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

1、基于GMR傳感器的無(wú)線車位檢測(cè)算法研究及系統(tǒng)的實(shí)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(cè)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(cè)算法的核心是二級(jí)基線跟蹤算法，算法設(shè)置一大一小兩 個(gè)閾值，通過(guò)小閾值控制基線跟蹤，通過(guò)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(guò)檢測(cè)車輛對(duì)地磁 場(chǎng)的擾動(dòng)大小來(lái)判斷停車位是否存在車輛，并將車位信息通 過(guò)ZigBee無(wú)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(cè)精度高， 能夠廣泛用于停車場(chǎng)管理。關(guān)鍵詞：三軸 GMR傳感

2、器；ZigBee;車位檢測(cè)；停車管 理；基線跟蹤中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302 (2016) 05-00-050引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車保有量正逐年攀升，對(duì)城市 交通系統(tǒng)造成了巨大的壓力1,給城市帶來(lái)了嚴(yán)重的停車問(wèn) 題。以目前數(shù)據(jù)來(lái)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(wèn)題。因此，解決城市停車問(wèn)題不僅可以緩解城市交通， 還對(duì)促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。提高停車場(chǎng)的工作效 率成了解決停車問(wèn)題的一種思路。高效的停車場(chǎng)管理系統(tǒng)可大大提高停車場(chǎng)工作效率，其中車位檢測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵。 目前國(guó)際上常用的車位檢測(cè)技

3、術(shù) 2 有超聲波檢測(cè)3、紅外檢測(cè)4、環(huán)行線圈檢測(cè)5、視頻檢測(cè)、 地磁傳感器檢測(cè)6。超聲波檢測(cè)具有安裝方便，壽命長(zhǎng)，成 本低等優(yōu)點(diǎn)，但是探測(cè)精度易受環(huán)境影響，抗干擾能力差； 紅外檢測(cè)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(cè)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(cè) 的單一攝像頭可以同時(shí)檢測(cè)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(cè)是一種新的檢測(cè)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(chǎng)，能夠應(yīng)付各種惡劣天氣。1

4、檢測(cè)原理地球自帶0.50.6高斯的磁場(chǎng)，地球表面各處的磁場(chǎng)強(qiáng) 度大小和方向都因地而異，地表磁場(chǎng)受各種因素如天氣、周 圍環(huán)境的影響會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生改變。鐵磁性物體會(huì)對(duì)磁場(chǎng) 的分布產(chǎn)生擾動(dòng)，具體的擾動(dòng)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(huì)對(duì)地磁場(chǎng)產(chǎn)生很大的擾動(dòng)，通過(guò)磁傳感器檢測(cè)地 磁的擾動(dòng)，對(duì)磁場(chǎng)變化信號(hào)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(cè)磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度成正比，具有寬測(cè)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(cè) 到磁場(chǎng)的變化，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(guò)客戶端便 可查詢到車位信息。車位檢測(cè)系統(tǒng)流程如圖1所示。圖1車位檢測(cè)系統(tǒng)流程2檢測(cè)算法磁傳感器采集的信號(hào)需要進(jìn)行濾波、去噪處理，地磁場(chǎng) 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(zhǎng)時(shí)間來(lái)

6、看，地磁場(chǎng)自身可能會(huì)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(cè)首先需要檢測(cè)由背景磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，即基線值。基線 值在短時(shí)間內(nèi)是平穩(wěn)的，但是從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，基線值是變化 的，所以基線跟蹤算法是車位檢測(cè)的關(guān)鍵。2.1信號(hào)濾波系統(tǒng)使用滑動(dòng)濾波8對(duì)磁傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行濾波 處理，具體步驟是對(duì)當(dāng)前信號(hào)及前N-1個(gè)信號(hào)做均值處理，這種方法可有效去除噪聲干擾，對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)M (k)做N次滑動(dòng)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(chǎng)信號(hào)大小。加權(quán)系數(shù)越大，基 線跟蹤速度越快。但現(xiàn)實(shí)

7、情況是，在車輛停入車位的過(guò)程中，已經(jīng)對(duì)周圍 的地磁場(chǎng)產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)，但數(shù)據(jù)是小于閾值的，在這種 情況下會(huì)執(zhí)行基線跟蹤，基線值會(huì)發(fā)生改變，檢測(cè)正確率會(huì) 降低。為了解決這個(gè)問(wèn)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(huì)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(chǎng) 強(qiáng)度數(shù)據(jù)與基線值差的絕對(duì)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(cè)效果。二級(jí)基線跟蹤流

8、程如圖4所示。圖4二級(jí)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(chǎng)信號(hào)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(guò)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(cè)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

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(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(guò)多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延過(guò)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(huì)超過(guò) 500個(gè)。 當(dāng)停車位超過(guò)500個(gè)時(shí)，可在停車場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)信號(hào)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(wú)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(hào)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(guò)對(duì)三個(gè)互相垂直方向的磁場(chǎng)測(cè)量， 從而更準(zhǔn)確的進(jìn)行車位檢測(cè)。由于GMR傳感器11的輸生是毫伏級(jí)，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(duì)信號(hào)放大100倍；使用一階無(wú)源 RC低通濾波電路對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除低頻信號(hào)。 信號(hào)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(lái)實(shí)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(jì)采集數(shù)據(jù)之后，主控芯片 CC2530需要對(duì)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(wèn)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(dòng)后會(huì)創(chuàng)建一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)路由器或終端 設(shè)備啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)搜索可用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送上線通

12、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(huì)采集磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并分析，通過(guò)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(guò)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(yǔ)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(shí)驗(yàn)分析4.1

13、車輛磁場(chǎng)分布對(duì)車位進(jìn)行有效檢測(cè)的關(guān)鍵是設(shè)置合適的閾值，這需要 測(cè)量分析車輛底部不同位置對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)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(cè)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(cè)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(guò)。圖 10為本文的測(cè)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(cè)量示意圖其中，南北方向與東

14、西方向停車位三軸磁場(chǎng)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(diǎn)較 遠(yuǎn)時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)周圍地磁場(chǎng)基本沒有變化；當(dāng)車輛從采集節(jié) 點(diǎn)上方行駛過(guò)去時(shí)，周圍地磁場(chǎng)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(shì)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(chǎng)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(huì)有所不同。圖11南北方向x、y、z軸磁場(chǎng)曲線圖圖12東西方向車位x、y、z軸磁場(chǎng)曲線圖為了進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，采集無(wú)車輛影響情況下磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)和前車軸的影響，在車頭附近 x、 y軸磁場(chǎng)由現(xiàn)了 一個(gè)波峰，z軸由現(xiàn)了一個(gè)波谷，在后車軸的 影響下，三個(gè)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?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(chǎng)的變化，在外磁場(chǎng)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(jí)基線跟蹤算法可消除磁滯現(xiàn)象對(duì)檢測(cè) 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(chǎng)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(gè)方向的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以大大降低 單一軸向上的磁場(chǎng)所受的影響，所以使用x、y、z軸與對(duì)應(yīng)基線值差的絕對(duì)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(duì)值之和，基線值 指在無(wú)車輛影響的情況下采集節(jié)點(diǎn)采集的磁場(chǎng)值的均值。(a)南北方向車位三軸與基線值差的絕對(duì)值之和 (b)東西方向車位三軸與基線值差的絕對(duì)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(duì)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?？?慮到實(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?/p>

17、立合適的 閾值進(jìn)行基線跟蹤，通過(guò)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(chǎng)自身受天氣、溫度、人類的走動(dòng)等影響的變化是微小的，較大的閾值1會(huì)降低檢測(cè)精度，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)數(shù)據(jù)，該次采集到的地磁場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)安裝到停車位進(jìn)行測(cè)試，共測(cè)試70車次，正確識(shí)別車位狀態(tài)

18、 67次，識(shí)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(huì)對(duì)檢測(cè)精度造成影響。測(cè)試 結(jié)果顯示，本系統(tǒng)采用二級(jí)基線跟蹤算法能夠快速對(duì)背景磁 場(chǎng)進(jìn)行基線跟蹤，并且能過(guò)濾車輛在停入車位時(shí)對(duì)基線值的 影響，大大提高了檢測(cè)精度，能正確檢測(cè)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(guò)大量 的試驗(yàn)去完善。5結(jié)語(yǔ)車位檢測(cè)準(zhǔn)確率是實(shí)現(xiàn)智能停車場(chǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本文提 由的基于GMR傳感器的無(wú)線車位檢查算法通過(guò)跟蹤地磁場(chǎng) 基線值，采用二級(jí)基線跟蹤算法，能夠很好地跟蹤背景磁場(chǎng) 的變化，濾除車輛駛?cè)霑r(shí)對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng)，算法簡(jiǎn)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(chǎng)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(cè)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(cè)器設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011, 19 (10): 2542-2544.4宋穎華.交通檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展J.公路，2000 (9