無線低功耗地磁車輛檢測傳感器的設計

摘要：基于地磁感應設計的無線車位（有車、無車）檢測傳感器，在停車場智能引導系統應用中，具有尺寸小、地面破壞少、組網便利等明顯優勢。將RF 433MHz和2.4GHz Zigbee結合設計在地磁車輛檢測器和接收機中，進一步提升了工程便利性。本設計引入了光敏電阻和反射式光電傳感器測量電路，提高了對車位狀態監測的準確率。地磁車輛檢測器采用CC430為核心設計，使檢測器的集成度更高。本文網絡版地址：http：// www.eepw.com.cn/article/245932.htm

關鍵詞：磁敏傳感器；智能引導；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軸數字地磁儀MAG3110和TI公司帶無線射頻收發器核的低功耗微處理器CC430F5137組成。該傳感器可以應用在停車場智能停車引導、智能交通管理等工程中，具有準確率高、對地面破壞小、安裝方便等特點[1]。

1 停車場智能引導系統原理介紹

無線地磁車輛檢測器是利用磁敏傳感器實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，并將檢測數據通過無線方式傳送給無線檢測接收機。

無線車輛檢測接收機能接收無線地磁車輛檢測器發送的信息，再通過無線或有線上傳到控制中心。無線檢測接收機可接收通信距離范圍內30個無線車輛檢測器的信號。停車場智能引導系統拓撲圖，見圖1。無線地磁車輛檢測器的結構框圖，見圖2。無線地磁車輛信息接收機的結構框圖，見圖3。

2 地磁車輛檢測傳感器的硬件設計

2.1 無線地磁車輛信息接收機的硬件設計

無線地磁車輛信息接收機采用TI的CC430F5137處理器結合ember的 Em357為核心的Zigbee Pro模塊設計。提供RS232接口與服務器鏈接。外殼用金屬屏蔽機箱，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計

無線地磁車輛檢測器采用地磁檢測芯片MAG3110結合CC430處理器設計。通過地磁場檢測來判斷車輛，普遍采用兩種方式：對車輛經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度變化來判斷[3]。本文的研究重點是判斷某預定區域（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，當其靠近地磁傳感器時會引起磁力線的變化，通過監測這些微小變化，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確率，本次研究采用三軸磁阻傳感器，結合光敏電阻和反射式光電傳感器進行混合設計。

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。內置高性能鋰亞硫酰氯電池供電，采用低功耗設計可連續工作3到5年。

設備外殼設計類似圓形道釘結構，用高強度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，以減少PCB（印制電路板）產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，直徑5mm。

為了盡可能避免斜射光源的干擾，設計時對光敏電阻的光感受面安裝一個塑料導光器件，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，設計僅用于人工不定期對車位當前有無車輛的校準，通過服務器操作實現。設計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計

3.1 數據幀結構定義

無線車輛檢測接收機與數據服務器的接口，采用485接口。數據服務器發送查詢或控制命令，遵循MODBUS協議格式。停車位信息的上報采用主動上傳方式；數據服務器下發為廣播式，無線車輛檢測接收機根據命令字中的地址進行判斷后應答。

無線車輛檢測接收機除了擁有Zigbee網絡ID等參數外，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。道路指引標志牌的無線車輛檢測接收機固定為253號（群地址）。每個標牌提供1個可寫寄存器，共16個燈狀態。Zigbee自組網絡數據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的無線通訊接口規則：工作模式，無線地磁車輛檢測器采用主動上報規則，上行信息見表1-1；配置模式，采用命令-應答方式，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置干簧管開閉進行切換。

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，采用防水密封結構。維護人員可在線進行參數（如設備序列號、頻段、發送功率以及程序升級等）配置。通過干簧管吸合，觸發進入固定頻段的配置模式，實現與無線配置器的數據鏈接，完成參數配置、程序升級。軟件設計無線通訊部分采用SimpliciTI協議棧設計[5]，采用總體程序流程圖如圖6。

3.3 地磁強度采集和數據綜合分析

在某一區域內的地球磁場可以看成是一個均勻磁場，當作為鐵磁體的汽車（尤其是汽車的發動機、及車輪部位），從地磁傳感器（GMR）上或近距離經過時，會對磁場產生擾動。通過分析磁阻傳感器監測出的磁場畸變，就可以判斷車輛的存在。經過對大量小車的實際測試，發現汽車停在GMR傳感器上方時，磁場發生擾動并且穩定后，在Z軸測得的地磁場強度發生了一定幅度的變化。通過磁場強度的變化，就可以確定車位有無停車。為了提高準確率，本設計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“可調靈敏度自學式閥值車位監測算法”，對地磁的X、Z軸強度變化進行統計計算。算法的實現過程見圖7。

地球的磁場變化緩慢，同時影響GMR的測量值漂移環境溫度變化也是相對緩慢。無線地磁車輛檢測器采用內置電池供電，電池容量有限，為了減少系統響應占空比，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的均值處理，均值作為比較依據，突變判斷閥值設定為5個單位。采樣點設定為1024個，理論計算無擾動條件下，最少得到背景磁場的采樣窗口周期為1024/60/2 =8分鐘32秒。

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

Bia`= Bia + a？（Bik-Bi（k-1024））

其中a系數1/1024，i為x、z軸標識，Bi（k-1024）為監視窗口擠出磁場強度測量值。

受到干擾后，對地磁信息的采樣頻率提高到125ms/次。車輛擾動監測窗口的設定為15次，通過前后值差值絕對值與閥值的比較。理論對應時間范圍最小為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過產生的干擾。

地磁變化監測窗口的設定，影響無線地磁車輛檢測器的監測靈敏度，設計中預設配置參數進行調整，設計范圍為8～32s。采用去突變點的均值處理算法。根據設定范圍實際采樣有效點數為64～256次；

實際車輛經過與停車過程的地磁傳感器信號變化曲線，如圖8所示。

通過以地磁信號強度變化判斷為主，輔助光敏信號強弱的跳變，來實現車位有車無車的監測判斷，通過監測狀態機來實現，見圖9。

3.4 低功耗的設計

磁車輛檢測傳感器內置電池，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8年以上。符合設計需要，電池更換周期，主要取決于檢測傳感器的低功耗設計性能。

CC430F137的默認耗電約小于2μA@32.768kHz，所以休眠的時候設計工作在LPM4低功耗模式。實際調試中，發現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。因此僅當需要與MAG3110通訊時，才可以打開IIC外設。

程序設計中使用計算分支和快速查表來代替程序標志位和冗長的軟件計算，同時盡量使用單周期的CPU寄存器。CC430的內部模塊和I/O腳狀態都會對耗電產生影響，所以啟動后要及時關閉I/O的狀態。無線部分功耗較高，不發送時CPU工作于晶體震蕩器關閉的SLEEP狀態。

MAG3110的待機電流為<2μA，休眠前先設置成待機模式，相對應的，喚醒以后再將MAG3110設置成活動模式。

4 結束語

本次研究的無線地磁車輛檢測系統，與傳統的電感線圈交通參數傳感器相比，對地面的破壞少，安裝與維護簡單，適合于室內或大型停車場的使用。研究測試發現，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，監測準確率明顯低于在室內或大型停車場使用效果，且功耗明顯增高。通過實際效果測試，特別適用于大型室內停車場的應用。

參考文獻：

[1]韓印，馬萬達，張楠，等.先進的城市智能停車誘導系統設計與實現[R/OL].（2010-7-9）.http：//tech.rfidworld.com. cn/2010_07/0be04c20a13de386.html

[2]王薪宇，鄭淑軍，賈靈.CC430無線傳感網絡單片機原理與應用.北京航空航天大學出版社，2011

[3]崔遜學，趙湛，王成.無線傳感網絡的領域應用與設計技術.國防工業出版社，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