基于无线地磁感应的车辆检测系统及方法

摘要

本发明提出一种基于无线地磁感应的车辆检测系统及方法，其系统用于检测静态的车辆，包括至少一子节点传感器、至少一父节点传感器及接收机。其中，子节点传感器设置于车辆会停放的场地中，用于根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息。父节点传感器设置于车辆会停放的场地中，且通过无线信道与子节点传感器相连，用于根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，以及接收子节点传感器在预设的上传时间周期中发送来的数据包，并且通过无线信道将自身的数据包和子节点传感器发送来的数据包一同发送至接收机，其中所述数据包中包括车辆检测信息及节点拓扑信息。本发明具有构造简单、功耗低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆检测系统及方法，特别涉及低能耗的基于无线地磁感应的车辆检测系统及方法。

背景技术

近年来，无线地磁感应车辆检测设备，由于其具有安装使用方便、集成度高、不易受损等优点，正在取代传统的路面铺设式感应线圈检测设备而被逐渐投入道路交通的监管中。

目前，无线地磁感应的车辆检测设备，多被用于动态车辆的检测领域，而且多为基于点式地磁感应而研制的。例如：中国专利申请号200710036504.9的专利申请提出了一种无线地磁式车辆检测系统，其由点式地磁式车辆传感装置和路边无线接收装置组成。系统在投入使用时，在检测车道中央钻圆柱形孔，放入点式地磁式车辆传感装置，并密封固定即可工作。点式地磁式车辆传感装置根据内设的车辆传感器检测车辆通过时地磁场的变化，并转换为无线信号发送给路边无线接收装置。上述无线地磁式车辆检测系统具备的优点在于不受路面条件和安装地点的限制，集成化程度高，性能稳定，可靠性高，用途广泛。

但是，就目前现有技术而言，首先，利用无线地磁感应设备检测静态车辆状况的专门系统几乎没有。其次，现有的无线地磁感应设备检测设备多为传感器——接收机一对一的通讯网络拓扑结构，如果是检测停车场等静态车辆状况，就会需要多个传感器，即需要搭配多个接收机，这无疑使整个网络显得过于冗余。再次，由于采用一对一组网的这种结构基础，一旦任何一个传感器损害，就会使得网络中的一部分陷入瘫痪，难以进行有效检测。最后，也是最重要的一点，在现有网络结构和无线传输协议的基础上，必定导致来往通讯次数的增多，这就造成了整个系统的功耗较大的事实。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线地磁感应的车辆检测系统，以解决现有车辆检测系统结构复杂、功耗大的问题。

本发明的另一目的是提供一种基于无线地磁感应的车辆检测方法，以解决现有车辆检测系统结构复杂、功耗大的问题。

本发明提出一种基于无线地磁感应的车辆检测系统，用于检测静态的车辆，包括至少一子节点传感器、至少一父节点传感器及接收机。其中，子节点传感器设置于车辆会停放的场地中，用于根据地磁场的变化，来检测场地中的车辆信息。父节点传感器，设置于车辆会停放的场地中，且通过无线信道与子节点传感器相连，用于根据地磁场的变化，来检测场地中的车辆信息，并且接收子节点传感器在预设的上传时间周期中发送来的数据包，以及通过无线信道将自身的数据包和子节点传感器发送来的数据包一同发送至接收机，其中所述数据包中包括车辆检测信息及节点拓扑信息，所述子节点传感器与父节点传感器的上传时间周期是以逆序深度优先遍历顺序来确定。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测系统，其还包括配置计算机，其通过有线或无线的方式与接收机相连，用于定期对子节点传感器、父节点传感器及接收机形成的无线网络进行相关配置。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测系统，子节点传感器及父节点传感器的数据上传周期开始后包括收集时隙，用于上传数据包，且收集时隙相对于数据上传周期开始后的偏移量t_ofs(i)满足公式：

t_ofs(i)＝TP-T*(M*(c(i)-c(j)+1)-b(i)

其中，i表示作为节点的子节点传感器或父节点传感器，c(i)为节点在父节点子网中的顺序遍历序号，b(i)为节点i的父节点的兄弟节点的数量，TP为数据上传周期，T是基本时隙，M是最大子节点数量。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测系统，每个子节点传感器包括地磁感应器、处理器、电源、计时器及无线通讯接口。电源分别与地磁感应器、处理器、无线通讯接口相连。处理器分别与地磁感应器、无线通讯接口及计时器相连。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测系统，每个父节点传感器包括地磁感应器、处理器、电源、计时器及无线通讯接口。电源分别与地磁感应器、处理器、无线通讯接口相连。处理器分别与地磁感应器、无线通讯接口及计时器相连。

本发明另提出一种基于无线地磁感应的车辆检测方法，其包括以下步骤：首先将至少一子节点传感器及至少一父节点传感器设置在车辆会停放的场地中。其次，子节点传感器根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，并在其预设的数据上传周期中以无线通讯的方式发送给父节点传感器数据包，所述的数据包中包括车辆检测信息及节点拓扑信息。然后，父节点传感器根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，并在其预设的数据上传周期中以无线通讯方式向接收机发送数据包，所述的数据包中包括父节点传感器和子节点传感器检测的车辆信息以及节点拓扑信息。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测方法，其还包括步骤：定期对子节点传感器、父节点传感器及接收机形成的无线网络进行相关配置。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测方法，在检测车辆信息之前还包括步骤：子节点传感器及父节点传感器通过数据包传递的方式自动建立无线网络。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测方法，子节点传感器及父节点传感器是通过逆序深度优先遍历顺序的方式进行数据传输的。

依照本发明较佳实施例所述的基于无线地磁感应的车辆检测方法，在子节点传感器及父节点传感器传输完数据后还包括步骤：子节点传感器及父节点传感器进入休眠模式。

由于采用了以上方案，使本发明具备的有益效果在于：

1、超低功耗。本发明的各个传感器在数据上传周期中最多只通讯两次，一次是与其子节点传感器的通信，另一次是与其父节点传感器的通信，所以在许多时间中都处于休眠模式。并且系统中的各个传感器在数据收集模式下采用经济有效的逆序深度优先遍历顺序上传数据，因此节省了很大一部分的无线通讯所消耗的能源，使系统可以有更长的使用寿命。

2、低廉的构建成本。本发明通过数据包传递的方式构建无线通讯网络，可以改变原有传感器、接收机一对一的传输模式，大量减少接收机的数量，使冗余的网络结构变得简单、清晰，同时也缩减了系统构建的成本。

3、有自组织建网和网络重建能力。由于系统中的传感器在构建网络以及数据上传过程中都会发送各自的网络拓扑参数，因此本发明支持自组织的方式自动建立树状的感应网络拓扑结构。并且在个别感应器损坏的情况下，仍然可以重建通讯网络并自动恢复连接与数据采集上报。

4、采样数据通讯无延时。在一个通讯周期内，每个节点根据离主节点的拓扑距离远近依次唤醒和发送数据。在通讯周期结束时，主节点可以收到所有节点在本通讯周期内的最新采样数据。不会出现普通的多跳方式进行通讯容易导致的通讯延时。使数据的采集、分析更为及时。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于无线地磁感应的车辆检测系统结构示意图；

图2为本发明实施例的子节点传感器    与父节点传感器    结构示意图；

图3为车辆对地磁场的扰动示意图；

图4为本发明实施例的一种配置计算机结构示意图；

图5为本发明实施例的一种停车场应用示意图；

图6为本发明实施例的一种基于无线地磁感应的车辆检测系统所构建的无线网络示意图；

图7为图6的网络活动图；

图8为本发明实施例的一种基于无线地磁感应的车辆检测方法流程图；

图9为本发明实施例的另一种基于无线地磁感应的车辆检测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

请参见图1，其为本发明实施例的一种基于无线地磁感应的车辆检测系统结构示意图。其包括若干子节点传感器103、若干父节点传感器105以及一个接收机107。接收机107连接到互联网109，并通过无线信道与父节点传感器105相连。父节点传感器105又通过无线信道与若干子节点传感器103相连。形成一个树状的网络拓扑结构。

另外，本实施例的系统还包括配置计算机111，其通过有线或无线的方式与接收机107相连，用于定期对子节点传感器、父节点传感器及接收机形成的无线网络进行相关配置。

本发明的子节点传感器103与父节点传感器105具有相同的构造，如图2所示，其包括地磁感应器201、处理器203、电源205、计时器207及无线通讯接口209。电源205分别与地磁感应器201、处理器203、无线通讯接口209相连。处理器203分别与地磁感应器201、无线通讯接口209及计时器207相连。

特别地，上述子节点传感器103与父节点传感器105的位置关系只是相对而言的，一个作为子节点的传感器仍然可以作为其它传感器的父节点。

当子节点传感器103或父节点传感器105被设置在车辆会停放的场地中时，一旦有车辆进入其检测范围，就能检测到地磁场产生的变化。如图3所示，其为车辆对地磁场的扰动示意图。地磁感应器201可以将地磁场的变化转化为电信号，然后经过处理器203处理后通过无线通讯接口209输出。本实施例的地磁感应器201可以采用Honeywell(霍尼韦)公司的磁阻传感器，型号为HMC1051ZL，处理器203可以选用MSP430的处理芯片，无线通讯接口209可以采用CC1100型的无线射频收发芯片。

接收机107接收各传感器的数据，并进行适当处理，送到配置计算机111，然后配置计算机111便可以通过接收机107向各个传感器发送指令，并对各个传感器进行配置。请参见图4，其为本发明实施例的一种配置计算机结构示意图。其包括控制器403、时钟芯片405、串行接口407、电源409以及无线收发模块411。控制器403分别与时钟芯片405、串行接口407电源409以及无线收发模块411相连。本实施例中，控制器403采用PIC16F688型号的处理芯片，无线收发模块411采用CC1100型的无线射频收发芯片，时钟芯片405采用X4045型号的芯片，无线收发模块411采用RS485标准的串行接口。

无线收发模块411负责接收接收机107传输来的数据，并通过控制器403处理后，再由无线收发模块411发出指令信号，对各个传感器进行配置，如对传感器的内部时钟设置、无线网络连接配置等。

本发明的基于无线地磁感应的车辆检测系统主要用来测量静态的车辆。下面以一停车场的实际应用来具体说明本发明系统的工作过程。

如图5所示，传感器被分别设置在停车场的1-12车位中，在系统正常工作之前，会自动建立无线通讯网络。本发明的无线网络可以通过数据包传递的方式来建立。

为便于说明，现将车位1～12中的各个传感器分别称为传感器1～传感器12。在建网过程中，传感器1～传感器12会在预设的时间周期里面向周围广播无线寻址数据包。接收机107作为无线通讯网络的主节点，其首先处于监听状态，并搜寻与其通信距离较近的传感器，也即是传感器1、传感器5和传感器9。当接收机107收到这三个传感器发送来的寻址数据包后，便生成三个数据包，这三个数据包中分别包括发送时间、拓扑参数(本节点遍历序号、子节点遍历序号、子节点兄弟序号)等信息，然后接收机107向这三个传感器分别发送数据包，表示传感器1、传感器5和传感器9作为接收机107的子节点传感器。传感器1、传感器5和传感器9收到数据包后，根据其中的时间信息与拓扑参数设置自身的通讯时间周期，然后开始分别搜索与其相近的其它传感器以及向其它传感器传递数据包，并使自身处于信号接收状态。由图可知，传感器1、传感器5和传感器9会分别将数据包传递给传感器2、传感器6和传感器10，使传感器2作为传感器1的子节点，传感器6作为传感器5的子节点，传感器10作为传感器9的子节点。

以此类推，当传感器4、传感器8和传感器12分别找到其父节点传感器后，因为这三个传感器无法再找到其它的子节点传感器，因此无线网络中的各个节点都有了各自的遍历序号，并以此设置各自的通讯时间周期。此时，传感器4、传感器8和传感器12分别会将数据包返回给传感器3、传感器7和传感器11，返回的数据包中包含了传感器的拓扑参数(子节点总数)信息。接着，收到数据包的传感器3、传感器7和传感器11也会将本节点的拓扑参数通过数据包传递的形式返回给传感器2、传感器6和传感器10。最后，接收机107会收到一个含有传感器1～传感器12无线连接关系信息的数据包，如此，整个网络便建立完成，网络中各个节点传感器形成了一个树状的网络拓扑结构。

子节点传感器103与父节点传感器105的工作模式有三种：建网模式、数据收集模式和休眠模式。上面所述的无线网络建网过程是在传感器的建网模式中进行的。当传感器进入数据收集模式时，便会将检测范围内的地磁场变化的感测结果进行上传，每个传感器的数据上传时间是根据建网过程中各自的遍历序号来确定的。在图5的实施例中，传感器3、传感器6、传感器11会检测到其所处的地磁场产生了变化，说明车位3、车位6、车位11中停放了车辆。然后，传感器3、传感器6、传感器11会将车辆停放信息通过无线通讯网络逐步传送到接收机107。接收机107再将车辆停放数据通过互联网传输到后台进行管理。

具体来说，各个传感器在上传车位中车辆信息的同时，也会将其网络位置的拓扑参数与车辆信息一同以数据包的形式上传，因此当接收机107最终接收到各个车位上的车辆信息的同时，也就知道了无线通讯网络中各个传感器的连接状态。如若出现传感器断开连接的情况，可以通过手动配置连接或者进行网络重建。

除了建网模式、数据收集模式，子节点传感器103与父节点传感器105在其它时间都处于休眠模式。在大多数情况下，传感节点携带的能量大部分是花费在信号传输上的，因此本实施例的传感器节省了许多通信所损耗的能量，使传感器的自带电池可以使用更长时间，增加了传感器的使用寿命，也使整个无线通讯网络具备了很低的功耗。

特别地，传感器在数据收集模式下可以采用逆序深度优先遍历顺序的方式传输数据，为了便于理解，下面以另一实施例来说明数据传输过程。请参见图6，其为本发明实施例的一种基于无线地磁感应的车辆检测系统所构建的无线网络示意图。接收机107为主节点，传感器602和传感器605作为接收机107的子节点，同时传感器603和传感器604作为传感器602的子节点。

主节点处于树的顶端，离主节点通信距离最远的子节点处于树的末端。因为每个节点都是在其数据收集周期中向父节点上传数据，并且为了在一个周期内，所有节点都可以将最新的数据用最有效、最经济的方式依次发送到主节点，因此数据上传的顺序是：首先是传感器605发送数据到接收机107，然后是传感器604发送数据到传感器602，传感器603发送数据到传感器602，传感器602发送数据到接收机107，最后是接收机107发送数据到外部设备，这就是上述的逆序深度优先遍历顺序。

由于采用了逆序深度优先遍历顺序，因此可以更有效率地分配系统中的各个传感器的数据上传时间，无须使传感器始终保持数据上传模式，进一步节约了系统的功耗。如图7所示，其为图6的网络活动图。最长的竖线表示本节点的周期开始时刻，中等长度竖线表示本节点的回收时段开始时刻，最短的竖线表示每个基本时隙的开始时刻，旁边的编号表示每个节点的顺序遍历序号。

从图中可以看出，一个节点i的收集时段开始时间依赖于

1)在它的父节点子网中，它的顺序遍历序号c(i)。主节点序号为1。节点2为2，节点3为3，节点4为4。主节点的父节点序号为1。也可以从0开始计数。

2)它在父节点的直接子节点中，在它之前，包括它的父节点的兄弟节点的数量b(i)。主节点序号为0。节点2的序号为1。节点3为1。节点4为2。节点5为2。可以从0开始计数。这时主节点必须减一。

记收集周期相对于周期开始的偏移量为t_ofs(i)，周期长度是TP，基本时隙是T，最大子节点数量是M，那么。节点i的父节点是j。主节点的父节点是主节点本身。

t_ofs(i)＝TP-T*(M*(c(i)-c(j)+1)-b(i)(-1，如果不是主节点))

另外，当一个父节点听到一个异步节点的数据包时，需要将它的周期起始时间调整到图4的最长的竖线。假设收到数据包的时间相对于本节点的周期开始时间是x。这个时间将通过确认包发送给子节点，子节点将延迟y时间开始周期。那么：

y＝t_ofs(i)-x，ify＞0.

y＝t_ofs(i)-x+TP，ify＜0

由此可见，通过数据包传递的方式构建无线通讯网络，可以改变原有传感器、接收机一对一的传输模式，大量减少接收机的数量，使冗余的网络结构变得简单、清晰。

本发明另提出一种基于无线地磁感应的车辆检测方法，如图8所示，其包括以下步骤：

S801，将至少一子节点传感器及至少一父节点传感器设置在车辆会停放的场地中。

S803，子节点传感器根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，并在其数据上传周期中以无线通讯的方式向父节点传感器发送数据包。所述数据包中包括车辆检测信息及节点拓扑信息。

S805，父节点传感器根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，并在其数据上传周期中连同子节点传感器发送来的信息一同以无线通讯的方式向接收机发送一个数据包。所述的数据包中包括父节点传感器和子节点传感器检测的车辆信息以及节点拓扑信息。

请参见图9，其为本发明实施例的另一种基于无线地磁感应的车辆检测方法流程图，其包括以下步骤：

S901，将至少一子节点传感器及至少一父节点传感器设置在车辆会停放的场地中。

S903，子节点传感器及父节点传感器通过数据包传递的方式自动建立无线网络，并定期对子节点传感器、父节点传感器及接收机形成的无线网络进行相关配置。其中无线网络的建立过程可参见图5的实施例及其说明，此处不再赘述。

S905，子节点传感器根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，并在其数据上传周期中以逆序深度优先遍历顺序的方式通过无线通讯信道传输给父节点传感器。逆序深度优先遍历顺序的数据上传方式可以参照图6与图7的实施例及其说明，此处不再赘述。

S907，父节点传感器根据地磁场的变化检测场地中的车辆信息，并在其数据上传周期中以逆序深度优先遍历顺序的方式连同子节点传感器发送来的信息一同通过无线通讯信道发送给接收机。

S909，子节点传感器及父节点传感器进入休眠模式。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1、超低功耗。本发明的各个传感器在数据上传周期中最多只通讯两次，一次是与其子节点传感器的通信，另一次是与其父节点传感器的通信，所以在许多时间中都处于休眠模式。并且系统中的各个传感器在数据收集模式下采用经济有效的逆序深度优先遍历顺序上传数据，因此节省了很大一部分的无线通讯所消耗的能源，使系统可以有更长的使用寿命。

2、低廉的构建成本。本发明通过数据包传递的方式构建无线通讯网络，可以改变原有传感器、接收机一对一的传输模式，大量减少接收机的数量，使冗余的网络结构变得简单、清晰，同时也缩减了系统构建的成本。

3、有自组织建网和网络重建能力。由于系统中的传感器在构建网络以及数据上传过程中都会发送各自的网络拓扑参数，因此本发明支持自组织的方式自动建立树状的感应网络拓扑结构。并且在个别感应器损坏的情况下，仍然可以重建通讯网络并自动恢复连接与数据采集上报。

4、采样数据通讯无延时。在一个通讯周期内，每个节点根据离主节点的拓扑距离远近依次唤醒和发送数据。在通讯周期结束时，主节点可以收到所有节点在本通讯周期内的最新采样数据。不会出现普通的多跳方式进行通讯容易导致的通讯延时。使数据的采集、分析更为及时。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。