基于GMR傳感器的無線車位檢測算法研究及系統的實現

張森 白茹 朱禮堯 錢正洪

摘 要：文中研究了一種基于自旋閥巨磁阻（GMR）傳感器的車位監測算法，設計并實現了一個車位管理系統。車位監測算法的核心是二級基線跟蹤算法，算法設置一大一小兩個閾值，通過小閾值控制基線跟蹤，通過大閾值判斷車位狀態。磁傳感器采用東方微磁公司研發的高靈敏度、低功耗的GMR傳感器SAS022-1和VA100F3。系統通過檢測車輛對地磁場的擾動大小來判斷停車位是否存在車輛，并將車位信息通過ZigBee無線傳感網絡發送到服務器，由上位機軟件顯示車位信息。實驗表明，該系統體積小、功耗低、檢測精度高，能夠廣泛用于停車場管理。

關鍵詞：三軸GMR傳感器；ZigBee；車位檢測；停車管理；基線跟蹤

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-05

0 引 言

隨著我國經濟的發展，汽車保有量正逐年攀升，對城市交通系統造成了巨大的壓力[1]，給城市帶來了嚴重的停車問題。以目前數據來看，汽車泊位的數量遠遠滿足不了停車的需要，停車已經成為制約城市經濟發展、妨礙市民日常生活的大問題。因此，解決城市停車問題不僅可以緩解城市交通，還對促進城市經濟發展具有重大意義。提高停車場的工作效率成了解決停車問題的一種思路。

高效的停車場管理系統可大大提高停車場工作效率，其中車位檢測技術是關鍵。目前國際上常用的車位檢測技術[2]有超聲波檢測[3]、紅外檢測[4]、環行線圈檢測[5]、視頻檢測、地磁傳感器檢測[6]。超聲波檢測具有安裝方便，壽命長，成本低等優點，但是探測精度易受環境影響，抗干擾能力差；紅外檢測有良好的直線性，抗干擾性能好，成本低，響應速度快，但是極易受到環境的影響，特別是熱源的影響；環形線圈檢測技術成熟，應用廣泛，抗干擾能力強，但是安裝麻煩，施工強度大，易損壞，壽命短，維護費用高；視頻檢測的單一攝像頭可以同時檢測多個車位，起到安防作用，但是成本高，技術成熟度不夠；地磁檢測是一種新的檢測方法，它的優點是精準度高、可靠性高，不易受環境影響，成本低、體積小，適用于各種停車場，能夠應付各種惡劣天氣。

1 檢測原理

地球自帶0.5～0.6高斯的磁場，地球表面各處的磁場強度大小和方向都因地而異，地表磁場受各種因素如天氣、周圍環境的影響會隨著時間而發生改變。鐵磁性物體會對磁場的分布產生擾動，具體的擾動和鐵磁性物體的結構、形狀和材質有關。

眾所周知，汽車絕大部分部件的材質是鋼材或者鐵質，所以汽車會對地磁場產生很大的擾動，通過磁傳感器檢測地磁的擾動，對磁場變化信號采樣進行適當的濾波和算法分析，便可判斷是否有車輛存在。

本文采用的東方微磁公司的自旋閥巨磁電阻（GMR）傳感器芯片是用于檢測磁場的惠斯通電橋結構。當向電橋供電后，在敏感軸方向加入磁場強度會引起電橋電阻元件的變化，導致電橋輸出端的電壓產生相應的變化，即傳感器的輸出電壓變化量與外加磁場強度成正比，具有寬測量范圍、高靈敏度、低磁滯、低溫漂和優良的線性度等特點。

系統采用TI公司生產的CC2530作為主控芯片，東方微磁公司的巨磁阻傳感器使用ZigBee技術組成傳感器網絡[7]，當有車輛停在監控節點上方時，三軸巨磁阻傳感器可以探測到磁場的變化，監控節點通過傳感器網絡把車位狀態信息發送給協調器，協調器再把信息轉發到服務器，通過客戶端便可查詢到車位信息。車位檢測系統流程如圖1所示。

圖1 車位檢測系統流程

2 檢測算法

磁傳感器采集的信號需要進行濾波、去噪處理，地磁場在短時間內受環境、天氣影響非常小，基本處于平穩狀態，但是從長時間來看，地磁場自身可能會發生微弱的變化或者受到環境、天氣、周圍建筑的影響而發生改變。因此，車位檢測首先需要檢測出背景磁場強度的大小，即基線值。基線值在短時間內是平穩的，但是從長時間來看，基線值是變化的，所以基線跟蹤算法是車位檢測的關鍵。

2.1 信號濾波

系統使用滑動濾波[8]對磁傳感器采集的信號進行濾波處理，具體步驟是對當前信號及前N-1個信號做均值處理，這種方法可有效去除噪聲干擾，對磁場信號M（k）做N次滑動濾波處理后的均值A（k）如公式（1）所示：

在公式（2）中，Bi（k）代表基線值，αi代表加權系數，Ai（k）代表傳感器采集的磁場信號大小。加權系數越大，基線跟蹤速度越快。

但現實情況是，在車輛停入車位的過程中，已經對周圍的地磁場產生了較大的擾動，但數據是小于閾值的，在這種情況下會執行基線跟蹤，基線值會發生改變，檢測正確率會降低。為了解決這個問題，必須保證在這種情況下基線值保持不變，一種方法是用較小的加權系數值αi，但是較小的加權系數會使跟蹤速度大大降低。

本文采用的方法是設定兩個閾值，當傳感器采集的磁場強度數據與基線值差的絕對值小于閾值1時，執行基線跟蹤；當數據大于閾值1小于閾值2時，基線值與上一狀態保持一致；當數據大于閾值2時，則判斷車位狀態改變，基線值與上一狀態保持一致。為閾值1、閾值2、加權系數設置合適的值可取得非常好的檢測效果。二級基線跟蹤流程如圖4所示。

圖4 二級基線跟蹤流程圖

3 系統設計

系統主要分為采集節點、路由器、服務器軟件三個部分。采集節點[10]安裝在車位上，負責采集車位地磁場信號并發送信息到路由器。路由器負責管理接入它的采集節點和路由器，橋接采集節點與協調器之間的通信，協調器是一種特殊的路由器，在一個ZigBee網絡中只能有一個協調器，它負責建立網絡、管理整個網絡的路由器和采集節點，通過串口與服務器通信，是整個網絡與服務器之間通信的橋梁，路由器和協調器在硬件上沒有任何區別。采集節點使用鋰電池供電，并運行在低功耗模式。經測量，采集節點在低功耗模式下的工作電流為0.1 mA，使用800 mAh的鋰電池供電，理論上可持續工作333天。路由器和協調器都采用直流電源供電。一個ZigBee網絡理論上最多可容納65 535個設備節點，但是當網絡層數過多時，網絡邊緣的設備節點通信時延過大，在實際情況中，一個ZigBee網絡總節點數一般不會超過500個。當停車位超過500個時，可在停車場部署多個ZigBee網絡以滿足需求。

3.1 硬件設計

采集節點是系統最重要的部分，它負責對磁場信號的采集、濾波、處理及傳輸，主要由數據采集模塊、電源模塊、ZigBee無線收發模塊組成，硬件框圖如5所示。

圖5 硬件框圖

GMR傳感器是信號采集模塊的核心，系統使用東方微磁公司生產的雙軸SAS022-1和單軸VA100F3自旋閥巨磁阻傳感器組合成三軸傳感器，通過對三個互相垂直方向的磁場測量，從而更準確的進行車位檢測。由于GMR傳感器[11]的輸出是毫伏級，不便于直接采集使用，所以系統使用LM2904低功耗雙運算放大器，對信號放大100倍；使用一階無源RC低通濾波電路對放大后的信號進行濾波處理，濾除低頻信號。信號采集模塊原理圖如圖6所示。

系統各功能節點的內部標準電壓是3.3 V，而鋰電池提供的電壓是3.7 V，故采用TPS63001芯片來實現3.7 V～3.3 V的電壓。TPS63001的有效率高達96%，在3.3 V的降壓和升壓模式中輸出電流達到1 200 mA和800 mA，器件的靜態電流小于50 uA，輸入電壓范圍為1.8 V～5.5 V。電源管理模塊原理圖如圖7所示。

3.2 軟件設計

采集數據之后，主控芯片CC2530需要對數據進行算法濾波、執行基線跟蹤，并且使用ZigBee技術組建傳感器網絡[12]。

系統采用TI公司推出的半開源ZigBee協議棧ZStack，它是基于輪詢式的操作系統，定義了物理層、媒體介質訪問層、網絡層和應用層，用戶只需要根據需求編寫應用層的程序即可實現ZigBee通訊。系統使用協調器、路由器、終端設備（采集節點）三種設備類型。

協調器啟動后會創建一個ZigBee網絡，當路由器或終端設備啟動后會自動搜索可用的ZigBee網絡并自動加入網絡，向父節點發送上線通知，包括節點類型、節點設備id、短地址，在網絡中，可根據設備id、短地址進行通信。當終端設備成功加入網絡后，便會采集磁場數據并分析，通過網絡將車位信息發送到協調器，協調器通過串口與服務器通信，將信息發送到服務器軟件上。

服務器軟件使用Java語言編寫，由串口通信模塊、數據解析模塊、顯示模塊三部分組成。

串口通信模塊負責底層串口通信，接收、發送串口數據；數據解析模塊負責將通信模塊的數據進行解析，按照約定的數據格式進行數據完整性校驗，解析出數據幀中的數據，數據幀格式如圖8所示；顯示模塊負責將數據解析模塊解析出的數據進行分析并以圖形界面形式進行顯示，軟件界面如圖9所示。

4 實驗分析

4.1 車輛磁場分布

對車位進行有效檢測的關鍵是設置合適的閾值，這需要測量分析車輛底部不同位置對地磁場的擾動大小。采集節點放置在車位左側、右側或中央都可以，但考慮到實際情況，車輛不一定能夠準確停在車位正中心，所以采集節點應該放置在車位左右中心位置。

本文在東西和南北朝向的車位上進行測試，車輛為福特汽車。在南北方向車位上，車輛向南行駛；在東西朝向車位上，車輛向東行駛。正北為x軸正方向，正東為y軸正方向，垂直于地面向上為z軸正方向。在測試中，采集節點放置在車位中央，汽車低速行駛，汽車中心從采集節點上經過。圖10為本文的測量方法示意圖。

圖8 數據幀格式

圖9 軟件界面圖

圖10 測量示意圖

其中，南北方向與東西方向停車位三軸磁場曲線圖如圖11和圖12所示。從圖中可以看出，當車輛距離采集節點較遠時，采集節點周圍地磁場基本沒有變化；當車輛從采集節點上方行駛過去時，周圍地磁場發生較大變化，且東西方向與南北方向車位的 x、y、z軸的變化趨勢是一致的。由于磁傳感器各個軸的偏置電壓不同，因此每個傳感器的偏置電壓也有所不同，且在同一地點各個方向的磁場強度不同，所以x、y、z三軸數據在沒有車輛影響時會有所不同。

圖11 南北方向x、y、z軸磁場曲線圖

圖12 東西方向車位x、y、z軸磁場曲線圖

為了進一步說明問題，采集無車輛影響情況下磁場值的均值作為基線電壓值，繪制x、y、z軸與基線電壓差值曲線如圖13所示。由于發動機和前車軸的影響，在車頭附近x、y軸磁場出現了一個波峰，z軸出現了一個波谷，在后車軸的影響下，三個軸出現了相反的變化。在車尾之后，x、y、z軸曲線并沒有完全回歸到0，這是因為傳感器發生了磁滯現象。磁滯現象是指鐵磁質磁化狀態的變化總是落后于外加磁場的變化，在外磁場撤消后，鐵磁質仍能保持原有的部分磁性[13]。本系統的二級基線跟蹤算法可消除磁滯現象對檢測精度的影響。

（a） 南北方向車位x、y、z軸與基線電壓差值

（b） 東西方向車位x、y、z軸與基線電壓差值

圖13 各個方向車位的x、y、z軸與基線電壓差值

4.2 車位判定

由于單一軸向的磁場容易受車輛停車方向與位置的影響，綜合利用x、y、z軸三個方向的磁場數據可以大大降低單一軸向上的磁場所受的影響，所以使用x、y、z軸與對應基線值差的絕對值之和進行車位判定。圖14所示是東西、南北方向車位x、y、z軸與基線值差的絕對值之和，基線值指在無車輛影響的情況下采集節點采集的磁場值的均值。

（a）南北方向車位三軸與基線值差的絕對值之和

（b）東西方向車位三軸與基線值差的絕對值之和

圖14各個方向車位的x、y、z軸與基線值差的絕對值之和

根據圖14可知，在車輛底部大部分范圍內，圖中數據都遠大于0，采集節點可以安裝在停車位中大部分位置?？紤]到實際情況，為了降低周圍車輛的影響，避免采集節點被車輛碾壓，采集節點應安裝在停車位正中央。可建立合適的閾值進行基線跟蹤，通過閾值與圖中數據之間的關系判斷該車位是否有車輛停入。

由于地磁場自身受天氣、溫度、人類的走動等影響的變化是微小的，較大的閾值1會降低檢測精度，經試驗測試，將采集節點放置在房間內，連續采集48小時的地磁場數據，該次采集到的地磁場電壓最大的變化值為3.2 mV，本系統在3.2mV的基礎上加上一倍的容錯值，所以本系統閾值1設置為6.4 mV。從圖14中可知，在車輛底部大部分范圍內，圖中數據都大于50 mV，閾值2設置為50 mV可以覆蓋車輛底部較大的范圍，所以，本系統閾值2設置為50 mV。

將車位檢測系統安裝到停車位進行測試，共測試70車次，正確識別車位狀態67次，識別率達到95%，且距離采集節點80 cm以外的車輛都不會對檢測精度造成影響。測試結果顯示，本系統采用二級基線跟蹤算法能夠快速對背景磁場進行基線跟蹤，并且能過濾車輛在停入車位時對基線值的影響，大大提高了檢測精度，能正確檢測出車位上是否有車輛存在。為進一步提高車位判定的準確度，還需要通過大量的試驗去完善。

5 結 語

車位檢測準確率是實現智能停車場系統的基礎。本文提出的基于GMR傳感器的無線車位檢查算法通過跟蹤地磁場基線值，采用二級基線跟蹤算法，能夠很好地跟蹤背景磁場的變化，濾除車輛駛入時對地磁場的擾動，算法簡單易用，能夠起到很好的效果。本文基于該算法的系統實現，具有低功耗、體積小、抗干擾能力強的特點，可廣泛用于停車場管理、智能交通系統等方面。

參考文獻

[1]鮑曉東，張仙妮.智能交通系統的現狀及發展[J].道路交通與安全，2006，8（2）：15-18.

[2]彭春華，劉建業，劉岳峰，等.車輛檢測傳感器綜述[J].傳感器與微系統，2007，26（6）：4-7.

[3]趙亞妮，高輝.基于超聲波的車輛檢測器設計[J].計算機測量與控制， 2011， 19（10）：2542-2544.

[4]宋穎華.交通檢測技術及其發展[J].公路，2000（9）：34-37.

[5]張永忠，張軍強，李穎宏.多路環形線圈車輛檢測器設計[J].電子技術應用， 2013， 39（11）：23-26.

[6]尤三偉.高速公路常用車輛檢測器的性能比較[J].甘肅科技， 2008， 24（1）：83-85.

[7]鄒初建，錢正洪，白茹，等.基于三軸GMR傳感器的無線車位檢測系統的研制[J].儀表技術與傳感器，2014（9）： 62-65.

[8]李云龍，張足生，馬新軍，等.基于AMR傳感器的車輛檢測算法[J].傳感器與微系統，2013，31（9）： 119-122.

[9]何志強，羅飛，于峰崎，等.基于地磁傳感器的車輛檢測算法[J].科學技術與工程，2014，14（15）：203-206.

[10] Sifuentes E，Casas O，Pallas-Areny R.Wireless Magnetic Sensor Node for Vehicle Detection With Optical Wake-Up[J].Sensor Journal，IEEE，2011，11（8）：1669-1676.

[11]錢正洪，白茹，黃春奎，等.先進磁電子材料和器件[J].儀表技術與傳感器，2009（B11）：96-101.

[12]朱紅松，孫利民.無線傳感器網絡技術發展現狀[J].中興通訊技術，2009（5）：1-5.

[13]盧全國，周敏，舒亮，等.軸向磁場分布對磁致伸縮驅動器磁滯特性的影響[J].磁性材料及器件， 2013（6）： 5-9.