Moduł czujnika S-PARK SENSOR V2 jest podrzędnym elementem systemu parkingowego. Wspólnie z modułem wskaźnika S-PARK INDICATOR V2 tworzą zestaw dla pojedynczego miejsca parkingowego. W module czujnika zintegrowano niezależny nadajnik i odbiornik ultradźwiękowy. Do komunikacji z urządzeniem zastosowano interfejs RS-485 z wbudowanym protokołem MODBUS. W celu ułatwienia montażu, diagnostyki i serwisowania systemu, adresowanie modułów odbywa się automatycznie, zgodnie z planem instalacji. Źródłem zasilania dla zespołu czujników jest koncentrator strefowy dystrybuujący oraz kontrolujący napięcie stałe na magistrali.

Koncentrator wyposażony w klucze sterujące zasilaniem czujników może łatwo zresetować zespół czujników np. na wypadek utraty komunikacji z czujnikiem lub wyłączyć czujniki w określonych przedziałach czasu (porach dnia) w celu obniżenia zużycia energii przez system. Czujnik w trakcie komunikacji z koncentratorem synchronizuje swój własny zegar, który z kolei wytycza właściwe momenty pomiarowe i powoduje synchroniczną sygnalizację w systemie. Detekcja zajętości odbywa się na podstawie cyklicznego pomiaru odległości (wysokości) od przeszkody wykonywanego 5 razy na sekundę. Ze względu na fizyczne właściwości fal ultradźwiękowych, zastosowano pomiar prostopadle do centralnego punktu miejsca parkingowego. Dzięki odpowiedniemu zasięgowi, który obejmuje odległość od podłoża, można jednoznacznie określić zajętość.

Lokalnie status miejsca parkingowego jest sygnalizowany diodami umieszczonymi w module wskaźnika S-PARK INDICATOR V2. W celu odróżnienia ogólnodostępnych miejsc parkingowych od miejsc przeznaczonych dla osób niepełnosprawnych przewidziano dwa wykonania modułu różniące się kolorem diod, odpowiednio zielone i niebieskie. Stan zajętości jest wspólny dla obu opcji i sygnalizowany jest diodami czerwonymi. Moduł wskaźnika jest zasilany i sterowany bezpośrednio z modułu czujnika, nie jest oddzielnie adresowany i nie może działać samodzielnie.

Rysunek 2. Teoretyczny obszar działania fali ultradźwiękowej.

Fala ultradźwiękowa podlega wszystkim zjawiskom rozchodzenia się fal dźwiękowych, takim jak tłumienie fali w ośrodku (powietrzu), absorpcja energii fali przy odbiciu, czy interferencja fal padających i odbitych. Rodzaj materiału, kształt, chropowatość i pole powierzchni  przeszkody (pojazdu) mają duże znaczenie dla powrotu fali odbitej (możliwości pomiarowe). Jeszcze większy wpływ na powrót fali ma odległość od przeszkody i przede wszystkim kąt padania i odbicia fali. Na rysunku 1 przedstawiono teoretyczny obszar działania fali ultradźwiękowej zastosowanych nadajników i odbiorników. W rzeczywistości generowana fala charakteryzuje się bardzo dużą kierunkowością. Rysunek 2 ukazuje kilka najważniejszych przypadków, które mogą wystąpić na parkingu. W przypadkach a), d), e), i g) pomiar odległości należy uznać za właściwy. W przypadku b) istnieje prawdopodobieństwo że fala nie trafi do odbiornika. Dla przypadków c) i f) są nikłe szanse na powrót fali. Stawiając na skuteczność detekcji stanu zajętości, jedynym słusznym rozwiązaniem jest umieszczenie czujnika prostopadle do centralnego punktu miejsca parkingowego i detekcja stanu „wolnego” wyłącznie na podstawie pomiaru odległości od podłoża. Każdy inny stan powinien zostać uznany za „zajęty”. Na uwagę zasługuje przypadek h) dla którego można dokonać pomiaru przynajmniej dwóch odległości. Gdyby taka sytuacja wystąpiła na sąsiednich miejscach parkingowych można by powziąć informację o źle zaparkowanym pojeździe. Takie postępowanie niesie jednak za sobą ryzyko uznania np. motocykla za źle zaparkowany pojazd.

Rysunek 3. Różne przypadki generacji i powrotu fali na parkingu: a) detekcja podłoża;

b) prawdopodobieństwo powrotu fali; c) całkowite odbicie fali;

d) i g) pewny pomiar odległości; e) i h) pomiar różnych odległości;

f) całkowita absorpcja fali;

Ilustracja na rysunku 4. przedstawia wycinek tj. jedno piętro większego wielopoziomowego parkingu, w celu przybliżenia koncepcji systemu parkingowego S-PARK. Zobrazowane zostały  elementy wchodzące w skład systemu oraz połączenia pomiędzy nimi. Poszczególne elementy, takie jak sygnalizatory i tablice zostały oznaczone kolorami stosownie do prezentowanej sytuacji / działania.

Rysunek 4. Plansza parkingu z elementami systemu.

Działanie całego systemu opiera się na komunikacji typu master-slave pomiędzy koncentratorem „centralnym” a poszczególnymi koncentratorami „strefowymi”. Każdy koncentrator „strefowy”, niezależnie od jego umiejscowienia, posiada niepowtarzalny w systemie adres i jest „logicznie” (nie zawsze „fizycznie”) połączony wspólną, nadrzędną magistralą do koncentratora „centralnego”. Dlatego każde zapytanie trafia równocześnie do wszystkich koncentratorów, natomiast odpowiada tylko jeden, który został odpowiednio zaadresowany.

Koncentratory „przekaźnikowe” wpięte szeregowo w magistralę są dla niej „logicznie” transparentne. Ich zadaniem jest analizowanie odpowiedzi pochodzących od koncentratorów znajdujących się we wspólnej gałęzi, sumowanie i wyświetlanie na tablicach kierunkowych dostępnych „wolnych” miejsc parkingowych. Dodatkowo pełnią funkcje wzmacniaczy magistrali pomiędzy piętrami lub większymi obszarami.

Rysunek 5. Konfiguracja A połączeń w systemie S-PARK.

Na rysunku 6. przedstawiono szczególny przypadek struktury drzewiastej systemu, w której tablice kierunkowe wskazują sumaryczną liczbę „wolnych” miejsc z coraz to mniejszych podobszarów, w miarę przemieszczania się w głąb parkingu.

Rysunek 6. Konfiguracja B połączeń w systemie S-PARK.

Dla prostszych parkingów, gdzie nie ma potrzeby stosowania tablic kierunkowych, można zrezygnować z koncentratorów „przekaźnikowych”. Wtedy funkcję sumatora „wolnych” miejsc dla całego systemu spełniać będzie koncentrator „centralny”. Przykład konfiguracji takiego systemu ilustruje rysunek 4c. W przypadku parkingu o niewielkiej pojemności tj. kilkudziesięciu miejsc, wystarczy zastosować samodzielny koncentrator „centralny” w konfiguracji przedstawionej na rysunku 4d. Jeżeli system nie wymaga obsługi przez operatora i można zrezygnować z komputera, to wystarczy zastosować koncentrator „przekaźnikowy” zgodnie z rysunkiem 4e. Gdyby w systemie była pojedyncza aleja lub dwie i nie potrzebna byłaby informacja o łącznej liczbie „wolnych” miejsc wystarczyłoby zastosować koncentrator „strefowy”, tak jak na rysunku 4f. Podsumowując każde wykonanie koncentratora pozwala na koordynację pracy dwóch alei.

Rysunek 7. Konfiguracje C, D, E, F połączeń w systemie S-PARK.

Dwie aleje przynależące do jednego koncentratora zorganizowane mogą być zgodnie z rysunkiem 5. Ponieważ wyświetlacze mają na sztywno przypisane adresy 101 dla pierwszej alei i 102 dla drugiej, można je wpiąć w dowolne miejsce magistrali w sposób pokazany na rysunku 5, konfiguracje g, h, i, j. Magistrala podrzędna została wyposażona w linie do sprzętowego adresowania czujników. Adresy przydzielane są zgodnie z kolejnością przypięcia czujnika do magistrali, począwszy od czujnika najbliższego koncentratorowi. Stąd kolejność pierwszej instalacji czujników nie ma znaczenia. Jeżeli instalacja jest wykonana prawidłowo, tj. w przypadku gdy zgłoszą się wszystkie wpięte czujniki, należy zapisać adres w pamięci nieulotnej czujnika, poprzez wysłanie z aplikacji odpowiedniego rozkazu typu rozgłoszeniowego. Wtedy nawet w przypadku awarii jednego z czujników komunikacja przebiegać będzie zgodnie z planem instalacji. Przy wymianie czujnika należy jednak pamiętać, że należy zastosować czujnik z wyzerowanym adresem, dzięki temu sam przydzieli sobie adres. Wszystkie te operacje można przeprowadzić z poziomu aplikacji na PC.

Rysunek 8. Konfiguracje G, H, I, J połączeń w systemie S-PARK.nstalacja

Podsumowując można stwierdzić, że skalowalność systemu oraz jego funkcjonalności już dzisiaj wyprzedzają rozwiązania konkurencyjne na rynku. Dodatkow funkcjonalności prawdopodobnie pozwolą na uznanie tego sytemu jako jednego z najlepszych na świecie. Wymaga to jednak wielu wdrożeń i testowania aktualnych konstrukcji połączonych z działaniami R&D, głównie w warstwie oprogramowania oraz współpracy z urządzeniami mobilnymi.

W ramach działań R&D Klastra INTELIGENTNA INFRASTRUKTURA - na podstawie materiałów Krzysztofa Tworkowskiego oraz Konrada Moskowczenko opracował: Witold Borowski - Sotronic Sp. z o.o.

Balice, 20 marca 2012

Zapraszamy na prezentację systemu na Targach Intertelekom w Łodzi.

13.00, 19 kwietnia 2012, Łódź, al. Politechniki 2.

Klaster Inteligentna infrastruktura – konferencja prezentująca rozwiązania na rzecz rozwoju systemów aktywnie wspomagających funkcjonowanie człowieka w środowisku.

Moderator: Witold Borowski, Organizator: Sotronic Sp. z o.o.