1、 基于磁场传感器的停车监控系统摘要：对许多司机来说，要在一个大型停车场里找到空闲的停车位并不容易。因此，那种能提供停车位占用情况信息的技术方案是非常有用的。下文会为大家介绍一种新型的监控系统，它是一种基于被动磁场传感器，为停车场使用者提供停车位占用信息，并帮助他们高效地把车停好的一种系统。I. 引言现在的城市因为汽车变得越来越拥堵。总的看来，在驾车过程中有相当大一部分时间花在了寻找空闲的停车位上。燃油的消耗、废气的产生和不必要的时间花费对环境、生活质量和国民经济造成了相当大的影响 1-5。要在迷宫般的市中心找到一个空闲的停车位，通常都是采用试错法。如果能够引导司机找到空闲的停车位，那么寻找停车
2、位所需的时间和驾驶路程都将大大减少。而这首先要有能表明停车场剩余车位信息的可操作系统，然后需要有车载导航系统，引导司机到下一个空闲的停车位。所有这些系统都需要有关于停车场占用情况的可靠信息。目前有两种常用的用来检测是否有空闲停车位的方法：感应线圈、超声波传感器 2,3, 6。当今流行用感应线圈来检测流动车辆，该方法要应用一个会受金属物体导电性影响的交变磁场，通过计算线圈电阻的变化来进行车辆的检测。由于这种技术要求的是移动的车辆，所以并不能直接观测出停车位的占用状态。然而，一个停车场里或停车场的某个区域里的汽车数量，可以通过监测出入口来获得。但在运用感应线圈时也有以下几个弊端：耐久性问题、相当大
3、的安装工程以及能量损耗问题 1, 6。超声波传感器能够确定一个特定停车位是否已被占用。由于这些传感器对那些已停放车辆或空闲停车位要有直接视线，而且它们难以防止灰尘、意外损坏或破坏，所以它们唯一可行的安装位置就是要监控区域正上方的天花板。因此，超声波传感器只能用于多层停车场。我们无法监测出那些没有天花板的停车位的占用情况 1, 3, 7。我们需要一种既便宜又容易安装的探测器器来监测没有天花板的停车位，但这需要一种新的方法。出于这种普遍需求，一种基于磁阻传感器的监测系统被开发出来了，而且测试系统被安装到了当地的一个停车场。大量地应用时探测器性价比将与常见的其他技术产品均衡。II. 磁场感应原理磁阻
4、传感器利用地球的磁场作为偏移场，来检测磁性物体的存在。这种完全被动的传感方式不需要释放能量，因此能最大限度的减少能量损耗和电磁干扰风险。此外，磁阻传感器体积小巧，有多种放置选择。车辆的磁性组件的通量集中会导致磁力线的变形，这是我们预期的一个重要的信号源。尽管永久磁化在这里可能也起了作用，但这是无法预知的,因为它很容易在车辆的组装和修理过程中被改变。因此，现今只考虑磁场聚集效应。大多数信号源于规模较大的组件，如发动机、变速箱、传动轴、车轴、车轮悬架。一辆典型的薄板体汽车对磁场的影响是很小的 8-14。为了预测车辆附近的磁场，本文使用限元法进行了简单的二维模拟。图 1 展示了一辆典型汽车周围的磁通
5、量线。要注意的是，模拟中的车并不是特定的某辆车，而为了对地球磁场变形有个大致的了解，模型也是大大简化过了的。我们假定磁性组件位于车轴、发动机和车身底部，并且各部分的相对磁导率分别为 1000、300 和 150。这个模拟是基于均匀分布的地磁场，数量级为 40T，倾角为 60，代表欧洲典型的情形。图 1 模拟受车辆影响而变形了的地磁场我们可以看到，磁场线被明显扭曲了，尤其是在汽车的底部。这表明，当把探测器器安装在地板上或紧靠地面的地底下，能够得到最佳的结果。如果把探测器置于车辆前方，也能产生可接受的信号水平，至少对于那些引擎前置的汽车来说是可行的。图 2 展示了将探测器置于地面上时的模拟信号。图
6、 2 沿着汽车底层的磁感应强度（绝对值）和预期的一样，前轮轴和发动机底下的信号电平最大，也表明这是在停车场中安装传感器的最佳位置。然而，我们也得考虑到车辆有可能是倒退着进入停车位的，而且并不是所有的车辆前面都有发动机。该模拟磁场的最大变化值大约为 50 T。虽然模型经过简化，并不精确，但至少反映出了数量级。III. 探测器模块的描述探测器器是由现有的低价磁阻传感器通过三轴排列而成。我们选择各项异性磁阻（ARM）传感器是因为它体积小、能耗低和价格有竞争力 15。每个传感器都是由四个蜿蜒排放在硅基板上的高导磁合金条组成的。为了提高温度特性和增加信号输出，这些电阻元件被连接在单臂电桥结构中。两个集成
7、的平面线圈能够处理沿着传感器灵敏轴和高导磁合金条易磁化轴的磁场分量。初步实验表明，古典的技术，如在一级放大器反馈回路中的正温度系数热敏电阻，并不能充分弥补传感元件的温度特性。监测器的模拟部分剩余的温度系数仍然能产生高达几T 的等效于 10K 温度变化的信号源。为了克服这些缺陷，我们用反馈回路来补偿要测量的外磁场。随着传感器输出电压的变化，电子控制器电路通过集成的补偿线圈来调整电流（如图 3）。这个线圈的磁场与外部磁场相同但方向相反，因此能消除传感器感知到的外磁场。补偿线圈里的电流能够给出测量的磁信号的信息。由于传感器总是在其零点被应用，所以补偿电流与传感器的实际灵敏度无关，因此也就与因温度而变
8、化的灵敏度无关。图 3 反馈回路的磁场补偿把控制器用来补偿外磁场的输出信号连接到微控制器的模拟-数字转换器输入口。这种微控制器具有数字信号处理（DSP）功能，能对由三轴传感器装置产生的信号进行实时的数字滤波处理。该微控制器的计算功能使其能够自主地确认是否检测到车辆的存在。由于信号的绝对噪声功率主要取决于背景噪声的频带宽度，所以当测量微弱信号时，进行频宽限制是必要的。因此，通过微控制器实现了两频段有限脉冲响应（FIR）低通滤波器的运用。它的低频段的截止频率为 8 赫兹。通过补偿回路低通字符磁场，使得截止频率增大为大约 20 赫兹，该滤波器能接受分辨率为几 nT 的监测器。最后，微控制器通过 RS
9、 485 总线主设备来处理独立探测器的通信。选择这种行业标准是因为它的电子元器件和布线成本低，其线路长度最大为 1200 米，而且它对外界干扰的敏感度低。该通信标准是经过特殊定义的，以便在磁性探测器网络中使用。为了优化网络的速度和可靠性，传输速度高于 57.6 kbps 的将被挑选出来。因为选择了集成电路总线收发器，每条总线上的探测器数量限制为最多 128 个。小批量试产的标准探测器构建在一个大小为 印刷电路板上。它能通过各种外壳和包装来适应特定的m 13 5 16安装位置。因为磁场能穿透非磁性物质，所以很容易设计出外壳来防止超曳现象以及意外损坏和破坏。IV. 测试系统的体系结构测试系统被安装
10、在了当地的一个多层停车场，用来监控停车位的占用情况。如图 4 所示，该系统由一台 PC，三个显示器和 108 个探测器组成。图 4 测试系统的构造这些探测器通过 4 条总线连接到 PC 的标准 RS 485 接口卡。在 PC 上运行那些执行RS485 总线主设备功能和操控显示器的应用软件。总线主设备能通过探测器的周期轮询来刷新停车位的占用状态，占用状态信息会被发送到相应的显示器。如图 5 所示，这 108 个探测器安装在了停车场的两个半楼层上。该停车场的构造类似于上下方向相互交替的双螺旋结构。在图 5 中我们可以看到，这些探测器被装在了两个不同的位置。大约一半的探测器被固定在了墙上，而其他则被
11、装在了地面上。图 6 展示了传感器板相应轴的不同位置和方向。图 5 停车库的规划图 6a 展示了把传感器安装在墙上时的原则，打开的电缆槽让我们能够看到里面的传感器板。通过把传感器板放在电缆槽里能大大减少安装的工作量。此外，没有外壳的传感器也是必要的。图 6b 展示了一个安装在地面上的探测器。安装在这个位置的传感器板要有一个结实的塑料外壳来防止过度运转、灰尘和潮湿。通过把探测器粘在地面上，能大大节省安装时间。图 6 安装在墙上（a）和地面上（b）的探测器位置和轴方向有三个不同的显示器向客户展示停车位的占用信息。图形显示器 D1 和 D2 是由 PC通过网络连接的 TCP/IP 来控制的。数字显示
12、器 D3 是由 RS 485 总线的总线协议来控制的。V. 结果和后处理所开发的该系统能够安装在不同的停车场，而且能把探测器装在不同的位置。这种灵活性相比于其他探测系统具有明显优势。在该测试系统中，我们在此多层停车场中把探测器装在了两个典型的位置。把探测器安装在其他位置也是可以的，比如天花板下面或者停车位的侧面。一般来说，通过缩短与监测车辆的距离，以及扩大与干扰对象的距离（如相邻车位的车辆），能够提高检测的可靠性。在停车场设置好测试系统后，我们进行了初步测试，来检验探测器、通信问题和应用程序。此外，我们对探测器不同安装位置的信号水平也进行了检验。为了这个目的，我们用不同类型的汽车进行各种停车场
13、景的模拟。例如，将车停在相邻车位有车的停车位和将车停在相邻车位没车的停车位的情景模拟。下面会为大家展示一个标准停车情形下的典型信号特征。所用汽车为 Peugeot 307 Break Diesel，探测器安装于停车位的地面上。测试车辆进入停车位后停留 15 秒左右，然后离开停车位。探测器微控制器的 ADC 值通过总线接口被读出。由于 ADC 是 12 位分辨率的，所以每个轴的 ADC 值范围为 0 到 4095。图 7 中位于上方的那幅图展示了在这种特殊停车情形下，探测器的每个轴的信号情况，相应的方向为图 6 中所描述的情况。图 7 测试车辆进入和离开停车位时产生的典型信号在系统安装完成，探测
14、器的位置和方向进行改变之后，我们要对探测器的偏移进行调整，从而补偿当地的静电磁场。在上面的例子中，探测器在测量之前，当停车位还未被占用之时就被补偿了。因此，图 7 中的三条曲线都是以探测范围中点值 2048 为起点的。五秒钟后，汽车开进了停车位。三个信号都发生了显著的变化。测量进行了 8 秒后，汽车在车位停了下来，且在 10.5 秒的时候关闭了引擎。在 20.5 秒时，汽车再次发动引擎，然后在 22.5 秒时离开停车位。信号并不是只受车辆类型和探测器位置的影响。除了车辆的铁磁性组件外，车载电气系统（如柴油发动机的预热）也能产生显著的信号图 7 中位于下方的那幅图显示了三轴数据的一种可行的处理方
15、法。图中曲线代表的是三轴数据各自与校准点之差的绝对值之和。通过定义一个阈值水平，我们能在一个适当的置信水平上检测出停车位上车辆的存在与否。这个阈值水平是通过在测试中利用不同车辆和停车情景来确定的。通过大量测试表明，把探测器安装在地面上能得到一个很好的信号水平，相邻车位是否有车对该信号几乎没有影响。安装在墙上的探测器产生的信号有时会受到附近停车位的占用状况的影响。这种影响取决于车位相对于地磁场的方向。但通过更高级的算法，如挑选最有磁场表现力的组件，能够降低该影响。在墙上安装探测器的优势在于能够直接进行安装，而且不会影响停车场的日常运作。我们已经对两种位置都进行了连续测试。目前的精确调查是在停车场
16、正常运作的时间段进行的，覆盖了现实生活中不同类型车辆和停车情景的影响因素。当对足够多的数据进行分析之后，很快就能获得重要的评估结果。该阈值算法的结果是停车位要么已被占用要么未被占用。与前面介绍的一样，该信息将会通过总线主控设备读出，然后发送到相应的显示器。图 8 展示了显示器 D1 对 4 楼上层的图像化输出。除了显示出未被占用的停车位的数量外，也显示了停车位的详细位置，绿色和红色方块分别代表未被占用和已被占用的停车位。因此停车场用户拥有停车位占用情况的详细信息，所以他们能有效的找到空闲的停车位。图 8 显示器 D1 的图形输出VI. 结论与展望总而言之，我们已经开发除了一种基于被动磁场传感器
17、的停车场监控系统。我们对磁场传感器的特性进行了测试，也对模型系统地完整运作进行了描述。该系统能为停车场提供车位的占用情况信息。该系统容易操作，而且探测器可以灵活的安装在不同的位置。我们可以将该系统进一步扩展为一个完整的停车场引导系统。该系统地缺陷主要在于被动磁场的感应方式。首先，探测器的位置决定干扰比率，干扰比率主要受相邻车位里的车辆的影响。因此，安装在监测车辆附近的探测器会产出容易被处理的信号。此外，只有当汽车里的铁磁性构件能使探测器里的地磁场发生显著变形，该汽车才能被识别。在运用测试系统的停车场里，在某些特别的位置我们发现了相当强的静电磁场，强度是地磁场的好几倍。探测器的补偿能力需要进行延伸，以适应主要由建筑内铁磁性组件产生的通量集中。为了扩展系统的功能，需要进行一些技术创新。此外，该检测算法也将被加强，从而不再仅由信号水平决定。致谢在研究过程中，德国的 Q-Park Saarbruecken 公司为系统测试提供了停车场，而德国埃珀尔博恩的 Siebert Industrieelektronik 公司提供了该系统中运用的图形显示器，在此，作者对他们给予的支持表示感谢。
