基于AMR磁阻傳感器的無線車位檢測設(shè)計(jì)*

龐家成，徐新民

(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)

?

基于AMR磁阻傳感器的無線車位檢測設(shè)計(jì)*

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

引用格式：龐家成，徐新民. 基于AMR磁阻傳感器的無線車位檢測設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：28-30，34.

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。

圖1　磁阻與θ角度關(guān)系

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[5-6]。

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。

(3)

(4)

(5)

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]：

(6)

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。

圖2　系統(tǒng)硬件框圖

3.2HMC1022接口電路

HMC1022接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　HMC1022信號(hào)放大接口電路

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)：

(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。

圖4　HMC1022置位/復(fù)位電路

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)

圖5　車輛檢測軟件流程

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)。

(8)

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。

圖6　狀態(tài)機(jī)算法流程圖

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]。

圖7　ZigBee組網(wǎng)流程圖

4.3AMR終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)

CC2530帶有Z-STACK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。

圖8　實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)圖

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。

圖9　滑動(dòng)均值濾波后數(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):1-2.

[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):4-8.

[3] MICHAEL J C, BRATLAND T, SMITH C H, et al. A new perspective on magnetic field sensing[J].Sensors Magazine,1998(12):34-36.

[4] CARUSO M J, WITHAMWASAM L S. Vehicle detection and compass applications using AMR magnetic sensors[EB/OL]. (2009-06-05)[2016-02-22].http://www.ssec.honeywell.com.2014.7.

[5] Honeywell. Implementing a set-reset pulse circuit. Honey well Application Note[OL].[2016-02-22]HTTP：//www.ssec.honeywell.com.

[6] HGoneywell. Set/reset function for magnetic sensors. Honey well Application Note[OL].[2016-02-22]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):577-590．

[8] SIFUENTES E， CASAS O PALLAS A R. Wireless magnetic sensor node for vehicle detection with optical wake-up[J].IEEE Sensors Journal,2011,11(8):1669-1676.

[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):278-284.

[10] 趙毅.數(shù)字濾波的滑動(dòng)平均法和低通濾波法[J].儀表技術(shù),2001(5):40,46.

[11] KNAIAN A N.A wireless sensor network for smart roadbeds and intelligent transportation systems[D].USA:Masschusetts Institute of Technology,2000.

[12] 潘霓,駱樂,聞?dòng)?基于磁阻傳感器的車輛檢測算法綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(19):245-248.

*基金項(xiàng)目：2013浙江省訪問學(xué)者專業(yè)發(fā)展項(xiàng)目(FX2013269)

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.010

(收稿日期：2016-02-22)

作者簡介：

龐家成(1977-)，通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：單片機(jī)及嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。E-mail：etjason@163.com。

徐新民(1964-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：汽車電子及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用研究。

Design of wireless vehicle detector based on AMR sensor

Pang Jiacheng1，Xu Xinmin2

(1.Shool of Information and Engineering，Hangzhou Polytechnic，Hangzhou 311402，China；2.Collage of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China)

Abstract:A device is designed to detect signals based on anisotropy of magneto resistance(AMR) sensor, using the ZigBee wireless sensor to build the network, and using the STM32F10X microcontroller as a coordinator to collect and analysis the signal and detect the occupation of parking spots. The final results are displayed on PC with the universal synchronous asynchronous receiver transmitter(USART). During the design, the low power consumption mode of the device is fully considered. The field test of underground garag shows that the effective detection rate is above 96%.

Key words:anisotropy of magneto resistance sensor；ZigBee；vehicle detector； state Machine algorithm