基于无线传感网的低功耗停车场管理系统及无线网络节点

1.一种基于无线传感网的低功耗停车场管理系统，其特征在于，包括显示控制装置、指引装置以及无线网络节点；
其中，无线网络节点具有三种工作模式，分别为高能耗检测模式、低能耗休眠模式及监控模式；
每个无线网络节点管理一个车位，多个无线网络节点组成一个区域，每个区域中有一个无线网络节点作为监控节点工作在监控模式，其余各无线网络节点作为检测节点，检测节点在监控节点的控制下工作在高能耗检测模式或低能耗休眠模式；
监控节点用于监听其所属区域是否有车辆进出，并且检测其所管理车位是否被占据；
检测节点工作在高能耗检测模式下时，检测其所管理车位是否被占据；检测节点工作在低能耗休眠模式下时，不执行检测操作；
监控节点在监听到其所属区域有车辆进出时，生成激活状态信息激活其所属区域的所有检测节点进入高能耗检测模式；接收各检测节点传输过来的检测信息，根据所接收检测信息和自身对其管理车位的检测结果生成车位信息传输给显示控制装置，和生成休眠状态信息使得所属区域的各个检测节点进入低能耗休眠模式；
检测节点在接收到激活状态信息后进入高能耗检测模式，开始检测各自所管理车位是否被占据，根据检测结果生成检测信息传输给监控节点；检测节点在接收到休眠状态信息后进入低能耗休眠模式；
显示控制装置存储空余车位数据，并接收车位信息实时更新空余车位数据；
指引装置用于根据显示控制装置中存储的空余车位数据实现对车辆的指引；
所述无线网络节点采用电池供电；
所述的无线网络节点进一步用于，检测各自的剩余电量，将获得的剩余电量值传输给其所属区域的监控节点；
监控节点进一步用于，对接收的剩余电量值与自身剩余电量进行对比；当自身剩余电量最多时，不进行任何响应；当自身剩余电量并非最多时，则令自身退出监控模式，激活最大剩余电量值对应的检测节点进入监控模式；
采用基于Zigbee协议的无线传输模式进行无线传输；所述采用基于Zigbee协议的无线传输模式进行无线传输为：以距离显控装置最近的区域为圆心，半径以一个设定的步长进行递增，将停车场分成多个环区；对各环区进行编号，各环的编号从内向外逐渐递增或递减；当某区域中半数以上的无线网络节点在环区x内时，该区域中所有无线网络节点编号与环区x编号相同；监控节点传输车位信息时，将车位信息传输给相连编号且相距最近的监控节点，经多个不同编号的监控节点将车位信息传输给显示控制装置。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感网的低功耗停车场管理系统，其特征在于，所述检测其所管理车位是否被占据的功能由无源式超声波传感器实现。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感网的低功耗停车场管理系统，其特征在于，该停车场管理系统还包括摄像机，用于采集停车场内的图像并传输给显示控制装置实现对停车场的实时图像监控。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感网的低功耗停车场管理系统，其特征在于，每个区域中的无线网络节点为6个。

基于无线传感网的低功耗停车场管理系统及无线网络节点\n技术领域\n[0001] 本发明涉及基于无线传感网的低功耗停车场管理系统及无线网络节点，属于系统管理领域。\n背景技术\n[0002] 随着我国经济的高速发展，机动车数量呈现了井喷式的增长。在全国中大型城市，尤其是东部沿海经济发达地区的一些城市，停车场管理系统的发展远不能满足需求。据不完全统计，全国机动车与停车位之比约为5∶1，而且这个比例还将逐步扩大。受到数量和规模的限制，大多数停车场都不同程度的存在车辆拥挤、车位饱和等情况。面对如此严峻的形式，传统的停车场管理模式早已捉襟见肘，如何低成本改造停车场，使车位能够高效合理的得到使用，成为现代停车场管理者首要解决的问题。\n[0003] 目前的停车场管理系统有三种，分别为基于摄像头监控的停车场管理系统、基于射频卡的停车场入口管理系统和基于图像传感器的停车场管理系统。三种管理系统均为停车场入口级别的管理系统。\n[0004] 基于摄像头监控的停车场管理系统采用大量摄像头，实时监控车场的每一个车位，并通过视频线将信号传到中央控制室。为了保证摄像系统能够无死角的监控到每一个车位，大致需要每5个车位安装一个监控摄像头，而且需要对停车场进行改造，铺设大量的信号线。摄像头监控的车位级管理关键在于监控室工作人员根据摄像头返回的信息人工统计车位信息，整个停车场的管理基于人为管理，可靠性不能保障。此类管理系统不能对停车进行引导，停车场管理粒度较粗。\n[0005] 基于射频卡的停车场管理系统是停车场入口级别的管理系统。此类管理系统一般由主控电脑、射频卡和射频卡读卡器构成，若停车场有多个入口，则需购置多套读卡设备。\n车辆在进入停车场时，由停车场管理人员人工派发射频卡，刷卡后主控电脑开始计费。车辆进入车场，自行停放，没有任何引导系统进行引导。车辆出停车场时，将射频卡交还停车场管理员，管理员使用读卡器读卡自动显示费用。基于射频卡的停车场管理系统属于粗粒度车场管理，对车场内部车位资源没有任何监管措施，只是根据总车位数量和当前正在计费的射频卡数量做简单的统计，不仅对车位的使用率不高，用户体验差，还留下管理漏洞，不易监督。\n[0006] 基于图像传感器的停车场管理系统也属于停车场入口级别的管理系统，它利用图像传感器为每一个进入停车场的车辆拍照，实时传送到中央主控电脑，并由相关软件进行识别，读出车辆牌照号后自动开始计费。同所有停车场入口级管理系统一样，基于图像传感器的停车场管理系统没有对任何进入停车场的车辆进行监控和引导，导致车位的使用率不高，用户体验差，还留下管理漏洞，不易监督。另外，此系统使用图片识别软件对监控摄像头采集的照片进行识别，容易受到角度等因素影响造成误判，为了保证管理工作正常进行，往往会有管理人员进行二次确认，浪费资源。\n[0007] 因此，目前的停车场管理系统存在不能自动统计车位空/占得具体信息、车位利用率不高、不易监督管理以及资源浪费等问题。\n发明内容\n[0008] 本发明一种基于无线网的低功耗停车场管理系统及无线网络节点，能够自动统计车位空/占得具体信息，可以解决现有停车场管理系统中车位利用率不高，不易监督管理的问题，同时还可以降低停车场维护成本。\n[0009] 为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：\n[0010] 一种基于无线传感网的低功耗停车场管理系统，包括显示控制装置、指引装置以及无线网络节点。其中，无线网络节点具有三种工作模式，分别为高能耗检测模式、低能耗休眠模式及监控模式。\n[0011] 每个无线网络节点管理一个车位，多个无线网络节点组成一个区域，每个区域中有一个无线网络节点作为监控节点工作在监控模式，其余各无线网络节点作为检测节点，检测节点在监控节点的控制下工作在高能耗检测模式或低能耗休眠模式。\n[0012] 监控节点用于监听其所属区域是否有车辆进出，并且检测其所管理车位是否被占据；检测节点工作在高能耗检测模式下时，检测其所管理车位是否被占据；检测节点工作在低能耗休眠模式下时，不执行检测操作。\n[0013] 监控节点在监听到其所属区域有车辆进出时，生成激活状态信息激活其所属区域的所有检测节点进入高能耗检测模式；接收各检测节点传输过来的检测信息，根据所接收检测信息和自身对其管理车位的检测结果生成车位信息传输给显示控制装置，和生成休眠状态信息使得所属区域的各个检测节点进入低能耗休眠模式。\n[0014] 检测节点在接收到激活状态信息后进入高能耗检测模式，开始检测各自所管理车位是否被占据，根据检测结果生成检测信息传输给监控节点；检测节点在接收到休眠状态信息后进入低能耗休眠模式。\n[0015] 显示控制装置存储空余车位数据，并接收车位信息实时更新空余车位数据；指引装置用于根据显示控制装置中存储的空余车位数据实现对车辆的指引。\n[0016] 本发明中所述无线网络节点采用电池供电；无线网络节点进一步用于，检测各自的剩余电量，将获得的剩余电量值传输给其所属区域的监控节点；\n[0017] 监控节点进一步用于，对接收的剩余电量值与自身剩余电量进行对比；当自身剩余电量最多时，不进行任何响应；当自身剩余电量并非最多时，则令自身退出监控模式，激活最大剩余电量值对应的检测节点进入监控模式。\n[0018] 本发明采用基于Zigbee协议的无线传输模式进行无线传输。\n[0019] 一种用于低功耗停车场管理系统中的无线网络节点，一个无线网络节点管理一个车位，无线网络节点包括超声波传感器、振动传感器以及处理控制模块。\n[0020] 其中，无线网络节点具有三种工作模式，分别为高能耗检测模式、低能耗休眠模式及监控模式。无线网络节点处于监控模式时，超声波传感器和振动传感器处于激活状态；无线网络节点处于高能耗检测模式时，超声波传感器处于激活状态；无线网络节点处于低能耗休眠模式时，超声波传感器处于休眠状态。处于高能耗检测模式或低能耗休眠模式的无线网络节点称为检测节点；处于监控模式的无线网络节点成为监控节点。\n[0021] 超声波传感器，用于在被激活状态下，检测其所管理的车位是否被占据，根据检测结果生成相应的检测信息传输给处理控制模块。振动传感器，用于在被激活状态下，监听其所属区域是否有车辆驶入或驶出，根据监听结果生成监听信息传输给处理控制模块。\n[0022] 处理控制模块，用于当所在无线网络节点为监控节点时，根据来自振动传感器的监听信息进行判断，当判定有车辆进出时，生成激活状态信息发送给其所属区域的所有检测节点，以激活这些检测节点进入高能耗检测模式；根据接收自检测节点和自身超声波传感器的检测信息进行判断，生成车位信息传输给显示控制装置，和生成休眠状态信息传输给其所属区域的检测节点。处理控制模块还用于，当所在无线网络节点为检测节点时，在接收到激活状态信息后，激活本无线网络节点的超声波传感器；接收来自超声波传感器的检测信息并传输给其所属区域的监控节点；在接收到来自监控节点的休眠状态信息后，使得本无线网络节点的超声波传感器进入休眠状态。\n[0023] 有益效果\n[0024] 本发明采用具有三种工作模式的无线网络节点，实现对车位的检测和监控，实时更新显示控制装置中的空余车位数据，控制指引装置正确将驶入车辆引入空位中，使得对车位进行充分的利用；本发明中采用分区形式对车位进行管理，一个区域中只有一个无线网络节点工作在监控模式下，负责实时监听其所属区域的车辆进出情况，其它无线网络节点由工作在监控模式下的无线网络节点进行控制，在有车辆进出其所属区域时进行检测，因此可以节约各无线网络节点电量的消耗，达到了低功耗工作的目地。\n[0025] 其次，本发明采用电量对比轮休的方式对无线网络节点进行对比监控，使每个区域中的电量最大的无线网络节点工作在监控模式下，使得各无线网络节点电量消耗相对均匀，只需要统一的进行更换电池，降低了工人的劳动量。\n[0026] 此外，本发明基于Zigbee协议进行无线传输，Zigbee协议为一种短距离、低速率、低成本、低功耗的无线通信协议，使得该停车场管理系统具有低功耗、系统简单、组网方式灵活和成本低的特点。\n附图说明\n[0027] 图1为本发明基于无线传感网的低功耗停车场管理系统的示意图。\n[0028] 图2为本发明无线网络节点的示意图。\n[0029] 图3为本发明基于无线传感网的低功耗停车场管理系统最优化的无线自组网具体实施方式\n[0030] 本发明提供了一种基于无线传感网的低功耗停车场管理系统，如图1所示，包括显示控制装置、指引装置以及无线网络节点。\n[0031] 其中，无线网络节点具有三种工作模式，分别为高能耗检测模式、低能耗休眠模式及监控模式。\n[0032] 无线网络节点工作在监控模式下时称为监控节点，用于监听其所属区域是否有车辆进出，并且检测其所管理车位是否被占据。其中，监听是否有车辆进出的功能可以由振动传感器实现，检测车位是否被占据的功能可以由超声波传感器实现。在监控模式下，超声波传感器和振动传感器均处于激活状态。\n[0033] 无线网络节点工作在高能耗检测模式或低能耗休眠模式下时称为检测节点。检测节点工作在高能耗检测模式下时，超声波传感器处于激活状态，振动传感器处于休眠状态，由超声波传感器检测其所管理车位是否被占据。检测节点工作在低能耗休眠模式下时，超声波传感器和振动传感器均处于休眠状态，不执行检测操作。在实际中，检测模式中的振动传感器也可以处于激活状态，帮助监控节点监控本区域是否有车辆进出，但是为了节省能耗，在本较佳实施例中，令检测节点中的振动传感器休眠。\n[0034] 每个无线网络节点管理一个车位，多个无线网络节点组成一个区域，每个区域中有一个无线网络节点作为监控节点工作在监控模式，其余各无线网络节点作为检测节点。\n监控节点在监听到其所属区域有车辆进出时，生成激活状态信息激活其所属区域的所有检测节点进入高能耗检测模式。接收到激活状态信息的检测节点进入高能耗检测模式，开始检测各自所管理车位是否被占据，根据检测结果生成检测信息传输给监控节点。监控节点接收各检测节点传输过来的检测信息，根据所接收检测信息和自身对其管理车位的检测结果生成车位信息传输给显示控制装置，和生成休眠状态信息使得所属区域的各个检测节点进入低能耗休眠模式。接收到休眠状态信息的检测节点进入低能耗休眠模式。\n[0035] 显示控制装置存储空余车位数据并接收车位信息实时更新空余车位数据。\n[0036] 指引装置用于根据显示控制装置中存储的空余车位数据实现对车辆的指引。指引装置可以为具有现实具体空位信息的显示牌，该显示牌上可以显示当前未被占用车位的位置等信息，指引装置还可以为具有指引功能的指示箭头。本实施例中假设该指引装置为具有指引功能的指示箭头。\n[0037] 下面举例说明本停车场管理系统的工作过程。\n[0038] 如图1所示，当有车辆进入停车场时，显示控制装置记录进入车辆的车牌号码以及时间，同时根据其内部存储的空余车位数据控制指引装置指引当前进入车辆，使其驶入具有空余车位的区域P。当前进入车辆根据指引箭头的指引驶入具有空余车位的P区。P区中的6个无线网络节点A、B、C、D、E、F中无线网络节点A作为监控节点工作在监控模式下，其余各无线网络节点作为检测节点工作在休眠模式下。\n[0039] P区中的监控节点A对P区进行实时监听，当监听到车辆进入P区时，生成激活状态信息传输给P区的检测节点B、C、D、E、F来激活它们进入高能耗检测模式。\n[0040] P区各检测节点在接收到激活状态信息后进入高能耗检测模式，开始检测各自所管理车位是否被占据，根据检测结果生成检测信息传输给监控节点A。其中，若检测节点C对应的车位被占据，监控节点A根据接收的检测信息和自身的检测信息生成相应的占位信息通过各个区域的监控节点自主搭建的最优无线传输网络传输给显示控制装置，同时生成休眠状态信息传输给检测节点B、C、D、E、F，检测节点在接收到休眠状态信息后进入低能耗休眠模式。显示控制装置根据接收到的占位信息实时更新存储的空余车位数据。\n[0041] P区中的监控节点A对P区进行实时监听，当监听到车辆驶出P区时，生成激活状态信息传输给P区的检测节点B、C、D、E、F来激活它们进入高能耗检测模式。\n[0042] P区各检测节点在接收到激活状态信息后进入高能耗检测模式，开始检测各自所管理车位是否被占据，根据检测结果生成检测信息传输给监控节点A。其中，若检测节点C对应的车位被空出，监控节点A根据接收的检测信息和自身的检测信息生成相应的空位信息通过各个区域的监控节点自主搭建的最优无线传输网络传输给显示控制装置，同时生成休眠状态信息传输给检测节点B、C、D、E、F，检测节点在接收到休眠状态信息后进入低能耗休眠模式。显示控制装置根据接收到的空位信息实时更新存储的空余车位数据。\n[0043] 当车辆驶出停车场时，显示控制装置采集车牌信息和驶出的时间，并根据事先存储的驶入时间计算车辆的停车时间。\n[0044] 本发明中用于检测各个无线网络节点所管理的车位是否被占据时采用超声波传感器实现，较佳地采用业内的无源式超声波传感器，平均每个无线网络节点可在电池支持下工作2年以上。使用干电池作为传感器电源的停车场感知和引导系统由于不用铺设大量供电线路，降低了前期投入；同时，由于干电池供电的无限传感器耗电量小，供电成本非常低，大大降低了停车场运营成本，而且该方案施工灵活，无线网络节点可任意移动，可以通过无线方式升级软件，保持产品的市场领先水平。在实际中，还可以采用光电传感器实现占位检测。\n[0045] 由于无源式超声波传感器采用电池作为电源，为了延长超声波传感器的使用时间，本发明令各个无线网络节点轮流承担监听任务，保证小组电池电量消耗均衡。具体来说，各无线网络节点进一步检测各自的剩余电量，将获得的剩余电量值传输给其所属区域的监控节点。例如P区域各检测节点检测各自的剩余电量并将获得的值传输给监控节点A，监控节点A对接收剩余电量值和自身检测剩余电量值进行对比判断；当当自身剩余电量最多时，不进行任何响应，则监控节点A继续工作在监控模式下；当自身剩余电量并非最多时，则令自身退出监控模式，激活最大电量值对应的检测节点进入监控模式。这样可以使监听任务由各个无线网络节点轮流承担，保证小组电池电量消耗均衡。\n[0046] 本发明各无线网络节点之间通过Zigbee协议实现信息传输，这是一种短距离、低速率、低成本、低功耗的无线通信协议，它属于IEEE 802.15.4无线标准规范。Zigbee联盟制定了数据链路层、网络层和应用编程接口规范。Zigbee协议传输距离是10-75米，通信延迟为15-30ms，寻址方式包括64bit的ieee地址和16bit的局部地址两种。一个Zigbee网络可以容纳最多255个子网，最高可达6.5万个无线网络节点。基于Zigbee协议的网络拓扑结构主要有星形、树形和网状，功耗很低，可靠性和安全性较高，可以实现不同类型的加密算法。Zigbee协议具有低功耗、系统简单、组网方式灵活、成本低和等待时间短的特点，比较适合应用于监控领域。\n[0047] 基于Zigbee协议的无线网络节点控制电路的能源消耗分为两个部分：基于Zigbee协议的无线网络节点能耗和嵌入的传感器能耗。设基于Zigbee协议的无线网络节点进行一次通信时间为Tc(一次收发)，正常工作的能耗为C1，休眠模式能耗为C2，内嵌传感器工作能耗为C，进行一次采集的时间为Tw，一节5号电池的电量为E，平均每个传感器提供服务次数为N次/天，且M个传感器为一组进行低功耗休眠(平均每个传感器做监听节点的时间为24/M小时，且每次有车辆进出所无线网络节点进行一次检查)，则针对总工作时长T(天)有如下公式：\n[0048] \n[0049] 其中，T1＝2M*N*Tc为每个无线网络节点作为监听节点进行数据交换的时间，[0050] T2＝2N*Tc为无线网络节点休眠状态时需要转为工作状态并进行数据收发的时间。\n[0051] 本发明采用无线网络节点平均工作能耗为10mA，收发一次数据耗时0.5s，休眠模式能耗为2.6uA，无线网络节点的传感器能耗为2mA，一次检验耗时2s，一节5号电池的电量为1600mph，每个传感器平均提供服务次数为20，工作组无线网络节点数量为12，则本系统持续工作时间约为120天，未来可扩进一步缩小能耗，最大持续工作时间可达1-2年，是传统Zigbee无线传感器网络中无线网络节点持续工作时间的10倍以上。\n[0052] 为了进一步降低本系统的能源消耗，本发明通过构建一种最优无线传输网络使得监控节点与显示控制装置之间进行数据传输时，能够消耗最小。该最优无线传输网络的建立模式为：如图3所示，以距离显控装置最近的区域为圆心，半径以一个设定的步长进行递增，如设定步长为10m，则第一个圆的半径为10m，第二个圆的半径为2*10m，并以此类推将停车场分成多个环区。对各环区进行编号，各环的编号从内向外逐渐递增或递减；当某区域中半数以上的无线网络节点在环区x内时，该区域中所有无线网络节点编号与环区x编号相同。如当某区域中半数以上的无线网络节点在第1个圆环内时，则将该区域的各无线网络节点编号为1，当某区域中半数以上的无线网络节点在第2环内时，则将本区域的各无线网络节点编号为2，以此类推。当编号为4的监控节点需要通过各个区域处于监控模式下的监控节点自主搭建的最优无线传输网络将车位信息传输给显示控制装置时，则该监控节点寻找编号为3的且离其最近的监控节点，接收车位信息编号为3的监控节点同样寻找编号为2的且离它最近的监控节点，依次类推寻找到最优的传输方案，将车位信息传输给显示控制装置。如图3所示，示出的优化后的无线自组网在保证高可用性的前提下极大的减少了汇聚无线网络节点的数量(仅为监控节点的编号)，使得整个网络的总延时小于10秒，停车引导的准确率大于95％。(我觉得这个存在问题，具体的问题看说明书附图)[0053] 本发明的停车场管理系统还包括摄像机，用于采集停车场内的图像并传输给显示控制装置实现对停车场的实时图像监控。其中无需针对于每个车位安装一个摄像机，只需几个车位合装一个，这样可以降低停车场的成本。摄像机实时采集停车场的图像传给显示控制装置进行显示，方便工作人员了解停车场内的情况，显示控制装置并对接收的图像进行存储，以便日后需要时调出查看。\n[0054] 为了实现上述停车场管理系统，如图2所示，本发明还提供了一种用于低功耗停车场管理系统的无线网络节点，包括超声波传感器、振动传感器以及处理控制模块。\n[0055] 无线网络节点处于监控模式时，超声波传感器和振动传感器处于激活状态。无线网络节点处于高能耗检测模式时，超声波传感器处于激活状态，振动传感器处于休眠状态。\n无线网络节点处于低能耗休眠模式时，超声波传感器和振动传感器都处于休眠状态。\n[0056] 超声波传感器，用于在被激活状态下，检测其所管理的车位是否被占据，根据检测结果生成相应的检测信息传输给处理控制模块。\n[0057] 振动传感器，用于在被激活状态下，监听其所属区域是否有车辆驶入或驶出，根据监听结果生成监听信息传输给处理控制模块。\n[0058] 处理控制模块，用于当所在无线网络节点为监控节点时，根据来自振动传感器的监听信息进行判断，当判定有车辆进出时，生成激活状态信息发送给其所属区域的所有检测节点，以激活这些检测节点进入高能耗检测模式；根据接收自检测节点和自身超声波传感器的检测信息进行判断，生成车位信息传输给显示控制装置，和生成休眠状态信息传输给其所属区域的检测节点。处理控制模块还用于，当所在无线网络节点为检测节点时，在接收到激活状态信息后，激活本无线网络节点的超声波传感器；接收来自超声波传感器的检测信息并传输给其所属区域的监控节点；在接收到来自监控节点的休眠状态信息后，使得本无线网络节点的超声波传感器进入休眠状态。\n[0059] 其中，无线网络节点还包括电源检测模块用于检测所在无线网络节点的剩余电量。处理控制模块进一步用于，当所在无线网络节点为监控节点时，从本无线网络节点和所在区域中所有检测节点获取各无线网络节点的剩余电量值并进行判断；当判定所在无线网络节点的剩余电量最多时，则不进行任何处理；当判定所在无线网络节点的剩余电量值并非最多时，则令所在无线网络节点退出监控模式，激活最大剩余电量对应的无线网络节点进入监控模式。\n[0060] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，或者对其中部分技术特征进行等同替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。