CN104464385B - 基于无线传感器网络的机场停机位检测***及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于无线传感器网络的机场停机位检测***，***由采用无线网络进行通信的地磁检测节点、路由节点、汇聚节点和中心服务器组成；地磁检测节点通过检测飞机对停机位磁场的扰动变化量来判定停机位占用/空闲状态，其将停机位状态信息通过汇聚节点传输至中心服务器；中心服务器提供地磁检测节点管理服务，数据库服务和现场监控显示服务。基于此***的检测方法采用求取地磁数据差分绝对值数据，根据差分绝对值求取总扰动磁场强度数据，与设定的扰动阈值进行比较来判断停机位状态的方式；求取地磁数据差分绝对值，可以消除信号漂移对检测结果的影响；通过设置扰动阈值，有效避免相邻停机位对检测结果的影响；方法检测精度高，判断准确。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术以及交通领域内的检测方法，尤其是一种基于无线传感器网络的机场停机位检测***及检测方法。
背景技术
随着航空运输业的发展，机场的飞机架次迅速增长。机场容量不仅取决于跑道容量，还与机场停机位资源利用率有关。将停机位高效地分配给进场飞机的首要问题是及时获知停机位的状态信息，即停机位是处于占用状态还是空闲状态。
目前，对于停机位状态检测，总体来说，一般采用人工报告的方式进行检测。通过接收航班的实际落地时间和实际起飞时间报文，来检测停机位的状态。即停机位管理***接收到航班实际落地时间报文，就认为某一停机位已被该航班占用；停机位管理***接收到航班实际起飞时间报文，才认为某一停机位由占用状态转变为空闲状态。另外，在特殊情况下，例如航班延误、航班不能按时抵港、航班取消等情况，则会采用安装在停机位附近区域的监控摄像进行检测，或者通过电话方式通知塔台管制员进行协助检测，或者要求停机位附近的工作人员帮助进行检测。
目前对停机位状态检测的方式存在以下问题：通过接收航班的实际落地时间和实际起飞时间报文的方式，会造成停机位资源的浪费。因为航班落地即认为某一停机位被该航班占用，而实际情况航班落地至飞机滑行到该停机位还有一段时间，这段时间内该停机位并未被占用。航班起飞才认为某一停机位处于空闲状态，而实际情况飞机离位到飞机起飞这段时间，停机位已经处于空闲状态，也并未被占用。另外采用监控摄像技术，成本较高，容易受到恶劣天气和建筑物遮挡的影响，无法满足大尺度范围内的停机位状态检测的需求。通过电话方式通知塔台管制员进行协助检测，或者要求停机位附近的工作人员帮助进行检测等这几种方式都属于人工方式，检测效率低下。而且可能因为人为因素的影响会造成误检，漏检的情况。
发明内容
所要解决的技术问题：
本发明要解决的技术问题是针对现有停机位状态检测方式的不足，效率低下，停机位资源浪费等问题，提出一种基于无线传感器网络的机场停机位检测***及方法。
技术方案：
为了实现以上功能，本发明提供了一种基于无线传感器网络的机场停机位检测***，其特征在于，该***包括地磁检测节点、路由节点、汇聚节点和中心服务器，所述地磁检测节点、路由节点和汇聚节点之间采用网状无线网络结构；
所述地磁检测节点用于获取停机位的占用/空闲状态信息，其将节点ID、电量信息、无线通信信号强度值以及获取到的停机位状态信息编码成数据包通过多跳形式经路由节点传输至汇聚节点；所述地磁检测节点不但具有传感检测功能，同时具有路由功能；
所述汇聚节点通过路由节点接收来自地磁检测节点的数据信息，然后通过通信网络传输至中心服务器；
所述中心服务器提供停机位属性信息，并且对汇聚节点发送来的数据包进行分析处理；其提供地磁检测节点管理服务，数据库服务和现场监控显示服务。
进一步的，所述地磁检测节点设置在飞机停靠状态下主起落架和发动机所覆盖停机位区域的中心位置；其包括地磁信息采集模块、主控模块、无线收发模块、数据存储模块和电源模块；所述地磁信息采集模块用于采集停机位区域的磁场数据，通过主控模块对磁场数据分析处理来获取飞机对磁场的扰动变化量，检测飞机抵港、停靠、出港事件，以此判定停机位的占用或者空闲状态。
进一步的，所述的中心服务器提供的地磁检测节点管理服务，数据库服务和现场监控显示服务具体指：
所述地磁节点管理服务用于监测地磁检测节点的工作状态，在节点入网失败，电量不足，信号强度过弱等情况下，向***发出告警信息；数据库服务用于保存停机位对应的节点ID以及停机位的属性信息；现场监控显示服务用于提供基于地图地理信息将停机位的现场状态反映到监控显示界面上；同时，连接数据库在相应停机位显示停机位的属性信息，并结合航班计划和航班动态变更情况对停机位进行预分配和实时动态分配。
基于无线传感器网络的机场停机位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，停机位处于空闲状态时地磁检测节点上的磁阻传感器开始周期性采集所检测区域的磁场x，y，z三个轴向的磁场数据Bx(k)，By(k)，Bz(k)，k为当前采集数据的周期数；
步骤二，首先采用当前周期采集的数据与前一周期采集的数据进行差分绝对值，即ΔBi(k)＝|Bi(k)-Bi(k-1)|，i＝x,y,z；若ΔBi(k)小于或等于预先设定的阈值Qi，则继续采用上述方法进行差分绝对值；若大于预先设定的阈值Qi，则保留Bi(k-1)作为差分绝对值的基准值，随后周期性采集的数据Bi(k+r)与Bi(k-1)作差分绝对值以求取ΔBi(k+r)，r为当前周期之后的采集次数增加量，r＝1,2,3,……，直至ΔBi(k+r)小于预先设定的阈值Qi时，则再次采取当前周期采集的数据与前一周期采集的数据进行差分绝对值的方法求取差分绝对值，如此循环此步骤便可获得差分绝对值数据向量Li；
步骤三，根据求取总扰动磁场强度数据B(k)；
步骤四：总扰动磁场强度B(k)二值化处理，确定扰动阈值T，若B(k)＞T，设置U(k)＝1；若B(k)≤T，设置U(k)＝0；
步骤五：停机位状态判断，当U(k)由0变为1时，计数器T1开始计数，在U(k)＝1保持不变的过程中，若计数器T1的计数值大于预先设定的阈值N，则认为停机位有飞机停靠，即停机位处于占用状态；若计数器T1的计数值未达到预先设定阈值N，U(k)由1变为0时，将计数器T1复位，则认为在该过程中U(k)＝1为外界干扰情况，停机位并没有飞机停靠，处于空闲状态；若U(k)一直保持为0，则认为停机位没有飞机停靠，一直处于空闲状态。
作为一种优选，在所述步骤四中，由于单个停机位区域较大，相邻停机位停靠飞机对本停机位的磁场影响较小；根据现场实际测试相邻停机位停靠飞机对本停机位的磁场扰动量Bnei(k)，在满足Bnei(k)＜T的条件下设置扰动阈值T来消除相邻停机位停靠飞机对本停机位状态的检测结果的影响。
有益效果：
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用地磁检测技术，并结合无线传感器网络技术对停机位状态进行检测，检测精度高，不需要大量现场布线，维护方便，功耗小，成本低，便于安装部署。
2、基于无线传感器网络的停机位检测***的搭建能够实时的为运行管理人员提供精确的停机位状态信息，从而结合航班计划可以高效，准确地对停机位进行预分配和实时动态分配。
3、基于无线传感器网络的停机位检测***及方法为停机位检测提供了一种自动化，智能化，网络化，信息化的方案，解决了当前检测效率低下，停机位资源浪费等问题，避免了人为因素的影响会造成误检，漏检等情况。同时减轻了工作人员的工作负荷，在一定程度上增大了机场容量，对机场的收益产生积极影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明提供的基于无线传感器网络的停机位检测***构成框图；
图2是本***中地磁检测节点构成框图；
图3是本***中中心服务器功能构成框图；
图4是本***中汇聚节点的软件流程图；
图5是本***中路由节点的软件流程图；
图6是本***中地磁检测节点的软件流程图；
图7是本发明提供的基于无线传感器网络的停机位检测方法流程图；
图中，101-地磁检测节点、102-路由节点、103-汇聚节点、104-中心服务器、201-地磁信息采集模块、202-主控模块、203-无线收发模块、204-数据存储模块、205-电源模块。
具体实施方式
本发明提供一种基于无线传感器网络的机场停机位检测***及检测方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的基于无线传感器网络的机场停机位检测***，包括地磁检测节点101，路由节点102，汇聚节点103和中心服务器104。地磁检测节点101、路由节点102和汇聚节点103之间采用网状无线网络结构。每个地磁检测节点101部署在飞机停靠状态下主起落架和发动机所覆盖停机位区域的中心位置，用于检测飞机对停机位磁场的扰动变化量，以此来判定停机位的占用/空闲状态。地磁检测节点101将节点ID、电量信息、信号强度值(RSSI)以及检测状态信息编码成数据包通过多跳形式经路由节点102传输至汇聚节点103；汇聚节点103通过路由节点102接收来自地磁检测节点101的数据包，然后通过通信网络传输至中心服务器104；中心服务器104提供地磁检测节点管理服务，数据库服务和现场监控显示服务。
如图2所示，本发明的磁检测节点101主要由地磁信息采集模块201、主控模块202、无线收发模块203、数据存储模块204和电源模块205组成。地磁信息采集模块201采用Honeywell公司生产的HMC5883L磁阻传感器；中央处理单元模块202、数据存储模块203和无线收发模块204采用TI公司生产的CC2530***级射频芯片；电源模块205采用锂电池或太阳能电池进行供电。HMC5883L与CC2530之间采用模拟IIC通信方式进行数据通信。地磁检测节点101不但具有传感检测功能，同时具有路由功能。
如图3所示，中心服务器主要提供地磁检测节点管理服务，数据库服务和现场监控显示服务三部分功能。汇聚节点与中心服务器之间进行数据传输的通信网络采用串口通信方式。
中心服务器的工作过程：通过串口获得数据包，对数据包进行分析处理，以获得地磁检测节点ID、电量信息、信号强度(RSSI)以及停机位状态信息；地磁节点管理服务用于监测地磁检测节点的工作状态信息(节点入网信息、电量信息和无线通信信号强度信息)，在节点入网失败，电量不足，信号强度过弱等情况下，向***发出告警信息；通过地磁检测节点ID在数据库中搜索该地磁检测节点映射的停机位编号和该停机位属性信息；最后通过可视化地图地理信息显示界面，实时显示界面相应停机位的状态信息以及停机位的属性信息。
汇聚节点的软件流程图如图4所示，ZigBee协议中的无线网络是由事前被定义为协调器的汇聚节点来建立的。汇聚节点与中心服务器连接成功后，进行建立网络。建立网络成功后，路由节点和地磁检测节点将发出加入网络的申请，汇聚节点对其分配网络短地址。最后，汇聚节点接收经路由节点中继来自地磁检测节点的数据包上传到中心服务器进行数据包的分析处理。
路由节点的软件流程图如图5所示，路由节点申请加入由汇聚节点建立的ZigBee网络，入网成功后将发挥路由中继的功能，进行数据包的接收和发送。
地磁检测节点的软件流程图如图6所示，地磁检测节点即为ZigBee网络中的终端节点，是整个网络***的数据采集的执行机构，地磁检测节点入网成功后，采用定时器模式控制节点周期性休眠唤醒动作，节点在休眠状态下，MCU休眠从而降低节点功耗；唤醒状态下采集地磁数据，通过检测方法判断停机位状态，将当前周期判断的停机位状态与前一周期判断的停机位状态进行对比，若发生变化，则节点的无线收发模块将包含停机位状态信息的数据包经路由节点中继发送至汇聚节点；若停机位状态相同，则节点唤醒次数j加1，然后判断唤醒次数是否大于预设阈值Tj，若大于Tj，节点的无线收发模块将包含停机位状态信息的数据包经路由节点中继发送至汇聚节点。采用这种数据无线发送方式，可以有效降低整个无线传感器网络的功耗。
数据包格式如表1所示，数据包有数据包类型、节点ID、电量信息、信号强度(RSSI)、停机位状态信息构成。其中数据包类型占据1个字节的存储空间，节点ID占据2个字节的存储空间，电量信息占据1个字节的存储空间，信号强度(RSSI)占据1个字节的存储空间，停机位状态信息占据1个字节的存储空间。
表1
本实施例为基于无线传感器网络的机场停机位检测方法。其方法流程图如图7所示，包括以下步骤：
步骤一：停机位处于空闲状态时，部署在飞机停靠状态下主起落架和发动机所覆盖停机位区域的中心位置的地磁检测节点上的磁阻传感器开始周期性采集所检测区域的磁场x，y，z三个轴向的磁场数据Bx(k)，By(k)，Bz(k)，k为当前采集数据的周期数。
一段时间内在某停机位位置采集的x，y，z每个轴向的数据：
Bx＝[191.36,192.28,190.44,192.28,191.36,
174.80,149.96,121.44,237.36,268.64,
238.28,240.52,240.68,243.71,242,54,
242.91,241.83,242.37,241.85,]；
By＝[277.84,276.00,278.76,278.76,277.68,
229.68,255.36,254.04,232.56,253.00,
204.24,204.60,201.28,205.44,203.40,
206.80,204.80,205.68,204.24]；
Bz＝[-372.36,-371.60,-373.52,-372.60,-372.68,
-345.92,-335.80,-320.16,-336.72,-346.96,
-326.28,-324.75,-320.76,-324.41,-324.40,
-323.76,-324.59,-324.47,-325.08,]
步骤二：求取差分绝对值数据向量
Li＝[ΔBi(1),ΔBi(2),ΔBi(3),…,ΔBi(k-1),ΔBi(k),…,ΔBi(k+r),…] i＝x,y,z
具体差分方法是：首先采用ΔBi(k)＝|Bi(k)-Bi(k-1)|进行差分绝对值，即当前周期采集的数据与前一周期采集的数据进行差分绝对值。若ΔBi小于或等于预先设定的阈值Qi，则继续采用上述方法进行差分绝对值；若大于预先设定的阈值Qi，则保留Bi(k-1)作为差分绝对值的基准值，随后周期性采集的数据Bi(k+r)与Bi(k-1)做差分绝对值以求取ΔBi(k+r)，r为当前周期之后的采集次数增加量，r＝1,2,3,……。直至ΔBi(k+r)小于预先设定的阈值Qi时，则再次采取当前周期采集的数据与前一周期采集的数据进行差分绝对值的方法求取差分绝对值值，如此循环此步骤便可获得差分绝对值数据向量Li。
根据上述方法,预先设置x，y，z三个轴向的差分绝对值的阈值为Qx＝15.00，Qy＝20.00，Qz＝25.00。可求取差分绝对值数据向量：
Lx＝[0.92,1.84,1.84,0.92,16.56,41.40,69.92,46.00,77.28,46.92,49.16,49.32,52.35,51.18,51.55,50.47,51.01,50.49]；
Ly＝[1.84,2.76,0.00,1.08,48.00,22.32,23.64,45.12,24.68,73.44,73.08,76.40,72.24,74.28,70.88,72.88,72.00,73.44]；
Lz＝[0.76,1.92,0.92,0.08,26.76,36.88,52.52,35.96,25.72,46.40,47.93,51.92,48.27,48.28,48.92,48.09,48.21,47.60]；
步骤三：求总扰动磁场强度数据B(k)。
若停机位处于空闲状态，即地磁检测节点采集的停机位区域x，y，z三个轴向的背景磁场量，则合成后的B(k)的数值在零值附近进行变化；若停机位处于占用状态，即地磁检测节点采集的即地磁检测节点采集的飞机对停机位区域磁场x，y，z三个轴向的扰动磁场量，则合成后的B(k)的数值就会发生较大的扰动该变量。
根据上述方法可以求得总扰动磁场强度数据：
B＝[2.19,3.83,2.05,1.42,57.40,59.77,90.59,73.79,85.10,98.73,100.27,104.71,
101.44,102.31,100.37,100.85,100.55,101.04]
步骤四：确定扰动阈值T，对总扰动磁场强度B(k)进行二值化处理。若B(k)＞T，设置U(k)＝1；若B(k)≤T，设置U(k)＝0。
根据上述方法，预先设定扰动阈值为T＝50.00，则二值化向量为
U＝[0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]
步骤五：停机位状态判断。当U(k)由0变为1时，计数器开始计数，在U(k)＝1保持不变的过程中，若计数器的计数值大于预先设定的阈值N，则认为停机位处于占用状态，即有飞机停靠在该停机位。若计数器的计数值未达到预先设定阈值N，U(k)由1变为0时，将计数器复位，则认为在该过程中U(k)＝1为外界干扰情况，停机位并没有飞机停靠，处于空闲状态。若U(k)一直保持为0，则认为停机位没有飞机停靠，一直处于空闲状态。
根据上述步骤，预先设定N＝10，则可判定U(5)～U(18)这段过程中停机位处于占用状态，其他过程停机位处于空闲状态。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.基于无线传感器网络的机场停机位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，停机位处于空闲状态时地磁检测节点上的磁阻传感器开始周期性采集所检测区域的磁场x，y，z三个轴向的磁场数据Bx(k)，By(k)，Bz(k)，k为当前采集数据的周期数；
步骤二，首先采用当前周期采集的数据与前一周期采集的数据进行差分绝对值，即ΔBi(k)＝|Bi(k)-Bi(k-1)|，i＝x,y,z；若ΔBi(k)小于或等于预先设定的阈值Qi，则继续采用上述方法进行差分绝对值；若大于预先设定的阈值Qi，则保留Bi(k-1)作为差分绝对值的基准值，随后周期性采集的数据Bi(k+r)与Bi(k-1)作差分绝对值以求取ΔBi(k+r)，r为当前周期之后的采集次数增加量，r＝1,2,3,……，直至ΔBi(k+r)小于预先设定的阈值Qi时，则再次采取当前周期采集的数据与前一周期采集的数据进行差分绝对值的方法求取差分绝对值，如此循环此步骤便可获得差分绝对值数据向量Li；
步骤三，根据求取总扰动磁场强度数据B(k)；
步骤四：总扰动磁场强度B(k)二值化处理，确定扰动阈值T，若B(k)＞T，设置U(k)＝1；若B(k)≤T，设置U(k)＝0；
步骤五：停机位状态判断，当U(k)由0变为1时，计数器T1开始计数，在U(k)＝1保持不变的过程中，若计数器T1的计数值大于预先设定的阈值N，则认为停机位有飞机停靠，即停机位处于占用状态；若计数器T1的计数值未达到预先设定阈值N，U(k)由1变为0时，将计数器T1复位，则认为在该过程中U(k)＝1为外界干扰情况，停机位并没有飞机停靠，处于空闲状态；若U(k)一直保持为0，则认为停机位没有飞机停靠，一直处于空闲状态。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的机场停机位检测方法，其特征在于，在所述步骤四中，由于单个停机位区域较大，相邻停机位停靠飞机对本停机位的磁场影响较小；根据现场实际测试相邻停机位停靠飞机对本停机位的磁场扰动量Bnei(k)，在满足Bnei(k)＜T的条件下设置扰动阈值T来消除相邻停机位停靠飞机对本停机位状态的检测结果的影响。
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