Einsatz eines NI Wireless Sensor Networks zur Überwachung der Belegung eines Parkhauses

Yeung lam, UCLA Center for Embedded Networked Sensing

"Wir nutzten die NI-WSN-Plattform, um die Belegung eines Parkhauses kostengünstig und ohne ein kabelgebundenes System zu überwachen."

- Yeung lam, UCLA Center for Embedded Networked Sensing

Die Aufgabe:

Einsatz eines Wireless-Sensornetzwerks von NI zur Überwachung der Belegung eines Parkhauses

Die Lösung:

Einsatz eines Systems zur Überwachung der Belegung eines Parkhauses, basierend auf einer NI-WSN-Plattform (WSN, Wireless-Sensornetzwerk), das registriert, wie viele Fahrzeuge in ein Parkhaus hinein- und wieder herausfahren, die Daten zur Verarbeitung drahtlos an eine NI-CompactRIO-Basisstation überträgt und dann an eine webbasierte Datenbank schickt.

Autor(en):

Yeung lam - UCLA Center for Embedded Networked Sensing
Dr. William Kaiser - UCLA Center for Embedded Networked Sensing
Dr. Thanos Stathopoulous - UCLA Center for Embedded Networked Sensing

 

Zwar gibt es bereits viele derartige Systeme, doch diese müssen schon beim Bau des Parkhauses installiert werden. Die Installation in bestehenden Parkhäusern kann sich sehr aufwändig gestalten. Darüber hinaus sind die von diesen Systemen erfassten Informationen meist auf die Struktur, in diesem Fall ein Gebäude, beschränkt, in der sie gesammelt werden.  Diese Daten können zwar archiviert werden, es steht jedoch kein zentrales Protokoll für den Datenzugriff zur Verfügung.

 

Wir implementierten ein kostengünstiges, einfach zu installierendes System zur Überwachung der Belegung eines Parkhauses. Das System ist an eine Online-Datenbank angebunden, so dass Informationen über freie Parkplätze lokal und auch dezentral abgerufen werden können. Das System stellt ankommenden Fahrzeugen Informationen über freie Parkplätze online über Computer oder Mobiltelefone zur Verfügung.

 

Technische Vorgehensweise

Das System wurde erstellt, um Nutzern von Parkhäusern Informationen zu liefern, mit denen sie effizient einen Parkplatz finden können. Darüber hinaus wurden Daten benötigt, um Parkhauswächter dabei zu unterstützen, die Parkflächen effizient zu verwalten. Erstmals installiert wurde das System auf einem Stockwerk des Parkhauses der medizinischen Fakultät an der UCLA (University of California, Los Angeles). Dort ist es besonders sinnvoll, denn das Stockwerk ist in zwei Zonen eingeteilt, eine nur für Patienten und eine für Angestellte und Patienten.

 

Das System bietet Informationen über die Gesamtanzahl von freien Parkplätzen sowie genauere Informationen über jede Zone. Dafür wurden Sensoren an jeder Einfahrt, Ausfahrt und an allen Übergängen zwischen den Zonen platziert. Die Sensoren an der Ein- und der Ausfahrt übertragen Daten über ein- und ausfahrende Fahrzeuge an eine zentrale Basisstation am Schalter des Parkhauses. Die Sensoren an den Übergängen zwischen den Zonen registrieren, wie viele Fahrzeuge sich in welche Richtung zwischen den Zonen bewegen. Diese Daten werden ebenfalls an die zentrale Basisstation übertragen. Diese analysiert alle Daten und berechnet daraus in Echtzeit die Gesamtanzahl der freien Parkplätze insgesamt und in jeder Zone.

 

Entwicklung des Hardwaresystems

Sensoren

Hauptsächlich dienen PIR-Sensoren (PIR, Passive Infrared Sensors) von Parallax Technologies als Detektoren für den Verkehr. Diese Infrarotsensoren erkennen Änderungen in der Hohlraumstrahlung, die ein Objekt abgibt und erfordern nur wenig Strom, weil die Erkennung ohne Speisung erfolgt. Sie stellen außerdem einen Digitalausgang bereit, der so konfiguriert werden kann, dass er während der kontinuierlichen Bewegungserkennung Pulse ausgibt oder auf "High" bleibt und dann wieder abfällt.

 

Wireless-Sensorknoten

Für die Entwicklung des Systems wurden drei Analogeingangsknoten des Typs NI WSN-3202 verwendet, die jeweils mit vier analogen Spannungseingängen und vier Digital-I/O ausgestattet sind. Die Ausgänge der PIR-Sensormodule wurden mit einem Digitaleingang und die Sensorbatterien mit einem Analogeingang verbunden, um den Stromverbrauch zu überwachen. Die WSN-Knoten wurden mit vier AA-Batterien betrieben. Obwohl Rohdaten von den Sensoren auch kontinuierlich an die Basisstation übertragen werden könnten, wurden die Verarbeitungsfähigkeiten der Knoten genutzt, um Ein- und Ausfahrten lokal zu berechnen und damit die Funkübertragung an die Basisstation zu begrenzen. So kann bereits der Knoten lokal entscheiden, wann ein Fahrzeug passiert, anstatt Rohdaten zur Verarbeitung an einen Server zu senden. Dadurch muss der Knoten nur Nachrichten übertragen, wenn ein Fahrzeug erkannt wird, wodurch sich die Batterielebensdauer erhöht.

 

Basisstation

Ein Embedded-Echtzeitcontroller des Typs NI cRIO-9014, der von einer AC-Quelle gespeist wird, war als Basisstation an einem der beiden Schalter an den Ausfahrten des Parkhauses im Einsatz. Die Station wurde über Ethernet an das Verkehrsnetzwerk der UCLA angebunden. Aufgrund der Verkehrssicherheitsbestimmungen der UCLA sind die Daten außerhalb des Netzwerks nicht zugänglich. Wir konnten jedoch zum Zweck der Datenspeicherung auf unseren Back-End-Datenbankserver zugreifen.

 

Wireless-Gateway

Das Ethernet-Gateway NI WSN-9791 ermöglichte die Kommunikation zwischen der CompactRIO-Basisstation und den Wireless-Sensorknoten. Der Gateway wurde am Schalter installiert, gleich neben dem Schalter, an dem sich der CompactRIO-Controller befindet. Eine AC-Stromquelle betreibt die Station und ist mit demselben Netzwerk verbunden wie CompactRIO.

 

Online-Datenbank

Die Daten werden von CompactRIO in Echtzeit an eine Datenbank unter sensorbase.org übertragen, die eine benutzerfreundliche Webschnittstelle zum Herunterladen, Suchen, Austauschen und Organisieren von Daten zur Verfügung stellt. Darüber hinaus stellt diese Datenbank eine Anwendungsebene für einen Webdienst bereit, die auch für die Entwicklung benutzerdefinierter Websites für die Präsentation der Parkplatzinformationen an Computer- und Mobiltelefonnutzer genutzt wird.

 

Softwarearchitektur

Datenerfassung

Zunächst erfassen die Wireless-Sensorknoten Daten von den PIR-Modulen. Der Knoten führt ein anwenderdefiniertes VI aus, das mit dem NI LabVIEW Wireless Sensor Network (WSN) Module Pioneer programmiert wurde. Dieses Modul nutzt die digitale I/O-Mitteilungsfunktion des WSN-Knotens. Wenn das PIR-Modul Bewegung erkennt, wird dieses Ereignis ausgelöst und der WSN-Knoten erfasst weiterhin Daten am Digitaleingang, so lange bis er wieder abfällt. Nachdem ein Ereignis erkannt wird, schickt der WSN-Knoten eine Funknachricht an die CompactRIO-Basisstation, in der das Auftreten eines Ereignisses und seine Dauer übermittelt werden. Indem das digitale I/O-Mitteilungssystem genutzt wird und analoge Erfassung mit niedrigerer Rate abläuft, wird die Zeit, in der die WSN-Knoten angeschaltet sind, um Daten zu übertragen, möglichst kurz gehalten.

 

Die Daten mit Pulslänge werden von den WSN-Knoten an die CompactRIO-Basisstation geschickt und durch die Dauer, die ein Objekt braucht, um den Sensor zu passieren, kategorisiert. Damit kann festgestellt werden, ob ein Auto oder mehrere Fahrzeuge oder auch Fußgänger am Sensor vorbeigekommen sind. CompactRIO hält intern stets die aktuelle Zahl an Fahrzeugen im Parkhaus bereit. Nach jeder Ein- oder Ausfahrt eines Fahrzeugs werden die Ereignisdaten und die Gesamtanzahl an vorhandenen Fahrzeugen intern auf eine Datei im Flash-Speicher von CompactRIO protokolliert und auf die Datenbank unter sensorbase.org geladen.

 

Online-Inhalt

Zur Zeit werden die Systemdaten an die Datenbank unter sensorbase.org geschickt, wo sie mittels der integrierten Weboberfläche durchsucht, heruntergeladen und grafisch dargestellt werden können. Daten werden über eine Webdienstebene auch anwenderdefinierten Webanwendungen zur Verfügung gestellt. Mit diesen Webdiensten erstellten wir eine einfache Weboberfläche, um die Daten über einen bestimmten Zeitraum hinweg darzustellen und die Gesamtanzahl an im Parkhaus befindlichen Fahrzeugen anzugeben.

 

 

Energiemessung

Neben den Daten zur Fahrzeugerkennung wurde jeder WSN-Knoten so eingestellt, dass er alle zehn Minuten einen analogen Kanal abtastet, um den Batterieverbrauch des Sensors zu ermitteln. Dann wurden Daten zur Batterie- und Verbindungsqualität an die Basisstation übertragen und auf die Datenbank protokolliert und geladen. Außerdem erstellten wir eine einfache Weboberfläche, um den Nutzern Informationen über den Zustand des Systems zur Verfügung zu stellen.

 

Künftige Systemoptimierungen

Nach der anfänglichen Installation soll das System optimiert werden, so dass die Basisstation Informationen sowohl hochladen als auch von anderen, angebundenen Parkplätzen herunterladen kann, so dass Autofahrer einen Parkplatz suchen können, wenn das Parkhaus voll belegt ist. Das Hauptziel für die erweiterte Implementierung wäre zunächst die gleiche Parkebene an der medizinischen Fakultät sowie angrenzende Parkplätze. Alle Informationen sollen online abrufbar sein und Schilder vor Ort sollen Nutzer über freie Parkplätze in benachbarten Parkhäusern informieren.


Außerdem ist vorgesehen, LED-Anzeigetafeln in den Parkhäusern zu installieren. Diese werden automatisch aktualisiert, um ankommende Fahrzeuge mit Informationen über freie Parkplätze zu versorgen, so dass die Parkhauswächter keine manuellen Einstellungen vornehmen müssen.


Zudem profitierten wir von der NI-WSN-Plattform, um die Belegung eines Parkhauses kostengünstig und ohne ein kabelgebundenes System zu überwachen.“

 

Informationen zum Autor:

Yeung lam
UCLA Center for Embedded Networked Sensing
Tel: 310-498-3436
yeunglam@ucla.edu

The pulse-length data from the WSN nodes is sent to the CompactRIO base station.
The initial deployment site was a level of the UCLA medical building parking lot.