龐家成1，徐新民2
（1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311402；2.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）
摘要：設(shè)計(jì)了以AMR磁阻傳感器采集車位節(jié)點(diǎn)信號(hào)，通過ZigBee無線傳感組網(wǎng)，以STM32F10X微控制器為協(xié)調(diào)器收集并分析處理信號(hào)的裝置來檢測車位的占用情況，最終將檢測結(jié)果通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了器件的低功耗模式。通過對(duì)地下車庫車位的實(shí)地測試驗(yàn)證，有效檢測率在96%以上。
關(guān)鍵詞：磁阻傳感器； ZigBee ；車位檢測 ；多狀態(tài)機(jī)算法
0引言
如今，探索車輛的有效檢測技術(shù)及有效調(diào)度利用城市有限的停車位資源是研究的熱點(diǎn)之一。在大型場所車輛有線檢測諸存在多不便，而構(gòu)建無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)便于安裝調(diào)試［1］。現(xiàn)有的超聲波檢測技術(shù)，其多次回波使得傳感器的誤差較大；紅外探測技術(shù)受環(huán)境光源、熱源變化的影響，誤判率高；而地感線圈檢測較為可靠，但其安裝對(duì)路面造成破壞，施工麻煩，且線圈本身容易被銳器或硬物損壞，降低壽命，維護(hù)成本高［2］。而磁阻傳感器體積小，對(duì)弱磁場反應(yīng)靈敏，不易變形損壞，安裝簡單，受環(huán)境影響小，故本設(shè)計(jì)車輛檢測傳感器采用Honeywell公司的兩軸磁阻傳感器HMC1022進(jìn)行車輛信號(hào)采集。
1AMR磁阻傳感器原理及應(yīng)用
物質(zhì)在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，對(duì)于強(qiáng)磁性金屬，當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時(shí)，電阻幾乎不隨外加磁場而變；當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(nèi)磁化方向時(shí)，金屬的電阻減小，這就是各向異性磁電阻效應(yīng)，如圖1所示。
從圖1可以看出，磁阻效應(yīng)與磁化強(qiáng)度M和電流I方向的夾角有關(guān)，如式（1）所示：
R(θ)=R⊥sin2θ+R‖cos2θ（1）
在圖1中，磁場與電流相互平行時(shí)阻值變化最敏感，而夾角為45°左右時(shí)，阻值的變化接近線性［3］。
1.1AMR磁阻傳感器原理
HMC1022由4個(gè)鎳鐵合金薄膜電阻構(gòu)成的惠斯通電橋組成［4］，電橋4個(gè)臂阻值隨外加磁場與內(nèi)部磁化方向的夾角而變化。電橋輸出差分電壓如公式（2）所示：
Vout=(ΔR/R)×Vb（2）
由公式（2）可見，在磁場為正負(fù)6 G時(shí)變化大致為線性關(guān)系。
1.2AMR磁阻傳感器置位與復(fù)位
在強(qiáng)磁場的作用下，HMC1022內(nèi)部磁籌將被磁化，測量精度下降，須使用置位復(fù)位電路進(jìn)行消磁。在傳感器的置位復(fù)位端加一個(gè)0.5 A的電流脈沖即可消磁［56］。
2車輛對(duì)地磁擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型
在一定范圍內(nèi)地磁場的磁場強(qiáng)度為0.5 G~0.6 G［7］。車輛會(huì)擾動(dòng)磁通線彎曲，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。其數(shù)學(xué)模型可以簡化為一個(gè)雙極性磁鐵，磁矩m在汽車中心并且平行于地磁場。m產(chǎn)生的磁分量為Bx、By、Bz ［8］，如式（3）、（4）、（5）所示。
由式（3）、（4）、（5），推導(dǎo)出此情況下磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式為［9］：
由以上公式看到，汽車產(chǎn)生的磁場擾動(dòng)與其大小、形狀以及與傳感器之間的距離等具有較強(qiáng)的相關(guān)性。
3車輛檢測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
HMC1022采集車位節(jié)點(diǎn)信號(hào)，通過CC2530芯片進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理后由ZigBee無線傳感組網(wǎng)，發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)給STM32F10X微控制器，并分析處理信號(hào)來檢測車位的占用情況，檢測結(jié)果在上位機(jī)上顯示。原理框圖如圖2所示。
3.2HMC1022接口電路
HMC1022接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。
在圖3中，HMC1022輸出信號(hào)分別為OUTA和OUTB，兩路信號(hào)分別通過AD622進(jìn)行小信號(hào)放大。AD622的增益選擇滿足式（7）：
其中，RG即所選擇阻值，G為期望增益。參考端對(duì)輸出引入精密補(bǔ)償，從而獲得最佳的共模抑制。
3.3AMR傳感器置位/復(fù)位電路
HMC1022磁阻傳感器所能測量磁場強(qiáng)度為±6 G，設(shè)計(jì)置位復(fù)位電路進(jìn)行消磁，電路如圖4所示。
在圖4中，考慮低功耗因素，由AMR_RST引腳產(chǎn)生周期為50 ms、寬度為4 μs的脈沖，并通過IRF7105放大為0.5 A。
4車輛檢測軟件設(shè)計(jì)
采集的信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換及處理后得到電壓的變化量ΔV，然后進(jìn)行濾波處理，通過閾值處理及多狀態(tài)機(jī)檢測算圖5車輛檢測軟件流程法確定車輛有無信息。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。
4.1信號(hào)平滑濾波處理
由于背景噪聲的存在，測量數(shù)據(jù)有干擾毛刺，為有效判定數(shù)據(jù)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)均值濾波處理［10］。
滑動(dòng)均值濾波是指對(duì)連續(xù)采樣的m次數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算。如公式（8）所示，其中a(n)為m次數(shù)據(jù)平均值，g(n)為實(shí)時(shí)采樣值數(shù)據(jù)。
每采樣一次數(shù)據(jù)就能計(jì)算出一次均值，保證了實(shí)時(shí)性。
4.2多狀態(tài)機(jī)的車位檢測算法
多中間狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)如圖6所示 ［11］。其中包括5個(gè)狀態(tài)：nocar、car、count1、count0和count00，輸入為u（k），其中間狀態(tài)為count0、count00，輸出為 car、nocar。
此算法不僅能判斷車輛何時(shí)進(jìn)入檢測區(qū)，還可檢測車輛離開檢測器的中間狀態(tài)，能夠更好地從時(shí)間序列中提取車輛信息［12］。
4.3AMR終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)
CC2530帶有ZSTACK協(xié)議棧，節(jié)點(diǎn)作為路由器和終端，由STM32F10X構(gòu)成協(xié)調(diào)器，組建ZigBee樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖7所示。
組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器可以搜索是否有新節(jié)點(diǎn)加入，并為新節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，之后每隔一段時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，并主動(dòng)直接或通過路由器向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)分析后傳輸給PC。
5車輛檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在地下車庫進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)測試，車輛沿X敏感軸以20 km/h的速度駛過節(jié)點(diǎn)，共測試了40組數(shù)據(jù)，采集到的原始電壓變化量ΔV（單位為V）如圖8所示。
通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)均值濾波后得到如圖9所示數(shù)據(jù)圖。
由圖9可以看出，車輛的兩個(gè)輪轂及發(fā)動(dòng)機(jī)引起兩次電壓顯著變化，通過多狀態(tài)機(jī)算法即可判定車輛是否存在。與人工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析誤差結(jié)果，檢測有效率在96%以上，其中誤檢測主要因?yàn)橄噜徿囄幌浪ā㈣F閘門等干擾所致。
6結(jié)論
本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了車位占用情況的檢測，在硬件選型、軟件設(shè)計(jì)中均充分考慮了器件的低功耗模式。本設(shè)計(jì)依然存在不足，在節(jié)點(diǎn)的綠色能源充電方面也有待深入考慮。
參考文獻(xiàn)
［1］ 趙中琦,陳永銳,易衛(wèi)東.基于磁阻傳感器的無線車輛檢測器［J］.電子測量技術(shù),2013，36（1）:12.
［2］ 彭春華,劉建業(yè),劉岳峰.車輛檢測傳感器綜述［J］.傳感器與微系統(tǒng),2007,26(6):48.
［3］ MICHAEL J C, BRATLAND T, SMITH C H, et al. A new perspective on magnetic field sensing［J］.Sensors Magazine,1998(12):3436.
［4］ CARUSO M J, WITHAMWASAM L S. Vehicle detection and compass applications using AMR magnetic sensors［EB/OL］. （20090605）［20160222］.http://www.ssec.honeywell.com.2014.7.
［5］ Honeywell. Implementing a setreset pulse circuit. Honey well Application Note［OL］.［20160222］HTTP：//www.ssec.honeywell.com.
［6］ HGoneywell. Set/reset function for magnetic sensors. Honey well Application Note［OL］.［20160222］http://www.ssec.honeywell.com
［7］ 李勝希,于廣華.各向異性磁阻傳感器在車輛探測中的應(yīng)用［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28( 6):577590．
［8］ SIFUENTES E， CASAS O PALLAS A R. Wireless magnetic sensor node for vehicle detection with optical wakeup［J］.IEEE Sensors Journal,2011,11(8):16691676.
［9］ KANG M H,CHOI B W,KOH K C, et al. Experimental study of a vehicle detector with an AMR sensor［J］. Sensors & Actuators A Physical,2005,118(2）:278284.