熊禮平

摘 要：為解決現(xiàn)有車輛檢測器無線通信不穩(wěn)定、檢測準(zhǔn)確率較低等問題，文中設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的磁性車輛檢測器。利用磁阻效應(yīng)傳感器檢測車輛存在與否，通過低功耗微處理器嚴(yán)控時序，達(dá)到低功耗和準(zhǔn)確性要求；為實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的無線通信，以LoRa作為通信組件。為方便后期維護(hù)，利用LoRa技術(shù)實現(xiàn)無線固件升級功能。經(jīng)實際安裝測試，結(jié)果表明該車輛檢測器檢測準(zhǔn)確率高，通信穩(wěn)定性好；同時，遠(yuǎn)程固件升級功能工作可靠，方便維護(hù)。

關(guān)鍵詞：車輛檢測器；物聯(lián)網(wǎng)；LoRa；低功耗；固件升級；磁阻傳感器

中圖分類號：TP393；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，各城市汽車保有量不斷增加，汽車流量、速度、車位狀態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取日益迫切，基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的交通誘導(dǎo)、停車管理等應(yīng)用成為交通管理部門的痛點。針對以上問題，研究人員開展大量工作，并取得相應(yīng)的應(yīng)用成果。

楊威[1]設(shè)計了一種車輛流量檢測器，該檢測器以紅外傳感器作為車輛流量檢測元件；高天龍[2]設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線車輛檢測器，采用磁傳感器為檢測單元，運用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決施工布線難題；靳璐[3]設(shè)計了一種基于雷達(dá)的車輛檢測器，該檢測器以毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)和視覺多特征為檢測手段；蔣新華[4]等人提出了一種基于視頻的車輛檢測算法，以半監(jiān)督支持向量機(jī)分類算法為檢測核心。

本文吸收現(xiàn)有車輛檢測器的優(yōu)點，提出了一種以磁阻傳感器[5]為檢測核心，以物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)為傳輸方式，以無線固件升級為創(chuàng)新的磁性車輛檢測器。

1 LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)包括：ZigBee，Bluetooth，WiFi等。ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)方面應(yīng)用廣泛。但通信距離限制其應(yīng)用推廣，為兼顧低功耗和長距離，出現(xiàn)了LoRa通信。

LoRa通信是美國Semtech公司研制的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線通信方式，屬于數(shù)字通信的一種。與非擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)相比，LoRa通信進(jìn)行信息傳輸時，發(fā)送端由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生獨立的擴(kuò)頻碼序列，并對待傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到展寬信號帶寬目的。再將調(diào)制信號加載到射頻載波中發(fā)送，實現(xiàn)無線傳輸。由于信息傳輸過程所占用的帶寬大于所傳信息必須的最小帶寬，決定了LoRa通信抗干擾能力強(qiáng)，通信傳輸安全可靠。Semtech公司已推出基于LoRa的通信芯片。

2 磁阻傳感器

1857年英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家William Thomson發(fā)現(xiàn)了各向異性磁阻效應(yīng)，磁傳感器正是基于磁阻效應(yīng)[6]制作研發(fā)。在鎳鐵導(dǎo)磁合金薄膜內(nèi)部建立磁場，即內(nèi)建磁場，當(dāng)外界磁場的方向與內(nèi)建磁場方向存在一定夾角時，磁場內(nèi)部的磁化矢量發(fā)生偏移，導(dǎo)致薄膜電阻降低。磁傳感器將惠根斯電橋作為檢測基本元件，四個橋電阻采用鎳鐵導(dǎo)磁合金薄膜制作的磁阻。不施加外部磁場時，四個橋的電阻相同。當(dāng)施加外界磁場時，兩個相對磁場方向的磁阻阻值增加，而另外兩個橋的磁阻阻值降低。在供給外部電源的情況下，經(jīng)過電橋電阻分壓，Out+和Out-的輸出電壓變化總是相反的，因此外界磁場的方向最終體現(xiàn)為電壓差?；莞闺姌?qū)⒋艌龅淖兓D(zhuǎn)換為電壓差的形式輸出。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

車輛檢測器由檢測單元、通信單元、微處理器單元、供電及電源管理單元、JTAG等部分組成。

檢測單元負(fù)責(zé)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并通過I2C接口與微處理器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，微處理器通過I/O口控制檢測單元工作；通信單元負(fù)責(zé)車輛檢測器與上層系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸，包括車位信息、上層指令、固件程序等。通信單元采用基于無線擴(kuò)頻技術(shù)的通信模塊，與微處理器通過SPI接口通信，同時通信芯片狀態(tài)以I/O狀態(tài)形式給出；供電單元負(fù)責(zé)各模塊的用電保障，電源管理單元控制耗電模塊分時供電，降低整機(jī)功耗；JTAG模塊用于對微處理器進(jìn)行在線編程和調(diào)試測試。

3.1 檢測單元的硬件設(shè)計

地球磁場是地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象。而車輛自身帶有一定量的鐵磁性物體，當(dāng)?shù)厍虼艌鲇龅借F磁性物體時，磁力線出現(xiàn)集中或稀疏現(xiàn)象，反應(yīng)出局部地球磁場強(qiáng)度的變化。通過磁阻傳感器感應(yīng)地球磁場的變化，達(dá)到檢測車輛的目的。

HMC5883L是霍尼韋爾公司研發(fā)的基于磁阻效應(yīng)的弱磁傳感器芯片，片內(nèi)集成最先進(jìn)的高分辨率磁阻傳感器、放大器、自動消磁驅(qū)動器、自測和偏差補(bǔ)償校準(zhǔn)，能在8 G的范圍內(nèi)實現(xiàn)5 mG的分辨率，有效解決磁滯、零漂問題。同時該芯片采用各向異性磁阻技術(shù)，具有軸向高靈敏度和線性高精度等特點，工作功耗低至100 μA，方便微處理器通信控制、適用于電池供電設(shè)備?；贖MC5883L芯片的單元檢測電路如圖1所示。

3.2 通信單元的硬件設(shè)計

通信單元負(fù)責(zé)車輛檢測器與上層系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，車輛檢測器將檢測狀態(tài)等車輛檢測信息發(fā)送至上層系統(tǒng)，上層系統(tǒng)下發(fā)指令查詢或設(shè)置車輛檢測器相關(guān)參數(shù)。同時，通信單元負(fù)責(zé)應(yīng)用程序下發(fā)，用于車輛檢測器遠(yuǎn)程固件升級。目前基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用出現(xiàn)較多無線技術(shù)，針對智能交通對長距離和低功耗的特點，本文選擇LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信。無線通信單元的核心是Semtech公司提供的SX127x[7]系列LoRa產(chǎn)品。

SX127x靈敏度-148 dBm，高達(dá)+20 dBm功率放大器，最大鏈路預(yù)算可達(dá)168 dB，與ZigBee通信相比，LoRa方式通信距離是其數(shù)倍。發(fā)射電流120 mA，接收電流9.9 mA，200 mA寄存器保持電流，適合低功耗應(yīng)用。其硬件電路如圖2所示。

LoRa模塊與處理器采用SPI通信方式，并提供一定數(shù)量的I/O口指示模塊的工作狀態(tài)。靜態(tài)時無線模塊處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，對應(yīng)的I/O口指示接收成功，處理器采集到I/O口電平的變化并讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)車輛檢測器需要主動發(fā)送數(shù)據(jù)時，處理器通過SPI配置無線模塊為發(fā)送狀態(tài)，并寫入待發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.3 電源管理單元的硬件設(shè)計

雖然檢測單元處于閑置模式時，主要耗電模塊禁用，但仍有部分模塊處于開通狀態(tài)，如I2C模塊。為了盡可能降低功耗，采取微處理器I/O口控制檢測單元供電和掉電。當(dāng)需要采集磁場數(shù)據(jù)時，打開檢測單元電源開關(guān)，檢測模塊工作；工作完成后，通過微處理器關(guān)閉檢測模塊供電電源。此時檢測模塊完全禁用，功耗最低。電源控制電路如圖3所示。

通信單元處于休眠模式也存在小電流，考慮通信芯片上電后，寄存器需重新配置，配置時通信芯片處于待機(jī)狀態(tài)，電流較休眠模式高，因此通信單元不采用電源開關(guān)控制功耗，通過優(yōu)化狀態(tài)機(jī)，減少通信模塊收發(fā)時間。為進(jìn)一步降低功耗，微處理器采用TI公司研發(fā)的MSP430F5XX[8]超低功耗單片機(jī)。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為實現(xiàn)車輛檢測器固件升級功能，采用自定義引導(dǎo)程序[9]、配合LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，方便后期系統(tǒng)維護(hù)。微處理器片內(nèi)FLASH存在兩段程序，引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序。引導(dǎo)程序通過無線接收應(yīng)用程序，并寫到預(yù)定義的FLASH空間；對應(yīng)用程序中斷向量重映射[10]，引導(dǎo)程序一般不使用中斷，放在鄰近原始中斷向量的FLASH空間。

4.1 引導(dǎo)程序的設(shè)計

引導(dǎo)程序的功能是無線接收應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序?qū)懙街付ǖ腇LASH地址。引導(dǎo)程序通過微處理器的JTAG燒寫到FLASH空間，為從地址上區(qū)分引導(dǎo)程序和應(yīng)用程序，在燒寫引導(dǎo)程序之前，需手動修改對應(yīng)程序的鏈接文件。根據(jù)引導(dǎo)程序占用空間的大小，將其FLASH空間定義在0xF000-0xFF7F。

引導(dǎo)程序流程如圖4所示。引導(dǎo)程序運行后，首先檢查應(yīng)用程序是否有效，當(dāng)檢測到有效應(yīng)用程序時，跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行，否則等待應(yīng)用程序下發(fā)。引導(dǎo)程序包含升級和跳轉(zhuǎn)命令。升級命令包含應(yīng)用程序的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，每接收一幀升級命令，將對應(yīng)的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)寫入指定的FLASH。若寫入成功，引導(dǎo)程序發(fā)送成功回令至升級設(shè)備；否則，引導(dǎo)程序發(fā)送寫入失敗的回令。當(dāng)所有數(shù)據(jù)成功寫入FLASH空間后，升級設(shè)備發(fā)送跳轉(zhuǎn)指令，引導(dǎo)程序成功接收到跳轉(zhuǎn)指令后，發(fā)送跳轉(zhuǎn)回令，并完成跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)后，微處理器執(zhí)行應(yīng)用程序。

引導(dǎo)程序中，關(guān)鍵在于中斷向量重映射。原始中斷向量表固化在內(nèi)部存儲區(qū)，不能更改。當(dāng)中斷發(fā)生時，程序首先跳轉(zhuǎn)到原始中斷向量表。原始中斷向量表為引導(dǎo)程序使用，為跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序的中斷向量表，需要在引導(dǎo)程序中完成中斷跳轉(zhuǎn)到自定義的應(yīng)用程序中斷向量表中，應(yīng)用程序完成中斷功能。

4.2 應(yīng)用程序的設(shè)計

工作中，車輛檢測器運行應(yīng)用程序。應(yīng)用程序負(fù)責(zé)車輛檢測器車位信息采集、無線數(shù)據(jù)收發(fā)。接收跳轉(zhuǎn)指令并跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序。應(yīng)用程序流程如圖5所示。

應(yīng)用程序存儲在以0x5C00開始的FLASH空間，與引導(dǎo)程序在地址空間上分開，防止應(yīng)用程序?qū)懭霑r誤擦除引導(dǎo)程序。上電后，應(yīng)用程序首先完成外設(shè)和參數(shù)配置，包括微處理器外設(shè)、LoRa無線模塊參數(shù)配置。為方便用戶開發(fā)基于SX1278芯片的產(chǎn)品，SemTech公司開放庫函數(shù)源碼。參數(shù)配置由SX1278Init（）函數(shù)實現(xiàn)，設(shè)置射頻參數(shù)、硬件I/O配置、狀態(tài)設(shè)置，并最終調(diào)用SX1278LoRaInit（）完成參數(shù)配置。之后發(fā)送組網(wǎng)信息至上層系統(tǒng)，車輛檢測器通知上層系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)，再進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)的功能是采集車位信息、無線數(shù)據(jù)收發(fā)。主循環(huán)等待兩個中斷喚醒微處理器，定時器中斷、I/O口中斷。內(nèi)部定時器外設(shè)提供精準(zhǔn)時序，實現(xiàn)車位信息周期性采集。并精確控制車位心跳數(shù)據(jù)的發(fā)送；無線數(shù)據(jù)收發(fā)通過單片機(jī)控制，微處理器通過響應(yīng)無線模塊I/O口變化，判斷收發(fā)過程中模塊狀態(tài)。

當(dāng)接收到上層系統(tǒng)發(fā)送的命令后，應(yīng)用程序判斷命令類型。當(dāng)命令為設(shè)置或查詢車輛檢測器參數(shù)時，應(yīng)用程序提取參數(shù)并回傳至上層系統(tǒng)；當(dāng)命令為程序升級命令時，應(yīng)用程序跳轉(zhuǎn)到引導(dǎo)程序，微處理器執(zhí)行引導(dǎo)程序，由引導(dǎo)程序接收應(yīng)用程序并完成程序升級。

5 測試結(jié)果

為驗證本設(shè)計的檢測準(zhǔn)確性和通信穩(wěn)定性，選取某地下停車場進(jìn)行安裝測試。該停車場共有車位134個，實際安裝車輛檢測器100套，最遠(yuǎn)距離超過75 m。經(jīng)測試，室內(nèi)地下條件，LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信穩(wěn)定可靠，丟包率低，通信質(zhì)量較ZigBee好。

現(xiàn)場經(jīng)13天觀測，共收集進(jìn)出車數(shù)據(jù)847組。其中進(jìn)車552組，出車295組。漏檢13組，錯檢56組，準(zhǔn)確率達(dá)91.8%。

為測量功耗，假設(shè)一個車輛檢測器每天的進(jìn)出車次數(shù)為30次。靜態(tài)時車輛檢測器每1 h發(fā)送一次數(shù)據(jù)。經(jīng)過測量，車輛檢測器的功耗為100 μA，實現(xiàn)低功耗要求。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的磁性車輛檢測器。LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信保證通信穩(wěn)定可靠。借助LoRa通信實現(xiàn)車輛檢測器程序遠(yuǎn)程升級，大大降低后期維護(hù)成本。經(jīng)實際測試，車輛檢測器檢測準(zhǔn)確性達(dá)到91.8%。對動靜態(tài)車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。目前車輛檢測器在檢測準(zhǔn)確性、功耗等方面任存在相應(yīng)不足。未來車輛檢測器的研究，還需要在檢測準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行突破。

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