無線低功耗地磁車輛檢測傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：基于地磁感應(yīng)設(shè)計(jì)的無線車位（有車、無車）檢測傳感器，在停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用中，具有尺寸小、地面破壞少、組網(wǎng)便利等明顯優(yōu)勢。將RF 433MHz和2.4GHz Zigbee結(jié)合設(shè)計(jì)在地磁車輛檢測器和接收機(jī)中，進(jìn)一步提升了工程便利性。本設(shè)計(jì)引入了光敏電阻和反射式光電傳感器測量電路，提高了對車位狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確率。地磁車輛檢測器采用CC430為核心設(shè)計(jì)，使檢測器的集成度更高。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/245932.htm

關(guān)鍵詞：磁敏傳感器；智能引導(dǎo)；光敏電阻；低功耗模式

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.4.010

本無線地磁車輛檢測傳感器方案，主要由Freescale公司的微型、低功耗、3軸數(shù)字地磁儀MAG3110和TI公司帶無線射頻收發(fā)器核的低功耗微處理器CC430F5137組成。該傳感器可以應(yīng)用在停車場智能停車引導(dǎo)、智能交通管理等工程中，具有準(zhǔn)確率高、對地面破壞小、安裝方便等特點(diǎn)[1]。

1 停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)原理介紹

無線地磁車輛檢測器是利用磁敏傳感器實(shí)時檢測車輛對地磁的影響，以判斷停車位上是否有車輛停放，并將檢測數(shù)據(jù)通過無線方式傳送給無線檢測接收機(jī)。

無線車輛檢測接收機(jī)能接收無線地磁車輛檢測器發(fā)送的信息，再通過無線或有線上傳到控制中心。無線檢測接收機(jī)可接收通信距離范圍內(nèi)30個無線車輛檢測器的信號。停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)拓?fù)鋱D，見圖1。無線地磁車輛檢測器的結(jié)構(gòu)框圖，見圖2。無線地磁車輛信息接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖，見圖3。

2 地磁車輛檢測傳感器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線地磁車輛信息接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

無線地磁車輛信息接收機(jī)采用TI的CC430F5137處理器結(jié)合ember的 Em357為核心的Zigbee Pro模塊設(shè)計(jì)。提供RS232接口與服務(wù)器鏈接。外殼用金屬屏蔽機(jī)箱，可以掛墻安裝，天線外置。

2.2 無線地磁車輛檢測器的硬件設(shè)計(jì)

無線地磁車輛檢測器采用地磁檢測芯片MAG3110結(jié)合CC430處理器設(shè)計(jì)。通過地磁場檢測來判斷車輛，普遍采用兩種方式：對車輛經(jīng)過時磁力線扭曲情況檢測來判斷；或則，檢測車輛通過時對磁場的垂直和水平方向的磁場強(qiáng)度變化來判斷[3]。本文的研究重點(diǎn)是判斷某預(yù)定區(qū)域（停車位）是否有車輛的存在，采用后一種判斷方式。汽車作為鐵磁體，當(dāng)其靠近地磁傳感器時會引起磁力線的變化，通過監(jiān)測這些微小變化，可以判斷車位是否有汽車的存在。為了提高對停車位有無車輛判斷的準(zhǔn)確率，本次研究采用三軸磁阻傳感器，結(jié)合光敏電阻和反射式光電傳感器進(jìn)行混合設(shè)計(jì)。

地磁車輛檢測器選用開放的ISM微波頻段，采用433MHz無線傳感技術(shù)。內(nèi)置高性能鋰亞硫酰氯電池供電，采用低功耗設(shè)計(jì)可連續(xù)工作3到5年。

設(shè)備外殼設(shè)計(jì)類似圓形道釘結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度ABS和PC材料注塑成型，外形尺寸：直徑126mm×高32mm。防水，抗酸堿腐蝕，抗沖撞。

地磁車輛檢測器也是采用CC430F137主控制器，無線部分處理電路同接收機(jī)一致。外部接口電路還包含電池電壓檢測、地磁傳感器、光敏電阻測量、反射式光電傳感器測量和干簧管開斷檢測等電路。

2.2.2 地磁測量接口

地磁測量由Freescale的地磁信號傳感器MAG3110組成[4]。該器件為3軸傳感器，水平放置于與CPU間隔120mm的線路板一側(cè)，以減少PCB（印制電路板）產(chǎn)生的電磁干擾對其影響。外圍電路見圖4。

2.2.3 光敏電阻和反射式光電傳感器檢測電路

光敏電阻檢測用于提高對是否有車判別的準(zhǔn)確率。本研究選用了電阻值為10kΩ的摻雜型光敏電阻，對（0.4～0.76）μm可見光響應(yīng)，直徑5mm。

為了盡可能避免斜射光源的干擾，設(shè)計(jì)時對光敏電阻的光感受面安裝一個塑料導(dǎo)光器件，檢測器外殼開孔鑲嵌平面透光鏡，安裝模擬圖見圖5。

反射式光電傳感器檢測電路，需要消耗較大的功率，設(shè)計(jì)僅用于人工不定期對車位當(dāng)前有無車輛的校準(zhǔn)，通過服務(wù)器操作實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)選用檢測距離為大于800mm的漫反射式光電傳感器件。

3 無線地磁車輛檢測傳感器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義

無線車輛檢測接收機(jī)與數(shù)據(jù)服務(wù)器的接口，采用485接口。數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送查詢或控制命令，遵循MODBUS協(xié)議格式。停車位信息的上報采用主動上傳方式；數(shù)據(jù)服務(wù)器下發(fā)為廣播式，無線車輛檢測接收機(jī)根據(jù)命令字中的地址進(jìn)行判斷后應(yīng)答。

無線車輛檢測接收機(jī)除了擁有Zigbee網(wǎng)絡(luò)ID等參數(shù)外，還具有一個無線車輛檢測器群的地址，地址范圍從4到127，不能重復(fù)。道路指引標(biāo)志牌的無線車輛檢測接收機(jī)固定為253號（群地址）。每個標(biāo)牌提供1個可寫寄存器，共16個燈狀態(tài)。Zigbee自組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模式本論文不展開論述。

無線地磁車輛檢測器與無線車輛檢測接收機(jī)的無線通訊接口規(guī)則：工作模式，無線地磁車輛檢測器采用主動上報規(guī)則，上行信息見表1-1；配置模式，采用命令-應(yīng)答方式，上下行命令見表1-2。工作模式與配置模式通過檢測器的內(nèi)置干簧管開閉進(jìn)行切換。

3.2 無線在線配置與升級

無線地磁車輛檢測器固定于每個車位，采用防水密封結(jié)構(gòu)。維護(hù)人員可在線進(jìn)行參數(shù)（如設(shè)備序列號、頻段、發(fā)送功率以及程序升級等）配置。通過干簧管吸合，觸發(fā)進(jìn)入固定頻段的配置模式，實(shí)現(xiàn)與無線配置器的數(shù)據(jù)鏈接，完成參數(shù)配置、程序升級。軟件設(shè)計(jì)無線通訊部分采用SimpliciTI協(xié)議棧設(shè)計(jì)[5]，采用總體程序流程圖如圖6。

3.3 地磁強(qiáng)度采集和數(shù)據(jù)綜合分析

在某一區(qū)域內(nèi)的地球磁場可以看成是一個均勻磁場，當(dāng)作為鐵磁體的汽車（尤其是汽車的發(fā)動機(jī)、及車輪部位），從地磁傳感器（GMR）上或近距離經(jīng)過時，會對磁場產(chǎn)生擾動。通過分析磁阻傳感器監(jiān)測出的磁場畸變，就可以判斷車輛的存在。經(jīng)過對大量小車的實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)汽車停在GMR傳感器上方時，磁場發(fā)生擾動并且穩(wěn)定后，在Z軸測得的地磁場強(qiáng)度發(fā)生了一定幅度的變化。通過磁場強(qiáng)度的變化，就可以確定車位有無停車。為了提高準(zhǔn)確率，本設(shè)計(jì)增加了輔助光敏傳感器，消除附近車位停車對本車位的干擾，增加分析判斷的信息。

本研究總體采用“可調(diào)靈敏度自學(xué)式閥值車位監(jiān)測算法”，對地磁的X、Z軸強(qiáng)度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。算法的實(shí)現(xiàn)過程見圖7。

地球的磁場變化緩慢，同時影響GMR的測量值漂移環(huán)境溫度變化也是相對緩慢。無線地磁車輛檢測器采用內(nèi)置電池供電，電池容量有限，為了減少系統(tǒng)響應(yīng)占空比，本研究在無擾動情況下對地磁的取樣周期為0.5s。

溫漂和地磁場偏移通過去突變點(diǎn)的均值處理，均值作為比較依據(jù)，突變判斷閥值設(shè)定為5個單位。采樣點(diǎn)設(shè)定為1024個，理論計(jì)算無擾動條件下，最少得到背景磁場的采樣窗口周期為1024/60/2 =8分鐘32秒。

背景磁場強(qiáng)度的均值為Bia，Tk時刻有效最新強(qiáng)度采樣值為Bik，則最新背景磁場強(qiáng)度的均值Bia`計(jì)算公式為：

Bia`= Bia + a？（Bik-Bi（k-1024））

其中a系數(shù)1/1024，i為x、z軸標(biāo)識，Bi（k-1024）為監(jiān)視窗口擠出磁場強(qiáng)度測量值。

受到干擾后，對地磁信息的采樣頻率提高到125ms/次。車輛擾動監(jiān)測窗口的設(shè)定為15次，通過前后值差值絕對值與閥值的比較。理論對應(yīng)時間范圍最小為2s，滿足車輛靠近、停車直到熄火所用的最小的時間。同時也可以減少車輛從地磁車輛檢測器旁經(jīng)過產(chǎn)生的干擾。

地磁變化監(jiān)測窗口的設(shè)定，影響無線地磁車輛檢測器的監(jiān)測靈敏度，設(shè)計(jì)中預(yù)設(shè)配置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)范圍為8～32s。采用去突變點(diǎn)的均值處理算法。根據(jù)設(shè)定范圍實(shí)際采樣有效點(diǎn)數(shù)為64～256次；

實(shí)際車輛經(jīng)過與停車過程的地磁傳感器信號變化曲線，如圖8所示。

通過以地磁信號強(qiáng)度變化判斷為主，輔助光敏信號強(qiáng)弱的跳變，來實(shí)現(xiàn)車位有車無車的監(jiān)測判斷，通過監(jiān)測狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，見圖9。

3.4 低功耗的設(shè)計(jì)

磁車輛檢測傳感器內(nèi)置電池，選用開路電壓大于3.64V的鋰亞硫酰氯電池，該類電池使用溫度范圍-55～+85℃，適合長時間微電流工作，工作年限可達(dá)8年以上。符合設(shè)計(jì)需要，電池更換周期，主要取決于檢測傳感器的低功耗設(shè)計(jì)性能。

CC430F137的默認(rèn)耗電約小于2μA@32.768kHz，所以休眠的時候設(shè)計(jì)工作在LPM4低功耗模式。實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)CC430F137工作在12MHz時，休眠后功耗很低（小于4μA），但在初始化IIC以后，功耗比較高，IIC模塊消耗的功率約200μA。因此僅當(dāng)需要與MAG3110通訊時，才可以打開IIC外設(shè)。

程序設(shè)計(jì)中使用計(jì)算分支和快速查表來代替程序標(biāo)志位和冗長的軟件計(jì)算，同時盡量使用單周期的CPU寄存器。CC430的內(nèi)部模塊和I/O腳狀態(tài)都會對耗電產(chǎn)生影響，所以啟動后要及時關(guān)閉I/O的狀態(tài)。無線部分功耗較高，不發(fā)送時CPU工作于晶體震蕩器關(guān)閉的SLEEP狀態(tài)。

MAG3110的待機(jī)電流為<2μA，休眠前先設(shè)置成待機(jī)模式，相對應(yīng)的，喚醒以后再將MAG3110設(shè)置成活動模式。

4 結(jié)束語

本次研究的無線地磁車輛檢測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的電感線圈交通參數(shù)傳感器相比，對地面的破壞少，安裝與維護(hù)簡單，適合于室內(nèi)或大型停車場的使用。研究測試發(fā)現(xiàn)，無線地磁車輛檢測器在馬路邊停車位使用，由于受過往車輛的影響，監(jiān)測準(zhǔn)確率明顯低于在室內(nèi)或大型停車場使用效果，且功耗明顯增高。通過實(shí)際效果測試，特別適用于大型室內(nèi)停車場的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓印，馬萬達(dá)，張楠，等.先進(jìn)的城市智能停車誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[R/OL].（2010-7-9）.http：//tech.rfidworld.com. cn/2010_07/0be04c20a13de386.html

[2]王薪宇，鄭淑軍，賈靈.CC430無線傳感網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社，2011

[3]崔遜學(xué)，趙湛，王成.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域應(yīng)用與設(shè)計(jì)技術(shù).國防工業(yè)出版社，2009

[4]3-AXIS Digital Magnetometer[R/OL].（2011-2）.www. freescale.com

[5]Texas Instruments，Inc.SimpliciTI Sample Application User’s Guide[R/OL].（2009）.www.ti.com/tool/simpliciti