基于GMR傳感器的無線車位檢測算法研究及系統(tǒng)的實現(xiàn)

1、基于GMR傳感器的無線車位檢測算法研究及系統(tǒng)的實現(xiàn)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)計并實現(xiàn)了一個車位管理系統(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。實驗表明，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

2、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) 05-00-050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

3、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，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)費用高；視頻檢測 的單一攝像頭可以同時檢測多個車位，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

4、檢測原理地球自帶0.50.6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)致電橋輸由端的電壓產(chǎn)

5、生相應(yīng)的變化，即傳感器的輸由電 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。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)點上方時，三軸巨磁阻傳感器可以探測 到磁場的變化，監(jiān)控節(jié)點通過傳感器網(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)， 但是從長時間來

6、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由背景磁場強(qiáng)度的大小，即基線值?；€ 值在短時間內(nèi)是平穩(wěn)的，但是從長時間來看，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 (k)如公式(1)所示：在公式(2)中，Bi(k)代表基線值，a i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

7、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a i,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，執(zhí)行基線跟蹤；當(dāng)數(shù)據(jù)大于閾值1小于閾值2時，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，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

8、程如圖4所示。圖4二級基線跟蹤流程圖3系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)主要分為采集節(jié)點、路由器、服務(wù)器軟件三個部分。采集節(jié)點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)點和路由 器，橋接采集節(jié)點與協(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ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器，它負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、管理整個網(wǎng)絡(luò)的路由器和采集節(jié)點，通過串口與 服務(wù)器通信，是整個網(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)點使用鋰電池供電， 并運行在低功耗模式。經(jīng)測量，采集節(jié)點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

9、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ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上最多可容納 65 535個設(shè)備節(jié)點，但是 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)過多時，網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備節(jié)點通信時延過大，在 實際情況中，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)總節(jié)點數(shù)一般不會超過 500個。 當(dāng)停車位超過500個時，可在停車場部署多個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)以 滿足需求。3.1硬件設(shè)計采集節(jié)點是系統(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

10、阻傳感 器組合成三軸傳感器，通過對三個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的輸生是毫伏級，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芯片來實現(xiàn)3.7 V3.3 V 的電壓。TPS63001的有效率高達(dá) 96%,在3.3 V的降壓和升 壓模式中輸由電流達(dá)到 1 200 mA和800 mA,器件的靜態(tài)電 流小于50 uA

11、,輸入電壓范圍為1.8 V5.5 Vo電源管理模塊 原理圖如圖7所示。3.2軟件設(shè)計采集數(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 o系統(tǒng)采用TI公司推由的半開源 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）三種設(shè)備類型。協(xié)調(diào)器啟動后會創(chuàng)建一個 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)點發(fā)送上線通

12、知，包括節(jié)點類型、節(jié)點設(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，解析由數(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)解析模塊解析由 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實驗分析4.1

13、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)點放置在車位左側(cè)、右側(cè)或中央都可以，但考慮到實際情況，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)點放置在 車位中央，汽車低速行駛，汽車中心從采集節(jié)點上經(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

14、西方向停車位三軸磁場曲線圖如圖11和圖12所示。從圖中可以看由，當(dāng)車輛距離采集節(jié)點較 遠(yuǎn)時，采集節(jié)點周圍地磁場基本沒有變化；當(dāng)車輛從采集節(jié) 點上方行駛過去時，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 傳感器各個軸的偏置電壓不同，因此每個傳感器的偏置電壓 也有所不同，且在同一地點各個方向的磁場強(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

15、。由于發(fā)動機(jī)和前車軸的影響，在車頭附近 x、 y軸磁場由現(xiàn)了 一個波峰，z軸由現(xiàn)了一個波谷，在后車軸的 影響下，三個軸由現(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,這是因為傳感器發(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 o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

16、、y、z軸三個方向的磁場數(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)點可以安裝在停車位中大部分位置?？?慮到實際情況，為了降低周圍車輛的影響，避免采集節(jié)點被 車輛碾壓，采集節(jié)點應(yīng)安裝在停車位正中央?？山?/p>

17、立合適的 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)試驗測試，將采集節(jié)點放置在房間內(nèi)，連續(xù)采集 48小時的地磁場數(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)

18、 67次，識別率達(dá)到95%,且距離采 集節(jié)點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對基線值的 影響，大大提高了檢測精度，能正確檢測由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 的試驗去完善。5結(jié)語車位檢測準(zhǔn)確率是實現(xiàn)智能停車場系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文提 由的基于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)實現(xiàn)，具有低 功耗、體積小、抗干擾能力強(qiáng)的特點，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J.計算機(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