鄒初建，錢正洪，白　茹，朱禮堯，劉　洋，呂海洋，張星波

(杭州電子科技大學(xué)磁電子中心，浙江杭州　310018)

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量急劇增長(zhǎng)，交通需求[1]方面的問(wèn)題日益增加，尤其是停車場(chǎng)中車位的數(shù)量越來(lái)越不能滿足停車的需要，如何高效快捷地停車成了人們?nèi)粘３鲂斜仨毧紤]的問(wèn)題。傳統(tǒng)的辦法是修建或擴(kuò)建大量的停車場(chǎng)，增加停車位的數(shù)量，但是隨著人口的增長(zhǎng)，人均居住面積的日益減少，可供修建或擴(kuò)建的空間越來(lái)越少，如何對(duì)車位進(jìn)行有效的管理是迫切需要解決的問(wèn)題。

目前，國(guó)際上比較常用的車位檢測(cè)方法[2]有超聲波檢測(cè)、紅外線檢測(cè)、視頻檢測(cè)、感應(yīng)線圈檢測(cè)和地磁檢測(cè)。超聲波檢測(cè)的成本低、體積小、易于安裝和使用壽命長(zhǎng)，但它性能受溫度影響；紅外線檢測(cè)的成本低、反應(yīng)快、能精確測(cè)量車輛的速度和型號(hào)，但它的性能受天氣變化影響；視頻檢測(cè)能提供大量的圖像數(shù)據(jù)，但它成本高、安裝高度和性能受環(huán)境影響；感應(yīng)線圈檢測(cè)的適用范圍廣、技術(shù)成熟、抗干擾性強(qiáng)，但它安裝和維護(hù)比較麻煩，影響路面壽命，易被車輛損壞。而地磁檢測(cè)是一種新型的車位檢測(cè)方法，它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低和靈敏度高，同時(shí)非常適合于露天場(chǎng)合和惡劣天氣對(duì)車位進(jìn)行檢測(cè)。

文中基于GMR傳感器和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]，研制一種無(wú)線車位進(jìn)行系統(tǒng)，該車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)具有低成本、低功耗、小體積和性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)受環(huán)境影響小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)路面的破壞性小、易于使用，可廣泛應(yīng)用于車位檢測(cè)，有助于提高車位的利用率，緩解停車難的困境。

1　硬件設(shè)計(jì)

車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)[4]是車位檢測(cè)系統(tǒng)中最重要的部分，它主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集、處理和傳輸，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源管理模塊和RF收發(fā)模塊組成，它的硬件框圖如圖1所示。

圖1　車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件框圖

為了提高車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的靈敏度和降低它的功耗，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊和電源管理模塊的設(shè)計(jì)有更高的要求，以下就是2個(gè)模塊的介紹。

1．1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部包括GMR傳感器、放大電路和濾波電路，它的電路原理圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖

GMR傳感器是數(shù)據(jù)采集模塊最重要的部分，為了增加車位判斷的準(zhǔn)確度，由單軸SAS03-1自旋閥傳感器變?yōu)橛呻p軸SAS022-1和單軸VA100F3自旋閥巨磁阻傳感器組合而成的三軸GMR傳感器，通過(guò)對(duì)3個(gè)相互垂直的方向上磁場(chǎng)的測(cè)量來(lái)更準(zhǔn)確進(jìn)行車位檢測(cè)。雙軸SAS022-1傳感器測(cè)量范圍在±3 Gauss、靈敏度為4.1 mV/V/Oe，具有對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。

GMR傳感器輸出的信號(hào)是mV級(jí)別的，需要對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行放大100倍。放大芯片采用LM2904的低功耗雙運(yùn)算放大器，同時(shí)需對(duì)放大的信號(hào)濾波[6]，濾除信號(hào)中頻率較高的成分。

1．2電源管理模塊

采用兩節(jié)5號(hào)堿性電池供電，提高了便攜性，但是該電池電量有限、拆裝不方便、增加節(jié)點(diǎn)的體積，不利于大規(guī)模的使用，該研究采用3.7 V、標(biāo)準(zhǔn)容量1 100 mA/h的聚合物鋰電池[7]供電，它具有安全性能好、厚度薄、重量輕、容量大、內(nèi)阻小等特點(diǎn)。在使用鋰電池時(shí)，為了避免過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流和短路的影響，設(shè)計(jì)采用8205A和DW01芯片組合完成保護(hù)電路，它們內(nèi)置高精度的電壓檢測(cè)電路和時(shí)間延遲電路。

車輛對(duì)地磁的擾動(dòng)大約在200 mGs[8]，系統(tǒng)電路需要3.3 V電壓，而鋰電池提供的電壓是3.7 V，需要采用TPS63001芯片實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

2　軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集后，需要傳輸給處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，它們之間的通信需要采集ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。不僅需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信，還需要利用ZigBee自身的特點(diǎn)組建小型的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2．1ZigBee技術(shù)

ZigBee[9-11]是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率和低成本的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是一種基于IEEE 802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。

ZStack是基于ZigBee技術(shù)的半開(kāi)源協(xié)議棧，為用戶提供3個(gè)可供免費(fèi)下載和修改使用的程序包Simple App、Generic App和Sample App；它是基于優(yōu)先輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(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，用戶可以根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)修改應(yīng)用層代碼來(lái)滿足自身的要求。該研究使用協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3種設(shè)備類型，采用樹(shù)型拓?fù)涞腪igBee網(wǎng)絡(luò)，選擇ZStack協(xié)議棧中Simple App程序包修改。

2．2節(jié)點(diǎn)工作流程

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。它的工作流程如圖3(a)所示。首先啟動(dòng)并初始化程序，包括串口初始化；接著選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)ID，并啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；隨后允許設(shè)備綁定和處理綁定請(qǐng)求并發(fā)送綁定響應(yīng)；之后處于等待數(shù)據(jù)的接收，當(dāng)接到數(shù)據(jù)時(shí)，就判定數(shù)據(jù)的類型，如果是串口數(shù)據(jù)則通過(guò)廣播發(fā)送給相應(yīng)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，如果是綁定數(shù)據(jù)則通過(guò)串口傳輸給PC.

(a)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

(b)路由器節(jié)點(diǎn)

ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)作為中介完成協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)間通信，實(shí)現(xiàn)路由通信的功能，它的工作流程如圖3(b)所示。首先啟動(dòng)并初始化程序；接著加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送綁定請(qǐng)求和接收并處理綁定響應(yīng)，同時(shí)開(kāi)始接收廣播數(shù)據(jù)；在綁定成功后，周期性獲取父子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)短地址，并通過(guò)綁定的通信方式發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

ZigBee車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，可以是一個(gè)電池供電設(shè)備，它的工作流程如圖4所示。首先啟動(dòng)并初始化程序；接著加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送綁定請(qǐng)求和接收并處理綁定響應(yīng)，同時(shí)開(kāi)始接收廣播數(shù)據(jù)；在綁定成功后，設(shè)置睡眠定時(shí)器并進(jìn)入睡眠狀態(tài)，當(dāng)睡眠停止時(shí)，開(kāi)始判斷是否接收到廣播數(shù)據(jù)，如果接收到廣播數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)類型，相應(yīng)進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)、獲取基準(zhǔn)值或調(diào)整采樣頻率操作，否則直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、獲取父子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)短地址和綁定發(fā)送信息。

圖4　車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作流程

3　實(shí)驗(yàn)與分析

如何對(duì)車位進(jìn)行有效的檢測(cè)，關(guān)鍵是車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)放置的位置。一般方法是將車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在車輛底部不同位置來(lái)測(cè)量其輸出電壓值，測(cè)量的輸出電壓反應(yīng)了磁場(chǎng)的分布進(jìn)而確定車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)放置的位置。該方法需要對(duì)整個(gè)車輛底部進(jìn)行檢測(cè)，并繪制整個(gè)車位磁場(chǎng)分布，這種做法工作量大且車輛有些部分對(duì)地磁的擾動(dòng)不大，所以文中對(duì)車位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)，使其更符合實(shí)際需要。

首先，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由于車輛是鐵磁性物體，相對(duì)與其他位置，車輪和發(fā)動(dòng)機(jī)中含有大量的鐵鎳合金，它們對(duì)地磁有較大的影響，所以只需要沿著左車輪軸、中軸(發(fā)動(dòng)機(jī)部分)和右車輪軸3個(gè)方向，從前到后按特定距離(50 cm)放置車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)并測(cè)量其輸出電壓值。

其次，車輛的不同朝向，所形成對(duì)地磁的擾動(dòng)也不同，需要對(duì)不同朝向車位地磁強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。

最后，加入在車位沒(méi)有車輛存在時(shí)對(duì)GMR傳感器輸出電壓值進(jìn)行校準(zhǔn)和定時(shí)獲取基準(zhǔn)值的步驟，目的是提高車位判定的準(zhǔn)確度。

3．1校準(zhǔn)狀態(tài)下車位磁場(chǎng)分布

選取東西朝向的車位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)該車位沒(méi)有車輛存在且在校準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)得車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的GMR傳感器輸出電壓值。當(dāng)該車位停有一頭朝東尾朝西的某型號(hào)車輛時(shí)，在校準(zhǔn)的狀態(tài)下測(cè)得左車輪軸、中軸和右車輪軸3個(gè)方向車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的輸出電壓值。通過(guò)該車位在有無(wú)車輛存在時(shí)，對(duì)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的GMR傳感器輸出電壓進(jìn)行比較，得到在校準(zhǔn)狀態(tài)下，東西朝向車輛在X、Y和Z軸由車輛所引起的電壓差值分布如圖5所示。

1—左半車輪軸；2—中軸；3—右半車輪軸(a)東西朝向車輛X軸電壓差值分布

1—左半車輪軸；2—中軸；3—右半車輪軸(b)東西朝向車輛Y軸電壓差值分布

1—左半車輪軸；2—中軸；3—右半車輪軸(c)東西朝向車輛Z軸電壓差值分布

從圖5中可以看出，當(dāng)車位上沒(méi)有車輛存在時(shí)，GMR傳感器的X、Y和Z軸輸出電壓值沒(méi)有變化；當(dāng)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離車輛時(shí)，X、Y和Z軸輸出電壓值也不會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)靠近車輛時(shí)，X、Y和Z軸輸出電壓值有較明顯的變化；當(dāng)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)分別位于前后4個(gè)車輪下時(shí)，由于車輪含有鐵鎳合金，對(duì)地磁有較大的影響，所以，X、Y和Z軸輸出電壓值有較大的變化，它們的輸出電壓值變化幅度平均在0.2 V及其以上；當(dāng)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)位于發(fā)動(dòng)機(jī)下時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)由大量的鑄鐵和鋁合金構(gòu)成，對(duì)地磁也有一定的影響，它的輸出電壓值有一定的影響；最后，當(dāng)車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)位于車輛的其他位置時(shí)，X、Y和Z軸輸出電壓值的變化幅度將不那么明顯，大約在0.1 V范圍內(nèi)。

選取南北朝向的車位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它的方法和南北朝向的車位實(shí)驗(yàn)一樣。在校準(zhǔn)狀態(tài)下，南北朝向車輛在X、Y和Z軸電壓差值分布如圖6所示。

1—左半車輪軸；2—中軸；3—右半車輪軸(a)南北朝向車輛X軸電壓差值分布

1—左半車輪軸；2—中軸；3—右半車輪軸(b)南北朝向車輛Y軸電壓差值分布

1—左半車輪軸；2—中軸；3—右半車輪軸(c)南北朝向車輛Z軸電壓差值分布

從圖6中也可以看出，在校準(zhǔn)狀態(tài)下，車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量南北朝向車輛，在X、Y和Z軸電壓差值分布與東西朝向車輛的變化類同。

3．2車位判定

從校準(zhǔn)狀態(tài)下車輛電壓差值分布圖5和圖6得出，無(wú)論在X、Y和Z軸，電壓差值在四個(gè)車輪位置變化都很大，在發(fā)動(dòng)機(jī)位置有一定的變化，而在其他位置變化很小。如果把車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在車輪位置附近，車輛在車位進(jìn)行停放時(shí)會(huì)對(duì)其造成損壞，因此不利于長(zhǎng)久的使用。所以，把車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在發(fā)動(dòng)機(jī)位置附近，車輛中軸方向在發(fā)動(dòng)機(jī)位置附近的變化幅度明顯大于其他位置，它的電壓差值統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

把車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)放置在發(fā)動(dòng)機(jī)位置附近，通過(guò)建立合適的閾值，濾掉旁邊車位的車輛或更遠(yuǎn)距離的車輛帶來(lái)的干擾，來(lái)判斷閾值和電壓差值(該時(shí)刻車位檢測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量輸出電壓值與基準(zhǔn)值之差)間的關(guān)系確定該車位是否有車輛存在，為了提高車位判定的準(zhǔn)確度，它們之間的關(guān)系需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)去完善，以滿足不同條件下的車位判定。

表1　車輛中軸方向電壓差值統(tǒng)計(jì)表

4　結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的車位檢測(cè)方法在成本、功耗、體積和性能上達(dá)不到統(tǒng)一，而文中是基于三軸GMR傳感器和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研制的無(wú)線車位檢測(cè)系統(tǒng)，使其具有低成本、低功耗、小體積和性能好的特點(diǎn)，很好的在成本、功耗、體積和性能上達(dá)到了統(tǒng)一?？蓮V泛在停車場(chǎng)對(duì)車位的管理、流量的控制和車輛的管理中應(yīng)用。但系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還需要改進(jìn)，車位檢測(cè)的準(zhǔn)確度還需要提高[12]。

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