基于GMR传感器的无线车位检测算法研究及系统的实现

1、基于GMR传感器的无线车位检测算法研究及系统的实现摘要：文中研究了一种基于自旋阀巨磁阻(GMR)传感器的车位监测算法，设计并实现了一个车位管理系统。车位 监测算法的核心是二级基线跟踪算法，算法设置一大一小两 个阈值，通过小阈值控制基线跟踪，通过大阈值判断车位状 态。磁传感器采用东方微磁公司研发的高灵敏度、低功耗的 GMR传感器SAS022-1和VA100F3。系统通过检测车辆对地磁 场的扰动大小来判断停车位是否存在车辆，并将车位信息通 过ZigBee无线传感网络发送到服务器，由上位机软件显示车位信息。实验表明，该系统体积小、功耗低、检测精度高， 能够广泛用于停车场管理。关键词：三轴 GMR传感

2、器；ZigBee;车位检测；停车管 理；基线跟踪中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：2095-1302 (2016) 05-00-050引言随着我国经济的发展，汽车保有量正逐年攀升，对城市 交通系统造成了巨大的压力1,给城市带来了严重的停车问 题。以目前数据来看，汽车泊位的数量远远满足不了停车的 需要，停车已经成为制约城市经济发展、妨碍市民日常生活 的大问题。因此，解决城市停车问题不仅可以缓解城市交通， 还对促进城市经济发展具有重大意义。提高停车场的工作效 率成了解决停车问题的一种思路。高效的停车场管理系统可大大提高停车场工作效率，其中车位检测技术是关键。 目前国际上常用的车位检测技

3、术 2 有超声波检测3、红外检测4、环行线圈检测5、视频检测、 地磁传感器检测6。超声波检测具有安装方便，寿命长，成 本低等优点，但是探测精度易受环境影响，抗干扰能力差； 红外检测有良好的直线性，抗干扰性能好，成本低，响应速 度快，但是极易受到环境的影响，特别是热源的影响；环形 线圈检测技术成熟，应用广泛，抗干扰能力强，但是安装麻 烦，施工强度大，易损坏，寿命短，维护费用高；视频检测 的单一摄像头可以同时检测多个车位，起到安防作用，但是 成本高，技术成熟度不够；地磁检测是一种新的检测方法，它的优点是精准度高、可靠性高，不易受环境影响，成本低、 体积小，适用于各种停车场，能够应付各种恶劣天气。1

4、检测原理地球自带0.50.6高斯的磁场，地球表面各处的磁场强 度大小和方向都因地而异，地表磁场受各种因素如天气、周 围环境的影响会随着时间而发生改变。铁磁性物体会对磁场 的分布产生扰动，具体的扰动和铁磁性物体的结构、形状和 材质有关。众所周知，汽车绝大部分部件的材质是钢材或者铁质， 所以汽车会对地磁场产生很大的扰动，通过磁传感器检测地 磁的扰动，对磁场变化信号采样进行适当的滤波和算法分析， 便可判断是否有车辆存在。本文采用的东方微磁公司的自旋阀巨磁电阻（GMR）传感器芯片是用于检测磁场的惠斯通电桥结构。当向电桥供电 后，在敏感轴方向加入磁场强度会引起电桥电阻元件的变化， 导致电桥输由端的电压产

5、生相应的变化，即传感器的输由电 压变化量与外加磁场强度成正比，具有宽测量范围、高灵敏 度、低磁滞、低温漂和优良的线性度等特点。系统采用TI公司生产的CC2530作为主控芯片，东方微 磁公司的巨磁阻传感器使用 ZigBee技术组成传感器网络7, 当有车辆停在监控节点上方时，三轴巨磁阻传感器可以探测 到磁场的变化，监控节点通过传感器网络把车位状态信息发 送给协调器，协调器再把信息转发到服务器，通过客户端便 可查询到车位信息。车位检测系统流程如图1所示。图1车位检测系统流程2检测算法磁传感器采集的信号需要进行滤波、去噪处理，地磁场 在短时间内受环境、天气影响非常小，基本处于平稳状态， 但是从长时间来

6、看，地磁场自身可能会发生微弱的变化或者 受到环境、天气、周围建筑的影响而发生改变。因此，车位检测首先需要检测由背景磁场强度的大小，即基线值。基线 值在短时间内是平稳的，但是从长时间来看，基线值是变化 的，所以基线跟踪算法是车位检测的关键。2.1信号滤波系统使用滑动滤波8对磁传感器采集的信号进行滤波 处理，具体步骤是对当前信号及前N-1个信号做均值处理，这种方法可有效去除噪声干扰，对磁场信号M (k)做N次滑动滤波处理后的均值 A (k)如公式(1)所示：在公式(2)中，Bi(k)代表基线值，a i代表加权系数， Ai (k)代表传感器采集的磁场信号大小。加权系数越大，基 线跟踪速度越快。但现实

7、情况是，在车辆停入车位的过程中，已经对周围 的地磁场产生了较大的扰动，但数据是小于阈值的，在这种 情况下会执行基线跟踪，基线值会发生改变，检测正确率会 降低。为了解决这个问题，必须保证在这种情况下基线值保 持不变，一种方法是用较小的加权系数值a i,但是较小的加权系数会使跟踪速度大大降低。本文采用的方法是设定两个阈值，当传感器采集的磁场 强度数据与基线值差的绝对值小于阈值1时，执行基线跟踪；当数据大于阈值1小于阈值2时，基线值与上一状态保持一 致；当数据大于阈值 2时，则判断车位状态改变，基线值与 上一状态保持一致。为阈值 1、阈值2、加权系数设置合适的值可取得非常好的检测效果。二级基线跟踪流

8、程如图4所示。图4二级基线跟踪流程图3系统设计系统主要分为采集节点、路由器、服务器软件三个部分。采集节点10安装在车位上，负责采集车位地磁场信号并发 送信息到路由器。路由器负责管理接入它的采集节点和路由 器，桥接采集节点与协调器之间的通信，协调器是一种特殊 的路由器，在一个ZigBee网络中只能有一个协调器，它负责建立网络、管理整个网络的路由器和采集节点，通过串口与 服务器通信，是整个网络与服务器之间通信的桥梁，路由器 和协调器在硬件上没有任何区别。采集节点使用锂电池供电， 并运行在低功耗模式。经测量，采集节点在低功耗模式下的工作电流为0.1 mA,使用800 mAh的锂电池供电，理论上可 持

9、续工作333天。路由器和协调器都采用直流电源供电。一 个ZigBee网络理论上最多可容纳 65 535个设备节点，但是 当网络层数过多时，网络边缘的设备节点通信时延过大，在 实际情况中，一个ZigBee网络总节点数一般不会超过 500个。 当停车位超过500个时，可在停车场部署多个 ZigBee网络以 满足需求。3.1硬件设计采集节点是系统最重要的部分，它负责对磁场信号的采 集、滤波、处理及传输，主要由数据采集模块、电源模块、ZigBee无线收发模块组成，硬件框图如5所示。图5硬件框图GMR传感器是信号采集模块的核心，系统使用东方微磁公司生产的双轴SAS022-1和单轴VA100F3自旋阀巨磁

10、阻传感 器组合成三轴传感器，通过对三个互相垂直方向的磁场测量， 从而更准确的进行车位检测。由于GMR传感器11的输生是毫伏级，不便于直接采集使用，所以系统使用LM2904低功耗双运算放大器，对信号放大100倍；使用一阶无源 RC低通滤波电路对放大后的信号进行滤波处理，滤除低频信号。 信号采集模块原理图如图6所示。系统各功能节点的内部标准电压是 3.3 V,而锂电池提供 的电压是3.7 V,故采用TPS63001芯片来实现3.7 V3.3 V 的电压。TPS63001的有效率高达 96%,在3.3 V的降压和升 压模式中输由电流达到 1 200 mA和800 mA,器件的静态电 流小于50 uA

11、,输入电压范围为1.8 V5.5 Vo电源管理模块 原理图如图7所示。3.2软件设计采集数据之后，主控芯片 CC2530需要对数据进行算法 滤波、执行基线跟踪，并且使用ZigBee技术组建传感器网络12 o系统采用TI公司推由的半开源 ZigBee协议栈ZStack,它 是基于轮询式的操作系统，定义了物理层、媒体介质访问层、 网络层和应用层，用户只需要根据需求编写应用层的程序即 可实现ZigBee通讯。系统使用协调器、路由器、终端设备（采 集节点）三种设备类型。协调器启动后会创建一个 ZigBee网络，当路由器或终端 设备启动后会自动搜索可用的ZigBee网络并自动加入网络，向父节点发送上线通

12、知，包括节点类型、节点设备id、短地址，在网络中，可根据设备id、短地址进行通信。当终端设备成功加入网络后，便会采集磁场数据并分析，通过网络将 车位信息发送到协调器，协调器通过串口与服务器通信，将 信息发送到服务器软件上。服务器软件使用Java语言编写，由串口通信模块、 数据 解析模块、显示模块三部分组成。串口通信模块负责底层串口通信，接收、发送串口数据；数据解析模块负责将通信模块的数据进行解析，按照约定的 数据格式进行数据完整性校验，解析由数据帧中的数据，数 据帧格式如图8所示；显示模块负责将数据解析模块解析由 的数据进行分析并以图形界面形式进行显示，软件界面如图 9所示。4实验分析4.1

13、车辆磁场分布对车位进行有效检测的关键是设置合适的阈值，这需要 测量分析车辆底部不同位置对地磁场的扰动大小。采集节点放置在车位左侧、右侧或中央都可以，但考虑到实际情况，车辆不一定能够准确停在车位正中心，所以采集节点应该放 置在车位左右中心位置。本文在东西和南北朝向的车位上进行测试，车辆为福特 汽车。在南北方向车位上，车辆向南行驶；在东西朝向车位 上，车辆向东行驶。正北为x轴正方向，正东为y轴正方向, 垂直于地面向上为z轴正方向。在测试中，采集节点放置在 车位中央，汽车低速行驶，汽车中心从采集节点上经过。图 10为本文的测量方法示意图。图8数据帧格式图9软件界面图图10测量示意图其中，南北方向与东

14、西方向停车位三轴磁场曲线图如图11和图12所示。从图中可以看由，当车辆距离采集节点较 远时，采集节点周围地磁场基本没有变化；当车辆从采集节 点上方行驶过去时，周围地磁场发生较大变化，且东西方向 与南北方向车位的 x、y、z轴的变化趋势是一致的。由于磁 传感器各个轴的偏置电压不同，因此每个传感器的偏置电压 也有所不同，且在同一地点各个方向的磁场强度不同，所以 x、y、z三轴数据在没有车辆影响时会有所不同。图11南北方向x、y、z轴磁场曲线图图12东西方向车位x、y、z轴磁场曲线图为了进一步说明问题，采集无车辆影响情况下磁场值的均值作为基线电压值，绘制 x、y、z轴与基线电压差值曲线 如图13所示

15、。由于发动机和前车轴的影响，在车头附近 x、 y轴磁场由现了 一个波峰，z轴由现了一个波谷，在后车轴的 影响下，三个轴由现了相反的变化。在车尾之后，x、y、z轴曲线并没有完全回归到 0,这是因为传感器发生了磁滞现 象。磁滞现象是指铁磁质磁化状态的变化总是落后于外加磁 场的变化，在外磁场撤消后，铁磁质仍能保持原有的部分磁 性13 o本系统的二级基线跟踪算法可消除磁滞现象对检测 精度的影响。(a)南北方向车位x、y、z轴与基线电压差值(b)东西方向车位x、y、z轴与基线电压差值图13各个方向车位的x、y、z轴与基线电压差值4.2 车位判定由于单一轴向的磁场容易受车辆停车方向与位置的影响，综合利用x

16、、y、z轴三个方向的磁场数据可以大大降低 单一轴向上的磁场所受的影响，所以使用x、y、z轴与对应基线值差的绝对值之和进行车位判定。图14所示是东西、南北方向车位x、y、z轴与基线值差的绝对值之和，基线值 指在无车辆影响的情况下采集节点采集的磁场值的均值。(a)南北方向车位三轴与基线值差的绝对值之和 (b)东西方向车位三轴与基线值差的绝对值之和图14各个方向车位的x、y、z轴与基线值差的绝对值之和根据图14可知，在车辆底部大部分范围内，图中数据 都远大于0,采集节点可以安装在停车位中大部分位置。考 虑到实际情况，为了降低周围车辆的影响，避免采集节点被 车辆碾压，采集节点应安装在停车位正中央。可建

17、立合适的 阈值进行基线跟踪，通过阈值与图中数据之间的关系判断该 车位是否有车辆停入。由于地磁场自身受天气、温度、人类的走动等影响的变化是微小的，较大的阈值1会降低检测精度，经试验测试，将采集节点放置在房间内，连续采集 48小时的地磁场数据，该次采集到的地磁场电压最大的变化 值为3.2 mV,本系统在3.2mV的基础上加上一倍的容错值， 所以本系统阈值1设置为6.4 mV。从图14中可知，在车辆 底部大部分范围内，图中数据都大于50 mV,阈值2设置为50 mV可以覆盖车辆底部较大的范围，所以，本系统阈值 2 设置为50 mV。将车位检测系统安装到停车位进行测试，共测试70车次，正确识别车位状态

18、 67次，识别率达到95%,且距离采 集节点80 cm以外的车辆都不会对检测精度造成影响。测试 结果显示，本系统采用二级基线跟踪算法能够快速对背景磁 场进行基线跟踪，并且能过滤车辆在停入车位时对基线值的 影响，大大提高了检测精度，能正确检测由车位上是否有车辆存在。为进一步提高车位判定的准确度，还需要通过大量 的试验去完善。5结语车位检测准确率是实现智能停车场系统的基础。本文提 由的基于GMR传感器的无线车位检查算法通过跟踪地磁场 基线值，采用二级基线跟踪算法，能够很好地跟踪背景磁场 的变化，滤除车辆驶入时对地磁场的扰动，算法简单易用， 能够起到很好的效果。本文基于该算法的系统实现，具有低 功耗、体积小、抗干扰能力强的特点，可广泛用于停车场管 理、智能交通系统等方面。参考文献1鲍晓东，张仙妮.智能交通系统的现状及发展 J.道路 交通与安全，2006, 8 (2): 15-18.2彭春华，刘建业，刘岳峰，等.车辆检测传感器综述J. 传感器与微系统，2007, 26 (6): 4-7.3赵亚妮，高辉.基于超声波的车辆检测器设计J.计算机测量与控制，2011, 19 (10): 2542-2544.4宋颖华.交通检测技术及其发展J.公路，2000 (9