基于GMR傳感器的無線車位檢測算法研究及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張森 白茹 朱禮堯 錢正洪

摘 要：文中研究了一種基于自旋閥巨磁阻（GMR）傳感器的車位監(jiān)測算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)車位管理系統(tǒng)。車位監(jiān)測算法的核心是二級基線跟蹤算法，算法設(shè)置一大一小兩個(gè)閾值，通過小閾值控制基線跟蹤，通過大閾值判斷車位狀態(tài)。磁傳感器采用東方微磁公司研發(fā)的高靈敏度、低功耗的GMR傳感器SAS022-1和VA100F3。系統(tǒng)通過檢測車輛對地磁場的擾動大小來判斷停車位是否存在車輛，并將車位信息通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，由上位機(jī)軟件顯示車位信息。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)體積小、功耗低、檢測精度高，能夠廣泛用于停車場管理。

關(guān)鍵詞：三軸GMR傳感器；ZigBee；車位檢測；停車管理；基線跟蹤

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-05

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量正逐年攀升，對城市交通系統(tǒng)造成了巨大的壓力[1]，給城市帶來了嚴(yán)重的停車問題。以目前數(shù)據(jù)來看，汽車泊位的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了停車的需要，停車已經(jīng)成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、妨礙市民日常生活的大問題。因此，解決城市停車問題不僅可以緩解城市交通，還對促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。提高停車場的工作效率成了解決停車問題的一種思路。

高效的停車場管理系統(tǒng)可大大提高停車場工作效率，其中車位檢測技術(shù)是關(guān)鍵。目前國際上常用的車位檢測技術(shù)[2]有超聲波檢測[3]、紅外檢測[4]、環(huán)行線圈檢測[5]、視頻檢測、地磁傳感器檢測[6]。超聲波檢測具有安裝方便，壽命長，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是探測精度易受環(huán)境影響，抗干擾能力差；紅外檢測有良好的直線性，抗干擾性能好，成本低，響應(yīng)速度快，但是極易受到環(huán)境的影響，特別是熱源的影響；環(huán)形線圈檢測技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，抗干擾能力強(qiáng)，但是安裝麻煩，施工強(qiáng)度大，易損壞，壽命短，維護(hù)費(fèi)用高；視頻檢測的單一攝像頭可以同時(shí)檢測多個(gè)車位，起到安防作用，但是成本高，技術(shù)成熟度不夠；地磁檢測是一種新的檢測方法，它的優(yōu)點(diǎn)是精準(zhǔn)度高、可靠性高，不易受環(huán)境影響，成本低、體積小，適用于各種停車場，能夠應(yīng)付各種惡劣天氣。

1 檢測原理

地球自帶0.5～0.6高斯的磁場，地球表面各處的磁場強(qiáng)度大小和方向都因地而異，地表磁場受各種因素如天氣、周圍環(huán)境的影響會隨著時(shí)間而發(fā)生改變。鐵磁性物體會對磁場的分布產(chǎn)生擾動，具體的擾動和鐵磁性物體的結(jié)構(gòu)、形狀和材質(zhì)有關(guān)。

眾所周知，汽車絕大部分部件的材質(zhì)是鋼材或者鐵質(zhì)，所以汽車會對地磁場產(chǎn)生很大的擾動，通過磁傳感器檢測地磁的擾動，對磁場變化信號采樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波和算法分析，便可判斷是否有車輛存在。

本文采用的東方微磁公司的自旋閥巨磁電阻（GMR）傳感器芯片是用于檢測磁場的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。當(dāng)向電橋供電后，在敏感軸方向加入磁場強(qiáng)度會引起電橋電阻元件的變化，導(dǎo)致電橋輸出端的電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化，即傳感器的輸出電壓變化量與外加磁場強(qiáng)度成正比，具有寬測量范圍、高靈敏度、低磁滯、低溫漂和優(yōu)良的線性度等特點(diǎn)。

系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530作為主控芯片，東方微磁公司的巨磁阻傳感器使用ZigBee技術(shù)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]，當(dāng)有車輛停在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上方時(shí)，三軸巨磁阻傳感器可以探測到磁場的變化，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)把車位狀態(tài)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再把信息轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，通過客戶端便可查詢到車位信息。車位檢測系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 車位檢測系統(tǒng)流程

2 檢測算法

磁傳感器采集的信號需要進(jìn)行濾波、去噪處理，地磁場在短時(shí)間內(nèi)受環(huán)境、天氣影響非常小，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，但是從長時(shí)間來看，地磁場自身可能會發(fā)生微弱的變化或者受到環(huán)境、天氣、周圍建筑的影響而發(fā)生改變。因此，車位檢測首先需要檢測出背景磁場強(qiáng)度的大小，即基線值?；€值在短時(shí)間內(nèi)是平穩(wěn)的，但是從長時(shí)間來看，基線值是變化的，所以基線跟蹤算法是車位檢測的關(guān)鍵。

2.1 信號濾波

系統(tǒng)使用滑動濾波[8]對磁傳感器采集的信號進(jìn)行濾波處理，具體步驟是對當(dāng)前信號及前N-1個(gè)信號做均值處理，這種方法可有效去除噪聲干擾，對磁場信號M（k）做N次滑動濾波處理后的均值A(chǔ)（k）如公式（1）所示：

在公式（2）中，Bi（k）代表基線值，αi代表加權(quán)系數(shù)，Ai（k）代表傳感器采集的磁場信號大小。加權(quán)系數(shù)越大，基線跟蹤速度越快。

但現(xiàn)實(shí)情況是，在車輛停入車位的過程中，已經(jīng)對周圍的地磁場產(chǎn)生了較大的擾動，但數(shù)據(jù)是小于閾值的，在這種情況下會執(zhí)行基線跟蹤，基線值會發(fā)生改變，檢測正確率會降低。為了解決這個(gè)問題，必須保證在這種情況下基線值保持不變，一種方法是用較小的加權(quán)系數(shù)值αi，但是較小的加權(quán)系數(shù)會使跟蹤速度大大降低。

本文采用的方法是設(shè)定兩個(gè)閾值，當(dāng)傳感器采集的磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)與基線值差的絕對值小于閾值1時(shí)，執(zhí)行基線跟蹤；當(dāng)數(shù)據(jù)大于閾值1小于閾值2時(shí)，基線值與上一狀態(tài)保持一致；當(dāng)數(shù)據(jù)大于閾值2時(shí)，則判斷車位狀態(tài)改變，基線值與上一狀態(tài)保持一致。為閾值1、閾值2、加權(quán)系數(shù)設(shè)置合適的值可取得非常好的檢測效果。二級基線跟蹤流程如圖4所示。

圖4 二級基線跟蹤流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為采集節(jié)點(diǎn)、路由器、服務(wù)器軟件三個(gè)部分。采集節(jié)點(diǎn)[10]安裝在車位上，負(fù)責(zé)采集車位地磁場信號并發(fā)送信息到路由器。路由器負(fù)責(zé)管理接入它的采集節(jié)點(diǎn)和路由器，橋接采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信，協(xié)調(diào)器是一種特殊的路由器，在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，它負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由器和采集節(jié)點(diǎn)，通過串口與服務(wù)器通信，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器之間通信的橋梁，路由器和協(xié)調(diào)器在硬件上沒有任何區(qū)別。采集節(jié)點(diǎn)使用鋰電池供電，并運(yùn)行在低功耗模式。經(jīng)測量，采集節(jié)點(diǎn)在低功耗模式下的工作電流為0.1 mA，使用800 mAh的鋰電池供電，理論上可持續(xù)工作333天。路由器和協(xié)調(diào)器都采用直流電源供電。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上最多可容納65 535個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)過多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延過大，在實(shí)際情況中，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不會超過500個(gè)。當(dāng)停車位超過500個(gè)時(shí)，可在停車場部署多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)以滿足需求。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)最重要的部分，它負(fù)責(zé)對磁場信號的采集、濾波、處理及傳輸，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊組成，硬件框圖如5所示。

圖5 硬件框圖

GMR傳感器是信號采集模塊的核心，系統(tǒng)使用東方微磁公司生產(chǎn)的雙軸SAS022-1和單軸VA100F3自旋閥巨磁阻傳感器組合成三軸傳感器，通過對三個(gè)互相垂直方向的磁場測量，從而更準(zhǔn)確的進(jìn)行車位檢測。由于GMR傳感器[11]的輸出是毫伏級，不便于直接采集使用，所以系統(tǒng)使用LM2904低功耗雙運(yùn)算放大器，對信號放大100倍；使用一階無源RC低通濾波電路對放大后的信號進(jìn)行濾波處理，濾除低頻信號。信號采集模塊原理圖如圖6所示。

系統(tǒng)各功能節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.3 V，而鋰電池提供的電壓是3.7 V，故采用TPS63001芯片來實(shí)現(xiàn)3.7 V～3.3 V的電壓。TPS63001的有效率高達(dá)96%，在3.3 V的降壓和升壓模式中輸出電流達(dá)到1 200 mA和800 mA，器件的靜態(tài)電流小于50 uA，輸入電壓范圍為1.8 V～5.5 V。電源管理模塊原理圖如圖7所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

采集數(shù)據(jù)之后，主控芯片CC2530需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行算法濾波、執(zhí)行基線跟蹤，并且使用ZigBee技術(shù)組建傳感器網(wǎng)絡(luò)[12]。

系統(tǒng)采用TI公司推出的半開源ZigBee協(xié)議棧ZStack，它是基于輪詢式的操作系統(tǒng)，定義了物理層、媒體介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，用戶只需要根據(jù)需求編寫應(yīng)用層的程序即可實(shí)現(xiàn)ZigBee通訊。系統(tǒng)使用協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備（采集節(jié)點(diǎn)）三種設(shè)備類型。

協(xié)調(diào)器啟動后會創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)路由器或終端設(shè)備啟動后會自動搜索可用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并自動加入網(wǎng)絡(luò)，向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送上線通知，包括節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)設(shè)備id、短地址，在網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)設(shè)備id、短地址進(jìn)行通信。當(dāng)終端設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，便會采集磁場數(shù)據(jù)并分析，通過網(wǎng)絡(luò)將車位信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口與服務(wù)器通信，將信息發(fā)送到服務(wù)器軟件上。

服務(wù)器軟件使用Java語言編寫，由串口通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、顯示模塊三部分組成。

串口通信模塊負(fù)責(zé)底層串口通信，接收、發(fā)送串口數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)解析模塊負(fù)責(zé)將通信模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，按照約定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)，解析出數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式如圖8所示；顯示模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)解析模塊解析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并以圖形界面形式進(jìn)行顯示，軟件界面如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 車輛磁場分布

對車位進(jìn)行有效檢測的關(guān)鍵是設(shè)置合適的閾值，這需要測量分析車輛底部不同位置對地磁場的擾動大小。采集節(jié)點(diǎn)放置在車位左側(cè)、右側(cè)或中央都可以，但考慮到實(shí)際情況，車輛不一定能夠準(zhǔn)確停在車位正中心，所以采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)該放置在車位左右中心位置。

本文在東西和南北朝向的車位上進(jìn)行測試，車輛為福特汽車。在南北方向車位上，車輛向南行駛；在東西朝向車位上，車輛向東行駛。正北為x軸正方向，正東為y軸正方向，垂直于地面向上為z軸正方向。在測試中，采集節(jié)點(diǎn)放置在車位中央，汽車低速行駛，汽車中心從采集節(jié)點(diǎn)上經(jīng)過。圖10為本文的測量方法示意圖。

圖8 數(shù)據(jù)幀格式

圖9 軟件界面圖

圖10 測量示意圖

其中，南北方向與東西方向停車位三軸磁場曲線圖如圖11和圖12所示。從圖中可以看出，當(dāng)車輛距離采集節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)周圍地磁場基本沒有變化；當(dāng)車輛從采集節(jié)點(diǎn)上方行駛過去時(shí)，周圍地磁場發(fā)生較大變化，且東西方向與南北方向車位的 x、y、z軸的變化趨勢是一致的。由于磁傳感器各個(gè)軸的偏置電壓不同，因此每個(gè)傳感器的偏置電壓也有所不同，且在同一地點(diǎn)各個(gè)方向的磁場強(qiáng)度不同，所以x、y、z三軸數(shù)據(jù)在沒有車輛影響時(shí)會有所不同。

圖11 南北方向x、y、z軸磁場曲線圖

圖12 東西方向車位x、y、z軸磁場曲線圖

為了進(jìn)一步說明問題，采集無車輛影響情況下磁場值的均值作為基線電壓值，繪制x、y、z軸與基線電壓差值曲線如圖13所示。由于發(fā)動機(jī)和前車軸的影響，在車頭附近x、y軸磁場出現(xiàn)了一個(gè)波峰，z軸出現(xiàn)了一個(gè)波谷，在后車軸的影響下，三個(gè)軸出現(xiàn)了相反的變化。在車尾之后，x、y、z軸曲線并沒有完全回歸到0，這是因?yàn)閭鞲衅靼l(fā)生了磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象是指鐵磁質(zhì)磁化狀態(tài)的變化總是落后于外加磁場的變化，在外磁場撤消后，鐵磁質(zhì)仍能保持原有的部分磁性[13]。本系統(tǒng)的二級基線跟蹤算法可消除磁滯現(xiàn)象對檢測精度的影響。

（a） 南北方向車位x、y、z軸與基線電壓差值

（b） 東西方向車位x、y、z軸與基線電壓差值

圖13 各個(gè)方向車位的x、y、z軸與基線電壓差值

4.2 車位判定

由于單一軸向的磁場容易受車輛停車方向與位置的影響，綜合利用x、y、z軸三個(gè)方向的磁場數(shù)據(jù)可以大大降低單一軸向上的磁場所受的影響，所以使用x、y、z軸與對應(yīng)基線值差的絕對值之和進(jìn)行車位判定。圖14所示是東西、南北方向車位x、y、z軸與基線值差的絕對值之和，基線值指在無車輛影響的情況下采集節(jié)點(diǎn)采集的磁場值的均值。

（a）南北方向車位三軸與基線值差的絕對值之和

（b）東西方向車位三軸與基線值差的絕對值之和

圖14各個(gè)方向車位的x、y、z軸與基線值差的絕對值之和

根據(jù)圖14可知，在車輛底部大部分范圍內(nèi)，圖中數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)大于0，采集節(jié)點(diǎn)可以安裝在停車位中大部分位置?？紤]到實(shí)際情況，為了降低周圍車輛的影響，避免采集節(jié)點(diǎn)被車輛碾壓，采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)安裝在停車位正中央?？山⒑线m的閾值進(jìn)行基線跟蹤，通過閾值與圖中數(shù)據(jù)之間的關(guān)系判斷該車位是否有車輛停入。

由于地磁場自身受天氣、溫度、人類的走動等影響的變化是微小的，較大的閾值1會降低檢測精度，經(jīng)試驗(yàn)測試，將采集節(jié)點(diǎn)放置在房間內(nèi)，連續(xù)采集48小時(shí)的地磁場數(shù)據(jù)，該次采集到的地磁場電壓最大的變化值為3.2 mV，本系統(tǒng)在3.2mV的基礎(chǔ)上加上一倍的容錯(cuò)值，所以本系統(tǒng)閾值1設(shè)置為6.4 mV。從圖14中可知，在車輛底部大部分范圍內(nèi)，圖中數(shù)據(jù)都大于50 mV，閾值2設(shè)置為50 mV可以覆蓋車輛底部較大的范圍，所以，本系統(tǒng)閾值2設(shè)置為50 mV。

將車位檢測系統(tǒng)安裝到停車位進(jìn)行測試，共測試70車次，正確識別車位狀態(tài)67次，識別率達(dá)到95%，且距離采集節(jié)點(diǎn)80 cm以外的車輛都不會對檢測精度造成影響。測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)采用二級基線跟蹤算法能夠快速對背景磁場進(jìn)行基線跟蹤，并且能過濾車輛在停入車位時(shí)對基線值的影響，大大提高了檢測精度，能正確檢測出車位上是否有車輛存在。為進(jìn)一步提高車位判定的準(zhǔn)確度，還需要通過大量的試驗(yàn)去完善。

5 結(jié) 語

車位檢測準(zhǔn)確率是實(shí)現(xiàn)智能停車場系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文提出的基于GMR傳感器的無線車位檢查算法通過跟蹤地磁場基線值，采用二級基線跟蹤算法，能夠很好地跟蹤背景磁場的變化，濾除車輛駛?cè)霑r(shí)對地磁場的擾動，算法簡單易用，能夠起到很好的效果。本文基于該算法的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有低功耗、體積小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可廣泛用于停車場管理、智能交通系統(tǒng)等方面。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑曉東，張仙妮.智能交通系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].道路交通與安全，2006，8（2）：15-18.

[2]彭春華，劉建業(yè)，劉岳峰，等.車輛檢測傳感器綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（6）：4-7.

[3]趙亞妮，高輝.基于超聲波的車輛檢測器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制， 2011， 19（10）：2542-2544.

[4]宋穎華.交通檢測技術(shù)及其發(fā)展[J].公路，2000（9）：34-37.

[5]張永忠，張軍強(qiáng)，李穎宏.多路環(huán)形線圈車輛檢測器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用， 2013， 39（11）：23-26.

[6]尤三偉.高速公路常用車輛檢測器的性能比較[J].甘肅科技， 2008， 24（1）：83-85.

[7]鄒初建，錢正洪，白茹，等.基于三軸GMR傳感器的無線車位檢測系統(tǒng)的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（9）： 62-65.

[8]李云龍，張足生，馬新軍，等.基于AMR傳感器的車輛檢測算法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，31（9）： 119-122.

[9]何志強(qiáng)，羅飛，于峰崎，等.基于地磁傳感器的車輛檢測算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（15）：203-206.

[10] Sifuentes E，Casas O，Pallas-Areny R.Wireless Magnetic Sensor Node for Vehicle Detection With Optical Wake-Up[J].Sensor Journal，IEEE，2011，11（8）：1669-1676.

[11]錢正洪，白茹，黃春奎，等.先進(jìn)磁電子材料和器件[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（B11）：96-101.

[12]朱紅松，孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].中興通訊技術(shù)，2009（5）：1-5.

[13]盧全國，周敏，舒亮，等.軸向磁場分布對磁致伸縮驅(qū)動器磁滯特性的影響[J].磁性材料及器件， 2013（6）： 5-9.