基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法及系统与流程

本发明涉及智能地锁领域，尤其涉及一种基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法及系统。

背景技术：

目前市场上的智能地锁主要是通过手持式遥控器或者蓝牙技术用手机配对后在一定的有效距离内单跳控制智能地锁的升降。停车前及离开后都需要用对应车位的遥控器或者配对的手机控制升降，操作麻烦。为了缓解中心城区的停车压力，很多停车场实现了在线查看空余停车位、识别车牌自动缴费等先进技术。但是却不能对单个停车位进行管控，这样就限制了对停车场内部车辆停放的有效管理，而且不能满足预定车位的需求，之前查看的空余停车位很可能在你到达停车场已经全部停满。

技术实现要素：

本发明的目的在于通过一种基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法及系统，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法，其包括：

S101、对所述智能地锁初始化：判断Flash数据中是否存在有初始化磁场，若否，则进入监听初始化指令阶段，在监听到初始化指令后完成初始化配置，开启车位周期性采样与监听；

S102、定义三种车位状态：无车状态、转换状态、有车状态；

S103、将周期性采集的新磁场数据存入N位的滑动窗口，然后旧数据后移；在无车状态时，遍历滑动窗口的每个数据出现P次大于阈值的个数时，进入转换状态；

S104、在转换状态中，N位滑动窗口的每个数据均大于阈值，且连续Q次以上的数据每个数据均大于阈值，进入有车状态。

特别地，在转换状态中同样的连续P次以上每个数据均小于阈值时，进入无车状态；同理，从有车状态转换到无车状态需要相反的判断；在无车状态时，连续N次出现磁场离散度小于环境变化阈值，则进行磁场数据的初始化更新，并将更新的数据保存到Flash中；所述磁场离散度分别据根据X轴、Y轴、Z轴的变化量确定。

特别地，所述步骤S101中在监听到初始化指令后完成初始化配置，具体包括：在监听到初始化指令后读取初始化磁场强度，将初始化磁场强度存入Flash，开启车位周期性采样与监听。

特别地，所述步骤S103中P设定为2，即遍历滑动窗口的每个数据出现2次大于阈值的个数时，进入转换状态；所述步骤S104中Q设定为8，即连续8次以上的数据每个数据均大于阈值，进入有车状态。

本发明还公开了一种基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制系统，其包括主控计算机、网关设备以及若干基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁组成的子网Net1,Net2…Netn；所述子网包括簇首、一级簇成员、二级簇成员，簇首即Sink节点，一级簇成员即Relay节点，二级簇成员即Leaf节点；所述主控计算机为整个系统总控制台；所述网关设备用于子网中Sink节点汇聚的数据包收集；所述簇首用于汇聚子网所有检测节点采集的数据，检测节点即指智能地锁；所述一级簇成员用于维持数据包转发网络；所述二级簇成员用于车位的监测、智能地锁的控制并将车位状况发送至簇首。

特别地，所述基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制系统中网络层采用两种实现方式，一级簇成员路由基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁实现完整CTP协议，完整路由维护和数据汇聚功能；二级簇成员的检测节点实现部分CTP协议，维护有效网络接入端口表，该接入端口表有一级簇成员地址构成。

特别地，在基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁节点到主控计算机的路径中，数据流可分为簇内段、簇间段和网关到主控计算机段，数据从簇成员的应用层传送到簇首的应用层，之后再传送到网关设备，经过网关设备的协议转换后传送到主控计算机；基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁新加入网络，上电后广播请求信标帧，路由节点检查收到请求信标帧是否是正确的路由帧，若不正确则返回异常响应信标帧，待加入的智能地锁根据不同的异常码继续处理路由帧，若正确则返回正确响应信标帧，并告知本智能地锁的路由信息，新加入智能地锁通过各点回复的帧构建自己的初始路由表，并在每次发送状态数据包时选择最优路径作为下一跳地址；其中，所述智能地锁的地址均在烧录程序时唯一指定，为16位无符号地址。

特别地，所述路由节点设备采用动态路由方式，通过采集数据报和分发接收信标帧获取当前链路质量，从而选取相对较优的下一跳节点；当某一个智能地锁在路由表中所有下一跳均失效时，广播请求信标帧，从而收集周围路由节点的链路质量信息，重新构建路由表。

特别地，若智能地锁发送的状态数据包长时间得不到应答即判定该链路失效，并向上层协议报告此次失败；其状态发生改变的时候将状态变化汇报给路由节点；路由设备根据汇报的状态内容和当前网络状态判断是否需要上交至网关设备；Sink节点通过节点设备汇报的设备状态评估和诊断网络性能，并对网络环境的变化作出及时的响应；Sink节还可以通过设置检测网络设备内的报警条件来检测网络内的设备异常情况。

特别地，所述智能地锁采用低功耗的监听模式；通过睡眠定时器和工作定时器的周期来调整监听的时间；并且在关闭Radio的同时也关闭MicroTimer(辅助时钟定时器)；在工作定时器的周期时间内，监听的Radio开启接收指令帧；在智能地锁处于监听状态：确认接收到的数据包是否为指令帧，如果是指令帧返回正确响应帧即(ACK)确认；然后根据指令帧的命令域判断执行响应的指令。

本发明提出的基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法及系统优点如下：一、采用低功耗的自组网汇聚协议和分发协议，并引入请求信标帧帧、正确响应信标帧以及异常响应信标帧，使得智能地锁具有动态自组性、自愈性、扩展性和极高的鲁棒性。二、本发明中智能地锁部署方便、维护简单，节约人力和资金成本；三、通过弱磁传感器感知算法使得弱磁传感器在车辆感知及地锁控制应用中更加稳定、可靠。四、在商用停车场大规模车位监测管控中优势更加明显，为车位预定提供硬件及算法支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法流程图；

图2为本发明实施例提供的智能地锁初始化流程图；

图3为本发明实施例提供的弱磁感知的流程图；

图4为本发明实施例提供的基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制系统的网络拓扑结构；

图5为本发明实施例提供的OSI参考模型与磁感检测网络协议映射关系图；

图6为本发明实施例提供的智能地锁自组织网络协议栈中数据传输流程图；

图7为本发明实施例提供的新智能地锁加入网络的过程示意图；

图8为本发明实施例提供的路由配置和数据转发过程示意图；

图9为本发明实施例提供的低功耗Radio工作流程图；

图10为本发明实施例提供的指令接收流程图；

图11为本发明实施例提供的基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法流程图。

本实施例中基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制方法具体包括：

S101、对所述智能地锁初始化：判断Flash数据中是否存在有初始化磁场，若否，则进入监听初始化指令阶段，在监听到初始化指令后完成初始化配置，开启车位周期性采样与监听。具体如图2所示，判断Flash数据中是否存在有初始化磁场，若否，则进入监听初始化指令阶段，在监听到初始化指令后读取初始化磁场强度，将初始化磁场强度存入Flash，开启车位周期性采样与监听。

S102、定义三种车位状态：无车状态、转换状态、有车状态。

S103、将周期性采集的新磁场数据存入N位的滑动窗口，然后旧数据后移；在无车状态时，遍历滑动窗口的每个数据出现P次大于阈值的个数时，进入转换状态。

S104、在转换状态中，N位滑动窗口的每个数据均大于阈值，且连续Q次以上的数据每个数据均大于阈值，进入有车状态。如图3所示，图3为本发明实施例提供的弱磁感知的流程图。

所述智能地锁的感知算法主要在弱磁传感器初始化的基础上进行。在转换状态中同样的连续P次以上每个数据均小于阈值时，进入无车状态；同理，从有车状态转换到无车状态需要相反的判断；在无车状态时，连续N次出现磁场离散度小于环境变化阈值，则进行磁场数据的初始化更新，并将更新的数据保存到Flash中；所述磁场离散度分别据根据X轴、Y轴、Z轴的变化量确定。在本实施例中P设定为2，即遍历滑动窗口的每个数据出现2次大于阈值的个数时，进入转换状态；Q设定为8，即连续8次以上的数据每个数据均大于阈值，进入有车状态。

在本实施例中所述智能地锁的系统配置主要由八种组件构成，SendLayerC(数据发送组件)、ReceiveInstructionLayerC(指令接收组件)、MagnetometerC(弱磁驱动组件)、TestAdcC(电压配置组件)、AdcReadNowClientC(电压驱动组件)、ConstantsC(Flash存储组件)、UserButtonC(用户按键组件)、WdtC(看门狗组件)。传输协议规定了五种数据帧格式，即指令PDU(协议数据单元)规定的数据格式(指令帧)、请求PDU规定的数据格式(请求信标帧)、车位状态PDU规定的数据格式(状态帧)、正确响应PDU规定的数据格式(正确相应帧)、异常响应PDU规定的数据格式(异常响应帧)。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制系统的网络拓扑结构。

本实施例中基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制系统具体包括主控计算机、网关设备以及若干基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁组成的子网Net1,Net2…Netn；为了保证网络的可靠性，自组网络中允许冗余网关设备和路由设备。所述子网包括簇首、一级簇成员、二级簇成员，簇首即Sink节点，一级簇成员即Relay节点，二级簇成员即Leaf节点；所述主控计算机为整个系统总控制台；所述网关设备用于子网中Sink节点汇聚的数据包收集；所述簇首用于汇聚子网所有检测节点采集的数据，检测节点即指智能地锁；所述一级簇成员用于维持数据包转发网络；所述二级簇成员用于车位的监测、智能地锁的控制并将车位状况发送至簇首。

如图5所示，所述智能地锁网路协议遵循ISO/IEC7489OSI的基本参考模型，但只定义了应用层(AL)、网络层(NL)及数据链路子层(DLSL)。其物理层(PHY)和介质访问控制子层(MAC)基于IEEE STD 802.15.4:2006。所述基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁控制系统中网络层采用两种实现方式，一级簇成员路由基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁实现完整CTP协议，完整路由维护和数据汇聚功能；二级簇成员的检测节点实现部分CTP协议，维护有效网络接入端口表，该接入端口表有一级簇成员地址构成。

所述智能地锁的地址均在烧录程序时唯一指定，为16位无符号地址。智能地锁自组织网络协议栈中，数据在智能地锁节点、路由节点、Sink节点、网关设备传输路径如图6所示，在基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁节点到主控计算机的路径中，数据流可分为簇内段、簇间段和网关到主控计算机段，数据从簇成员的应用层传送到簇首的应用层，之后再传送到网关设备，经过网关设备的协议转换后传送到主控计算机。如图7所示，基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁新加入网络，上电后广播请求信标帧，路由节点检查收到请求信标帧是否是正确的路由帧，若不正确则返回异常响应信标帧，待加入的智能地锁根据不同的异常码继续处理路由帧，若正确则返回正确响应信标帧，并告知本智能地锁的路由信息，新加入智能地锁通过各点回复的帧构建自己的初始路由表，并在每次发送状态数据包时选择最优路径作为下一跳地址。

所述路由节点设备采用动态路由方式，通过采集数据报和分发接收信标帧获取当前链路质量，从而选取相对较优的下一跳节点；当某一个智能地锁在路由表中所有下一跳均失效时，广播请求信标帧，从而收集周围路由节点的链路质量信息，重新构建路由表。由配置和数据转发过程如图8所示。

若智能地锁发送的状态数据包长时间(超出规定长度)得不到应答即判定该链路失效，并向上层协议报告此次失败；其状态发生改变的时候将状态变化汇报给路由节点；路由设备根据汇报的状态内容和当前网络状态判断是否需要上交至网关设备；Sink节点通过节点设备汇报的设备状态评估和诊断网络性能，并对网络环境的变化作出及时的响应；Sink节还可以通过设置检测网络设备内的报警条件来检测网络内的设备异常情况，如电量不足、路由失效等情况。

如图9和图10所示，所述智能地锁采用低功耗的监听模式；通过睡眠定时器和工作定时器的周期来调整监听的时间；并且在关闭Radio的同时也关闭MicroTimer(辅助时钟定时器)；在工作定时器的周期时间内，监听的Radio开启接收指令帧；在智能地锁处于监听状态：确认接收到的数据包是否为指令帧，如果是指令帧返回正确响应帧即(ACK)确认；然后根据指令帧的命令域判断执行响应的指令。

需要说明的是，上述文字内容及附图内容中“智能地锁”、“地锁”均是指基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁，在本实施例中所述基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁的结构如图11所示，基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁具体包括无线弱磁节点1、弱磁感知模块、减速电机限位控制器2以及升降式地锁3；所述无线弱磁节点1与弱磁感知模块连接；所述无线弱磁节点1与减速电机限位控制器2连接；所述减速电机限位控制器2连接升降式地锁3。所述无线弱磁节点1包括微处理射频模块、感知节点存储器、弹簧天线、按键、USB烧录器以及扩展接口；所述感知节点存储器、弹簧天线、按键、USB烧录器、扩展接口连接微处理射频模块；所述扩展接口连接所述减速电机限位控制器2。所述弱磁感知模块可选择嵌入到无线弱磁节点1中或独立设置于无线弱磁节点1外部。所述弱磁感知模块包括扩展接口和弱磁传感器；所述弱磁传感器连接扩展接口，该扩展接口连接无线弱磁节点1的微处理射频模块。所述减速电机限位控制器2包括减速电机控制芯片、电源电压监测模块、DC-DC降压模块、扩展接口以及电源；所述电源电压监测模块、DC-DC降压模块、扩展接口、电源连接减速电机控制芯片；所述扩展接口连接所述无线弱磁节点1。所述升降式地锁3包括升降式地锁3本体、减速电机、限位开关、指示灯及扩展接口；所述减速电机、限位开关、指示灯、扩展接口连接升降式地锁3本体；所述升降式地锁3本体设置在停车位上；所述减速电机限位控制器2的扩展接口连接减速电机、限位开关。所述基于弱磁传感器的无线自组网智能地锁还包括蓝牙模块；所述蓝牙模块与无线弱磁节点1的扩展接口连接。所述弱磁感知模块的扩展接口选用I2C总线接口；所述弱磁传感器通过I2C总线接口连接无线弱磁节点1的微处理射频模块；所述弱磁传感器选用磁阻传感器。所述电源选用蓄电池。所述限位开关设置为两个。

本发明的技术方案通过智能地锁无线自组网的通信网络解决停车位上行及下行自愈性通信，通过弱磁传感器的感知算法解决自动感知停车位上的车辆状况，通过减速电机的控制算法解决地锁的驱动。根据弱磁传感器的原始数据分析判断停车位的状态并通过汇聚协议上传数据，以及响应根据分发协议获取服务器发送来的指令集控制地锁。智能地锁既可以收集分析数据也可以作为中继地锁转发数据。本发明优点如下：一、采用低功耗的自组网汇聚协议和分发协议，并引入请求信标帧帧、正确响应信标帧以及异常响应信标帧，使得智能地锁具有动态自组性、自愈性、扩展性和极高的鲁棒性。二、本发明中智能地锁部署方便、维护简单，节约人力和资金成本；三、通过弱磁传感器感知算法使得弱磁传感器在车辆感知及地锁控制应用中更加稳定、可靠。四、在商用停车场大规模车位监测管控中优势更加明显，为车位预定提供硬件及算法支撑。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。