龐家成1,徐新民2
?。?.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(guò)ZigBee無(wú)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(lái)檢測(cè)車位的占用情況,最終將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了器件的低功耗模式。通過(guò)對(duì)地下車庫(kù)車位的實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證,有效檢測(cè)率在96%以上。
關(guān)鍵詞:磁阻傳感器; ZigBee ;車位檢測(cè) ;多狀態(tài)機(jī)算法
0引言
如今,探索車輛的有效檢測(cè)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(chǎng)所車輛有線檢測(cè)諸存在多不便,而構(gòu)建無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)便于安裝調(diào)試[1]?,F(xiàn)有的超聲波檢測(cè)技術(shù),其多次回波使得傳感器的誤差較大;紅外探測(cè)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(cè)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(chǎng)反應(yīng)靈敏,不易變形損壞,安裝簡(jiǎn)單,受環(huán)境影響小,故本設(shè)計(jì)車輛檢測(cè)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(chǎng)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(chǎng)平行于磁體內(nèi)部磁化方向時(shí),電阻幾乎不隨外加磁場(chǎng)而變;當(dāng)外加磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(jiàn),在磁場(chǎng)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(chǎng)的作用下,HMC1022內(nèi)部磁籌將被磁化,測(cè)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(chǎng)的磁場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)。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(chǎng)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(cè)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(guò)CC2530芯片進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)處理后由ZigBee無(wú)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(lái)檢測(cè)車位的占用情況,檢測(cè)結(jié)果在上位機(jī)上顯示。原理框圖如圖2所示?!?/p>
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(guò)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(cè)量磁場(chǎng)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(guò)IRF7105放大為0.5 A。
4車輛檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)
采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)閾值處理及多狀態(tài)機(jī)檢測(cè)算圖5車輛檢測(cè)軟件流程法確定車輛有無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)區(qū),還可檢測(cè)車輛離開(kāi)檢測(cè)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(shù)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(guò)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(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在地下車庫(kù)進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)試,車輛沿X敏感軸以20 km/h的速度駛過(guò)節(jié)點(diǎn),共測(cè)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?!?/p>
通過(guò)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?!?/p>
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(guò)多狀態(tài)機(jī)算法即可判定車輛是否存在。與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,分析誤差結(jié)果,檢測(cè)有效率在96%以上,其中誤檢測(cè)主要因?yàn)橄噜徿囄幌浪?、鐵閘門(mén)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(cè),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。
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