磁阻效應(yīng)下的地磁鎖車位管理系統(tǒng)設(shè)計

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摘要:針對私家車數(shù)量與日俱增，停車變得越來越困難，在空余車位未知的情況下，停車往往需要花費大量時間的情況，提出一種基于磁阻效應(yīng)的地磁鎖車位管理系統(tǒng)，可以實時獲取停車場車位信息。該系統(tǒng)利用磁阻傳感器檢測車位當(dāng)前狀態(tài)，通過NRF24L01無線傳輸將信息上傳至該車位所在區(qū)域的節(jié)點，該節(jié)點收集該區(qū)域所有車位的信息，一旦有車位狀態(tài)發(fā)生變化，便會利用WiFi將信息上傳至服務(wù)器，服務(wù)器獲取每個車位信息后進行數(shù)據(jù)處理。車主可以通過客戶端獲取停車場車位信息，選擇最近的車位停車。

關(guān)鍵詞:單片機;服務(wù)器;無線傳輸;磁阻

引言

經(jīng)濟日益發(fā)展的今天，“停車難”成為人們一直煩惱的問題。為滿足停車需求，城市建設(shè)了許多停車場，但仍舊不能有效地解決這個問題。問題的關(guān)鍵不在于增加車位的數(shù)量，而在于獲取空閑車位的位置。停車所花的時間大部分是在尋找車位上，而在尋找車位的過程中容易造成擁堵，從而進一步增加停車的時間成本。要減少此類問題出現(xiàn)，就必須對車位進行管理并實時反饋。目前比較常用的手段有:車位鎖、射頻識別(radiofrequencyidentification，RFID)［1］以及磁阻傳感器等。車位鎖的使用比較繁瑣，需要手動解鎖，并且存在一定危險性，操作不當(dāng)容易對車體造成損傷;RFID雖然方便，但需要在每輛車上都貼上標(biāo)簽，增加了人力成本;磁阻傳感器能將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號［2］，利用車體的鐵磁性對周圍磁場的影響作為檢測依據(jù)，具有體積小、適應(yīng)性強，安裝維護方便等特點，已經(jīng)得到越來越多地應(yīng)用［3］。現(xiàn)有的大多數(shù)停車系統(tǒng)基本側(cè)重于場外停車，對車輛進入停車場內(nèi)部后具體車位位置的重視不足［4］，因此，本文提出一種基于磁阻傳感器的車位管理系統(tǒng)，能夠?qū)⑼＼噲鲕囄坏姆植夹畔崟r準(zhǔn)確地反饋給用戶，減少停車時間。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示，由車位檢測模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、服務(wù)器、以及客戶端四部分組成。車位檢測模塊用于將當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)器傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)通信模塊中，數(shù)據(jù)中主要包含車位空閑狀態(tài)與車位編號。網(wǎng)絡(luò)通信模塊在接收數(shù)據(jù)后直接上傳至服務(wù)器，服務(wù)器統(tǒng)計處理這些車位信息。當(dāng)有客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)申請時，服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，用戶即可查看該停車場內(nèi)空閑車位分布情況，并選擇合適車位停車。為了降低功耗，減少數(shù)據(jù)流量，降低服務(wù)器的負擔(dān)，每個車位并非直接用WiFi將數(shù)據(jù)上傳，而是先將數(shù)據(jù)發(fā)送至相應(yīng)區(qū)域節(jié)點處，由節(jié)點統(tǒng)一將該區(qū)域內(nèi)車位狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用ESP8622芯片，只要有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方就可以傳輸數(shù)據(jù)，沒有距離以及空間上的限制。無線傳輸采用NRF24L01芯片，該芯片能耗低，傳輸距離可達50m左右。如果附加天線傳輸距離可以可達1000m，完全滿足停車場內(nèi)的使用。

2硬件電路設(shè)計

主要硬件電路為磁阻傳感器的驅(qū)動電路。本設(shè)計采用型號為HMC1001的傳感器，該傳感器內(nèi)部配置按惠斯頓電橋，除了電橋電路外，傳感器的芯片上有兩個磁耦合的電流帶，即偏置電流帶和置位/復(fù)位電流帶，可以消除干擾，具有體積小，功耗低且靈敏度高等特點。HMC1001輸出信號為差模信號，在傳輸過程中易引入共模信號［5］，為抑制其中的共模信號，采用兩級放大濾波電路。電路如圖2所示。第一級采用的是具有很高共模抑制比的儀表放大器AD623進行信號放大。第二級采用單運放芯片OPA337組成放大濾波電路，去除信號中的噪聲，最終輸出信號由ADC采樣獲取。當(dāng)傳感器長期暴露在干擾磁場中，或者干擾磁場過大時，會使傳感器元件被分割成若干個不規(guī)則磁化方向的磁區(qū)域，這會導(dǎo)致該傳感器靈敏度下降或者失靈。通過置位/復(fù)位電流帶可以生成一個強磁場，將磁區(qū)域重新對準(zhǔn)到統(tǒng)一方向，使模塊始終處于最佳靈敏度狀態(tài)。為使電流帶正常工作，需通過大于4A且不小于2μs的脈沖電流。其電路設(shè)計如圖3所示。輸出S/R+與HMC1001的S/R+相連，CLOCK引腳與單片機相連，用于輸出脈沖信號控制電流帶復(fù)位與置位狀態(tài)的切換。

3軟件部分設(shè)計

3．1數(shù)據(jù)采集

HMC1001傳感器輸出信號經(jīng)過兩級放大濾波后，由ADC進行采樣。為了消除或減少溫度漂移、非線性錯誤、交叉軸影響和由于高斯磁場的存在而導(dǎo)致信號輸出丟失這些影響，必須利用其置位/復(fù)位電流帶。采樣的軟件設(shè)計關(guān)鍵在于如何處理好S/R與AD采樣間的配合。本文需要控制CLOCK引腳電平來控制電流方向，從而達到復(fù)位與置位操作。低電平時對傳感器進行置位，高電平時進行復(fù)位。為確保數(shù)據(jù)可靠性，獲取數(shù)據(jù)時需先進行置位操作，讀取此時的測量值，記為Vset，然后進行復(fù)位操作，讀取此時的測量值，記為Vreset，兩者相減獲得偏置值。計算公式如下式中OS為偏置項，包含了傳感器電橋和接口電子器件的直流偏置以及其溫度漂移。最終復(fù)位值減去偏置得出最終準(zhǔn)確的輸出值。由于復(fù)位狀態(tài)在正常情況下可以有效保持數(shù)年，因此不需要每次測量都重新計算偏置OS，只要剛開始時計算一次偏置OS，隨后開始計時，每隔10min重新計算一次偏置OS值。

3．2數(shù)據(jù)傳輸

每個車位的數(shù)據(jù)都是通過無線傳輸?shù)模瑸榉奖愎芾聿捎脜^(qū)域化結(jié)構(gòu)，即每個車位數(shù)據(jù)不是直接上傳至云端服務(wù)器，而是先發(fā)送到區(qū)域節(jié)點處，每個區(qū)域都設(shè)置一個節(jié)點，用于接收該區(qū)域內(nèi)所有車位的信息，然后統(tǒng)一上傳至服務(wù)器。車位數(shù)據(jù)并不是時刻發(fā)送，而是只有在狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時才會啟動發(fā)送，即車位有車停入，或有車駛出。為確保數(shù)據(jù)能被節(jié)點設(shè)備準(zhǔn)確接收到，當(dāng)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后，數(shù)據(jù)每間隔一段時間就會發(fā)送一次，直到接收到來自節(jié)點處返回的應(yīng)答信號，才會停止發(fā)送，直到狀態(tài)再一次發(fā)生翻轉(zhuǎn)。在芯片被配置時，需要配置成發(fā)送模式，發(fā)送地址固定，接收地址要與發(fā)送地址一致。對于節(jié)點則配置成接收模式，并使能自動應(yīng)答。nRF24l01芯片其地址寬度為3～5個字節(jié)，所以理論上最多可以接收240個不同設(shè)備地址發(fā)送的信息。節(jié)點設(shè)備只需將相應(yīng)接收通道的地址改成車位發(fā)送的地址即可接收。因此采用循環(huán)監(jiān)聽的方式。節(jié)點處循環(huán)修改接收地址，對本區(qū)域內(nèi)的車位進行監(jiān)聽，在接收完成后，會將該地址設(shè)置為發(fā)送地址并發(fā)送應(yīng)答信號，應(yīng)答部分由硬件自動完成，然后更新本地車位信息，最后統(tǒng)一上傳至云端服務(wù)器。每個地址的監(jiān)聽等待時間至少為車位數(shù)據(jù)持續(xù)發(fā)送時間間隔的兩倍，這樣才能保證有效的監(jiān)聽。

4測試結(jié)果分析

4．1磁阻傳感器采樣測試

為測試磁阻傳感器檢測車位是否有效，分別在無車、有車這兩種情況下對數(shù)據(jù)進行采集。測試結(jié)果如圖4所示。由上圖可知，在空車位時傳感器采集的電壓值處于3V以下;而當(dāng)有車停入時;電壓值上升至3．5～4V之間。可以有效地檢測車位狀況。

4．2系統(tǒng)整體測試

為測試系統(tǒng)的可行性，在附近小型停車場進行測試。一共設(shè)置12個車位，由于車位數(shù)量少，作為測試，只設(shè)置1個節(jié)點。等待車輛進出，并通過手機終端將數(shù)據(jù)可視化，觀察停車場車位情況。測試表明，整個系統(tǒng)能夠正常運行，手機終端也可以準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前停車場的信息，如圖5所示。

5結(jié)束語

本文設(shè)計針對停車場停車耗時費勁的現(xiàn)象提出一種基于磁阻效應(yīng)的地磁鎖車位管理系統(tǒng)，可以實時地管理車位信息。客戶端可以從服務(wù)器獲取車位信息，車位信息會實時更新。當(dāng)車主提前了解到停車場車位分布，就無需耗時尋找空余車位。而且檢測模塊可以埋于地下，即使是室外停車場也可以不受天氣影響。

參考文獻:

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［2］祝豪杰，秦會斌．基于磁傳感器的磁近炸引信探測系統(tǒng)設(shè)計［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(3):115－117．

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［4］莫少堯，李云飛．基于物聯(lián)網(wǎng)的城市停車位管理系統(tǒng)［J］．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11(5):11－13，17．

［5］陳凱，秦會斌．基于HMC1001的鐵磁金屬檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2018，37(4):92－93，97．

作者：陳加男 秦會斌 單位：杭州電子科技大學(xué)