【系统设计论文】磁阻效应下的地磁锁车位管理系统设计

【系统设计论文】磁阻效应下的地磁锁车位管理系统设计摘要:针对私家车数量与日俱增，停车变得越来越困难，在空余车位未知的情况下，停车往往需要花费大量时间的情况，提出一种基于磁阻效应的地磁锁车位管理系统，可以实时获取停车场车位信息。该系统利用磁阻传感器检测车位当前状态，通过NF24L01无线传输将信息上传至该车位所在区域的节点，该节点收集该区域所有车位的信息，一旦有车位状态发生变化，便会利用WiFi将信息上传至服务器，服务器获取每个车位信息后进行数据处理。车主可以通过客户端获取停车场车位信息，选择最近的车位停车。关键词:单片机;服务器;无线传输;磁阻引言经济日益发展的今天，“停车难”成为人们一直烦恼的问题。为满足停车需求，城市建设了许多停车场，但仍旧不能有效地解决这个问题。问题的关键不在于增加车位的数量，而在于获取空闲车位的位置。停车所花的时间大部分是在寻找车位上，而在寻找车位的过程中容易造成拥堵，从而进一步增加停车的时间成本。要减少此类问题出现，就必须对车位进行管理并实时反馈。目前比较常用的手段有:车位锁、射频识别(radiofrequencyidentification，FID)1以及磁阻传感器等。车位锁的使用比较繁琐，需要手动解锁，并且存在一定危险性，操作不当容易对车体造成损伤;FID虽然方便，但需要在每辆车上都贴上标签，增加了人力成本;磁阻传感器能将磁信号转换为电信号2，利用车体的铁磁性对周围磁场的影响作为检测依据，具有体积小、适应性强，安装维护方便等特点，已经得到越来越多地应用3。现有的大多数停车系统基本侧重于场外停车，对车辆进入停车场内部后具体车位位置的重视不足4，因此，本文提出一种基于磁阻传感器的车位管理系统，能够将停车场车位的分布信息实时准确地反馈给用户，减少停车时间。1系统总体设计整个系统设计如图1所示，由车位检测模块、网络通信模块、服务器、以及客户端四部分组成。车位检测模块用于将当前检测数据通过无线收发器传输到网络通信模块中，数据中主要包含车位空闲状态与车位编号。网络通信模块在接收数据后直接上传至服务器，服务器统计处理这些车位信息。当有客户端向服务器发送数据申请时，服务器将数据发送给客户端，用户即可查看该停车场内空闲车位分布情况，并选择合适车位停车。为了降低功耗，减少数据流量，降低服务器的负担，每个车位并非直接用WiFi将数据上传，而是先将数据发送至相应区域节点处，由节点统一将该区域内车位状态数据发送至服务器。网络传输采用ESP8622芯片，只要有无线网络覆盖的地方就可以传输数据，没有距离以及空间上的限制。无线传输采用NF24L01芯片，该芯片能耗低，传输距离可达50m左右。如果附加天线传输距离可以可达1000m，完全满足停车场内的使用。2硬件电路设计主要硬件电路为磁阻传感器的驱动电路。本设计采用型号为HMC1001的传感器，该传感器内部配置按惠斯顿电桥，除了电桥电路外，传感器的芯片上有两个磁耦合的电流带，即偏置电流带和置位/复位电流带，可以消除干扰，具有体积小，功耗低且灵敏度高等特点。HMC1001输出信号为差模信号，在传输过程中易引入共模信号5，为抑制其中的共模信号，采用两级放大滤波电路。电路如图2所示。第一级采用的是具有很高共模抑制比的仪表放大器AD623进行信号放大。第二级采用单运放芯片OPA337组成放大滤波电路，去除信号中的噪声，最终输出信号由ADC采样获取。当传感器长期暴露在干扰磁场中，或者干扰磁场过大时，会使传感器元件被分割成若干个不规则磁化方向的磁区域，这会导致该传感器灵敏度下降或者失灵。通过置位/复位电流带可以生成一个强磁场，将磁区域重新对准到统一方向，使模块始终处于最佳灵敏度状态。为使电流带正常工作，需通过大于4A且不小于2s的脉冲电流。其电路设计如图3所示。输出S/+与HMC1001的S/+相连，CLOCK引脚与单片机相连，用于输出脉冲信号控制电流带复位与置位状态的切换。3软件部分设计31数据采集HMC1001传感器输出信号经过两级放大滤波后，由ADC进行采样。为了消除或减少温度漂移、非线性错误、交叉轴影响和由于高斯磁场的存在而导致信号输出丢失这些影响，必须利用其置位/复位电流带。采样的软件设计关键在于如何处理好S/与AD采样间的配合。本文需要控制CLOCK引脚电平来控制电流方向，从而达到复位与置位操作。低电平时对传感器进行置位，高电平时进行复位。为确保数据可靠性，获取数据时需先进行置位操作，读取此时的测量值，记为Vset，然后进行复位操作，读取此时的测量值，记为Vreset，两者相减获得偏置值。计算公式如下式中OS为偏置项，包含了传感器电桥和接口电子器件的直流偏置以及其温度漂移。最终复位值减去偏置得出最终准确的输出值。由于复位状态在正常情况下可以有效保持数年，因此不需要每次测量都重新计算偏置OS，只要刚开始时计算一次偏置OS，随后开始计时，每隔10min重新计算一次偏置OS值。32数据传输每个车位的数据都是通过无线传输的，为方便管理采用区域化结构，即每个车位数据不是直接上传至云端服务器，而是先发送到区域节点处，每个区域都设置一个节点，用于接收该区域内所有车位的信息，然后统一上传至服务器。车位数据并不是时刻发送，而是只有在状态发生翻转时才会启动发送，即车位有车停入，或有车驶出。为确保数据能被节点设备准确接收到，当状态翻转后，数据每间隔一段时间就会发送一次，直到接收到来自节点处返回的应答信号，才会停止发送，直到状态再一次发生翻转。在芯片被配置时，需要配置成发送模式，发送地址固定，接收地址要与发送地址一致。对于节点则配置成接收模式，并使能自动应答。nF24l01芯片其地址宽度为35个字节，所以理论上最多可以接收240个不同设备地址发送的信息。节点设备只需将相应接收通道的地址改成车位发送的地址即可接收。因此采用循环监听的方式。节点处循环修改接收地址，对本区域内的车位进行监听，在接收完成后，会将该地址设置为发送地址并发送应答信号，应答部分由硬件自动完成，然后更新本地车位信息，最后统一上传至云端服务器。每个地址的监听等待时间至少为车位数据持续发送时间间隔的两倍，这样才能保证有效的监听。4测试结果分析41磁阻传感器采样测试为测试磁阻传感器检测车位是否有效，分别在无车、有车这两种情况下对数据进行采集。测试结果如图4所示。由上图可知，在空车位时传感器采集的电压值处于3V以下;而当有车停入时;电压值上升至354V之间。可以有效地检测车位状况。42系统整体测试为测试系统的可行性，在附近小型停车场进行测试。一共设置12个车位，由于车位数量少，作为测试，只设置1个节点。等待车辆进出，并通过手机终端将数据可视化，观察停车场车位情况。测试表明，整个系统能够正常运行，手机终端也可以准确地获取当前停车场的信息，如图5所示。5结束语本文设计针对停车场停车耗时费劲的现象提出一种基于磁阻效应的地磁锁车位管理系统，可以实时地管理车位信息。客户端可以从服务器获取车位信息，车位信息会实时更新。当车主提前了解到停车场车位分布，就无需耗时寻找空余车位。而且检测模块可以埋于地下，即使是室外停车场也可以不受天气影响。参考文献:1曾瑞韬基于FID智能停车位管理系统开发D南京:东南大学，20162祝豪杰，秦会斌基于磁传感器的磁近炸引信探测系统设计J传感器与微系统，2016，35(3):1151173高俊，王劲东，仇福伟基于隧道磁阻传感器的车辆探测器研究J仪器仪表学报，2017，38(8):203920464莫少尧，李云飞基于物联网的城市停车位管理系统J单片机与嵌入式系统应用，2011，11(5):1113，175陈凯，秦会斌基于HMC1001的铁磁金属检测系统设计J传感器与微系统，2018，37(4):9293，97