zu ermöglichen.
Um es Rettungskräften in Notsituationen zu ermöglichen, falsch herum auf die Autobahn aufzufahren, um so schneller an Einsatzorte gelangen zu können, sollte das System über Funk (GSM) ein- und ausgeschaltet werden können. Dadurch könnten Rettungswagen die Abfahrt in einer Notsituation als Auffahrt nutzen, ohne wiederum eine Falschfahrermeldung zu provozieren. Diese Funktion kann über den GSM-Shield 26 implementiert werden.
Bezugszeichenliste

1: erstes Gehäuseteil
2: zweites Gehäuseteil
3, 4: Seitenwand
6: Rückwand
7: Deckel
8: Aussparungen
9: Zapfen
10: Boden
12, 13: Zylinder
14, 15: Kanäle
16: Rundung
17: Löcher
18: erstes Gehäuseteil
21: PIR-Sensor
22, 23: Ultraschallentfernungsmesser
24: Elektretmikrofon
25: Mikrocontroller
26: GSM-Shield
27: Neigungssensor
28: Solarmodul
29: LiPo-Akku
30: Ladesteuerung
31: Mikrofonverstärker
32: PIR-Sensor
33: Netzwerk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0357893 A2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IP-46 Norm [0056]

Claims

Sensorsystem mit: einer Sensoreinheit zur Erfassung vom Fahrzeugkörper abgegebener Schallwellen; und einem Mikrocomputer; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit ein erster Ultraschallentfernungsmesser (22) ist; der Mikrocomputer ein Mikrocontroller (25) ist, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem ersten Ultraschallentfernungsmesser (22) elektrisch verbunden ist, wobei der Mikrocontroller (25) eine Befehlsfolge speichert, bei deren Abarbeitung der Ultraschallentfernungsmesser (22) nacheinander mehrere Entfernungsmesswerte über die elektrische Verbindung an den ersten Eingang des Mikrocontrollers (25) überträgt.
Sensorsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ferner einen zweiten Ultraschallentfernungsmesser (23) aufweist, der mit einem zweiten Eingang des Mikrocontrollers (25) elektrisch verbunden ist, wobei die Achsen der Ultraschallentfernungsmesser einen Winkel zwischen 90° und 160° einschließen.
Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ferner einen Bewegungssensor (21) aufweist, der mit einem dritten Eingang des Mikrocontroller (25) elektrisch verbunden ist.
Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ferner ein Mikrofon (24) aufweist, das über einen Mikrofonverstärker (31) mit einem vierten Eingang des Mikrocontrollers (25) elektrisch verbunden ist.
Sensorsystem gemäß Anspruch 4, soweit sich Anspruch 4 auf Anspruch 3 rückbezieht, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon ein Elektretmikrofon (24) mit eingebautem Feldeffekttransistor ist, der positive Versorgungsspannungsanschluss (V+) des Mikrofons (24) und des Mikrofonverstärkers (31) mit einem ersten Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers (25) elektrisch verbunden ist, wobei der Mikrocontroller (25) eine Befehlsfolge speichert, bei deren Ausführung der erste Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers (25) auf positive Versorgungsspannung gelegt wird, wenn der dritte Eingang des Mikrocontrollers (25) ein Signal liefert, das auf eine Bewegung hindeutet.
Sensorsystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Versorgungsspannungsanschluss (V+) des ersten Ultraschallentfernungsmessers (22) mit einem zweiten Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers (25) elektrisch verbunden ist, wobei der Mikrocontroller (25) eine Befehlsfolge speichert, bei deren Ausführung der zweite Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers (25) auf positive Versorgungsspannung gelegt wird, wenn der vierte Eingang des Mikrocontrollers (25) ein Signal liefert, das auf ein Kraftfahrzeug hindeutet.
Sensorsystem mit: einem ersten und zweiten Empfänger für elektromagnetische Wellen; und einem Mikrocomputer; dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Empfänger für elektromagnetische Wellen ein erster Bewegungssensor (21) und ein zweiter Bewegungssensor (32) sind, wobei die vom ersten und zweiten Bewegungssensor (21, 32) überwachten Raumbereiche unterschiedlich sind, sich aber überlappen können; der Mikrocomputer ein Mikrocontroller (25) ist, der einen dritten und fünften Eingang aufweist, wobei der dritte Eingang mit dem ersten Bewegungssensor (21) und der fünfte Eingang mit dem zweiten Bewegungssensor (32) elektrisch verbunden ist, wobei der Mikrocontroller (25) eine Befehlsfolge speichert, bei deren Abarbeitung festgestellt wird, ob der erste Bewegungssensor (21) zuerst ansprach.
Sensorsystem gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem ferner ein Mikrofon (24) aufweist, das über einen Mikrofonverstärker (31) mit einem vierten Eingang des Mikrocontroller (25) elektrisch verbunden ist.
Sensorsystem gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon (24) ein Elektretmikrofon mit eingebautem Feldeffekttransistor ist, der positive Versorgungsspannungsanschluss (V+) des Mikrofons und des Mikrofonverstärkers (31) mit einem ersten Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers (25) elektrisch verbunden ist, wobei bei Ausführung der Befehlsfolge der erste Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers (25) Betriebsspannung an dem positiven Versorgungsspannungsanschluss (V+) des Elektretmikrofons (24) und des Mikrofonverstärkers (31) legt, wenn die Signalverläufe am dritten und fünften Eingang des Mikrocontrollers (25) auf eine Bewegung in die gesuchte Richtung hinweisen.
Sensorsystem gemäß einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem in einem Gehäuse untergebracht ist, dessen äußerer, horizontaler Querschnitt mit Ausnahme von Sensoröffnungen dem lichten Querschnitt eines Leitpfostens entspricht.
Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 8 oder Anspruch 9 oder 10, soweit sich Ansprüche 9 oder 10 auf einen der Ansprüche 4, 5, 6 oder 8 rückbeziehen, wobei das Mikrofon (24) an den Enden eines ersten und eines zweiten Kanals (14, 15) innerhalb des Gehäuses untergebracht ist, wobei der erste Kanal an einer ersten Seitenwand (3) und der zweite Kanal (15) an einer zweiten Seitenwand (4) in die Umgebung mündet, so dass der erste und zweite Kanal (14, 15) das Mikrofon (24) akustisch auf zwei unterschiedlichen Wegen mit der Umgebung verbinden, wobei die Kanäle (14, 15) zu den Seitenwänden (3, 4) hin abfallen, wenn das Gehäuse so orientiert ist, dass die beiden Seitenwände (3, 4) vertikal verlaufen.
Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, oder Anspruch 10, soweit sich Anspruch 10 auf einen der Ansprüche 1 bis 6 rückbezieht, oder Anspruch 11, soweit sich Anspruch 11 auf die Ansprüche 4 bis 6 rückbezieht, wobei das Sensorsystem in einem Leitpfosten untergebracht ist, wobei der oder die Ultraschallentfernungsmesser (22, 23) in Zylindern (12, 13) befestigt sind, die wiederum durch je eine Seitenwand (3, 4) befestigt sind, wobei jede Zylinderachse um 1° bis 5° gegenüber einer Horizontalen nach außen hin abfällt, wenn das Gehäuse so orientiert ist, dass die beiden Seitenwände (3, 4) vertikal verlaufen.
Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Sensorsystem ferner einen Neigungssensor (27) aufweist, der mit dem Mikrocontroller (25) elektrisch und mit dem Gehäuse mechanisch verbunden ist.