一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統的製作方法
2023-06-11 13:37:31 1
專利名稱：一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡，具體地說是一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統。
背景技術：
隨著社會發展和人們生活水平的提高，車輛保有量逐年激增，為了保證車輛安全和交通方便，迫切需要採用自動化程度高、方便快捷的停車場自動管理系統，提高停車場管理水平。高效的停車場管理系統需要有安裝方便、性能穩定的車位探測器作為支撐。傳統的車位探測器主要採用地面下埋設電感線圈，通過檢測車輛存在來完成。這個方法的缺點包括線圈體積龐大、線圈鋪設對地面破壞嚴重，線圈壽命短、系統維護成本高等。現有的車位探測方法還有視頻監控的方法和微波檢測方法。視頻監控的方法存在系統成本高、受環境因素影響大、系統穩定性差等問題；微波檢測方法同樣也存在小間距車輛識別困難、抗幹擾能力差、系統鋪設成本高等問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統。
本發明要解決的是現有車位探測器存在的地面破壞嚴重，使用壽命短、系統維護成本高的問題。
本發明的技術方案是本發明為一個包括異向性磁阻傳感器端機、無線中繼端機和無線接收端機的三級多跳無線傳感器網絡系統，它由大量異向性磁阻傳感器端機、若干無線中繼端機和一個無線接收端機構成；異向性磁阻傳感器端機負責前端信號的獲取和處理，無線中繼端機負責接收異向性磁阻傳感器端機上報的數據，並將該數據轉發給無線接收端機，無線接收端機負責系統的協調、車位狀態信息的顯示與存儲；異向性磁阻傳感器端機數量根據車位確定，每個車位設置一個異向性磁阻傳感器探測端機，無線中繼端機的數量和布設位置根據實際場合的建築結構、車位布局選擇，以在使用設備最少的情況下最大程度地保證網絡傳輸的連通性和數據傳輸的實時性。
本發明使用異向性磁阻傳感器探測車位狀態的方法，具有對地面破壞小、成本低廉、維護方便、受環境影響小、抗幹擾能力強、車輛探測準確等優點。同時，採用三級網絡中繼轉發，解決了無線傳輸距離受限、易被遮擋等問題，能靈活應用於各種結構複雜的停車場。
圖1為本發明的結構框圖。
圖2為三路異向性磁阻傳感器和三路模擬信號處理單元連接框圖。
圖3為本發明的工作流程圖。
圖4為本發明的安裝示意圖。
具體實施例方式 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
本發明為一個三級多跳無線傳感器網絡系統，它由大量異向性磁阻傳感器(AMR傳感器)端機3、若干無線中繼端機2和一個無線接收端機1構成。異向性磁阻傳感器端機3負責前端的信號獲取和處理，通過電池供電。無線中繼端機2負責接收由異向性磁阻傳感器端機3上報的數據，並將該數據轉發給無線接收端機1，由太陽能電池、或蓄電池、或有源供電。無線接收端機1負責系統的協調、車位狀態信息的顯示與存儲，通過有線直流電源方式供電。
上述由異向性磁阻傳感器端機3、無線中繼端機2和無線接收端機1組成的三級多跳無線傳感器網絡的工作方式為異向性磁阻傳感器端機3在上電啟動後，需要先通過附近的一個無線中繼端機2加入網絡，在成功加入網絡後，異向性磁阻感器端機3進入待機探測工作狀態，並且將需要上報的數據發送給該接納其加入網絡的無線中繼端機2；無線中繼端機2上電啟動後，需要先加入無線接收端機1維護的網絡，成功加入網絡後，無線中繼端機2可以接納附近的異向性磁阻傳感器端機3加入網絡，並負責將其接納的所有異向性磁阻傳感器端機3上報的數據轉發給無線接收端機1，每個無線中繼端機2最多可接納255個異向性磁阻傳感器端機3；無線接收端機1上電啟動後，建立一個以自己為管理中心的無線網絡，並開始接納無線中繼端機2和附近的異向性磁阻傳感器端機3加入網絡，無線接收端機1收集所有端機上報的數據，無線接收端機1最多可接納255個無線中繼端機2和255個異向性磁阻傳感器端機3。
異向性磁阻傳感器端機3數量根據車位4確定，每個車位4設置一個異向性磁阻傳感器探測端機，無線中繼端機2的數量和布設位置根據實際場合的建築結構、車位4布局選擇，以在使用設備最少的情況下最大程度地保證網絡傳輸的連通性和數據傳輸的實時性。
圖1中的異向性磁阻傳感器端機3包括圖2中的三路相互垂直(X軸、Y軸、Z軸)異向性磁阻傳感器、三路相同模擬信號處理單元(模塊)、控制單元(模塊)以及射頻單元(模塊)。異向性磁阻傳感器實時採集地磁信號，並輸出相應的電壓信號給模擬信號處理單元，模擬信號處理單元連接於控制單元，控制單元與射頻傳輸單元互相連接。
圖2中的每路模擬信號處理單元主要包括放大模塊、隔直濾波模塊和電壓比較模塊，放大模塊連接於隔直濾波模塊，隔直濾波模塊連接於電壓比較模塊，放大模塊和電壓比較模塊連接於控制模塊。
放大模塊用於對異向性磁阻傳感器單元採集到的地磁信號進行充分的放大，該放大後的信號在經過濾波模塊濾波後送入異向性磁阻傳感器端機3控制單元的模數轉換器。
隔直濾波模塊用於對放大模塊處理後的信號進行濾波處理，剔除其中的直流成分，拾取車位4狀態發生改變時的交流信號。
電壓比較模塊用於將隔直濾波模塊的輸出與給定的電壓進行比較，得到車位4狀態是否發生變化的脈衝電平信號，喚醒控制單元對三路放大後的異向性磁阻傳感器信息進行採集。
控制單元用於對異向性磁阻傳感器信息進行採集，由電壓比較器產生的脈衝電平信號喚醒控制單元後，通過控制單元的數模轉換模塊對三路放大後的異向性磁阻傳感器信息進行採集，並與原始地球磁場大小進行比較，經過一定的識別算法後得到車位4是否被佔用的狀態信息，如果車位4狀態發生改變，則將改變後的車位4狀態信息送入射頻單元，再發送給無線中繼端機2；射頻單元與無線中繼端機2通過無線通信的方式進行數據交換。
圖1中的無線中繼端機2包括控制單元、與控制單元連接的射頻單元。無線接收端機1包括控制單元、與控制單元連接的射頻單元以及存儲單元，存儲單元用於存儲收到的上報數據。
在異向性磁阻傳感器端機3與無線中繼端機2之間，無線中繼端機2與無線接收端的無線傳輸採用數據確認機制，數據的發送方在發送數據幀後，需要等待接收發返回的確認幀，以確認接收方收到該數據幀；如果在規定時間內，發送方沒有收到接收方返回的確認幀，發送方將重發該數據幀，直至收到接收方返回的關於該數據幀的確認幀。
在異向性磁阻傳感器端機3與無線中繼端機2之間，無線中繼端機2與無線接收端之間的無線傳輸採用帶衝突避免的信道偵聽機制來有效避免由於共用無線信道產生的碰撞衝突，在端機發送數據、更新配置或下發命令前，端機先偵聽信道忙閒，如果信道空閒，則立即發送；如果信道為忙，則隨機延遲一段時間之後再偵聽信道忙閒，如果信道空閒，則立即發送；如果信道仍然為忙，則再隨機延遲一段時間之後偵聽信道忙閒，直至偵聽到信道空閒時進行發送。
本發明除了使用異向性磁阻傳感器端機3到無線中繼端機2，由無線中繼端機2到無線接收端機1的上行鏈路傳輸上報數據外，還使用由無線接收端機1到無線中繼端機2，由無線中繼端機2到異向性磁阻傳感器端機3的下行鏈路發送對異向性磁阻傳感器端機3的配置更新和重置背景值命令。
無線接收端機1通過向異向性磁阻傳感器端機3發送命令，更新異向性磁阻傳感器端機3的判決門限、背景門限及相關參數，以更改傳感器的探測靈敏度和射頻發送功率；無線接收端機1也可向異向性磁阻傳感器端機3下發重置背景值命令。
在本發明中對幹擾採用了綜合抗幹擾處理方法。該綜合抗幹擾處理方法包括低通電路濾波法、關閉中斷法、偵聽信道空閒法等。低通電路濾波法是指在硬體電路上採用低通濾波抑制外界發生的高頻幹擾信號。關閉中斷法是指端機每次在車輛穩定(停穩或完全離開)後發送數據給無線中繼端機2時，控制單元關閉模擬信號處理單元電壓比較模塊引起的中斷。異向性磁阻傳感器端機3每次發送數據時，射頻信號會對電路產生較大的影響，通過關閉模擬信號處理單元電壓比較模塊引起的中斷可以有效地避免端機無線發送數據時引起的錯誤中斷。偵聽信道空閒法主要用於排除異向性磁阻傳感器端機3之間的幹擾。具體指當其中一個異向性磁阻傳感器端機3的電壓比較模塊輸出引起中斷時，若檢測出信道正處於忙狀態，則證明該中斷是由於臨近的其他異向性磁阻傳感器端機3射頻發送數據所致，認為是無效中斷。
圖3中異向性磁阻傳感器端機3具體探測車位4的過程為由於車輛本身含有的鐵磁物質會對車輛存在區域的地磁信號產生影響，使車輛存在區域的地球磁場磁力線發生彎曲，車輛駛入駛出異向性磁阻傳感器感應區域時，對異向性磁阻傳感器感應區域內的地磁信號產生影響，異向性磁阻傳感器輸出地磁信號變化引起的電壓信號變化，異 向性磁阻傳感器端機3模擬信號處理單元的放大模塊對電壓信號進行放大，模擬信號處理單元的濾波隔直模塊對放大過的信號進行甄別，萃取出含有車輛信息的信號。
當車輛駛入本發明的異向性磁阻傳感器端機3的感應區域時，異向性磁阻傳感器感應到地磁信號的變化，並與之前的背景值進行比較，這個信號的變化經過一系列的信號處理後，會在異向性磁阻傳感器端機3模擬信號處理單元的電壓比較模塊產生一個由低變高的脈衝信號，控制單元收到此脈衝信號便開始利用自身帶有的模數轉換器不斷地採集模擬信號處理單元放大模塊的輸出，直至信號平穩後認為周圍地磁場穩定後停止採樣。根據這段時間的採樣值判決車輛是否停在車位4上，如果判決為車輛只是經過，則端機重新進入待機狀態；如果判決為車輛停在車位4上，則異向性磁阻傳感器端機3通過射頻單元以無線的方式把自身編號、車位4被使用等信息發送給附近的無線中繼端機2，無線中繼端機2收到後，回發確認信息給傳感器端機3，然後再將該數據轉發給無線接收端機1，無線接收端機1收到後會發確認信息給無線中繼端機2。無線接收端機1在顯示界面中將對應車位4標識為被使用狀態，並將相關信息實時的保存在存儲單元。
當車輛駛離本發明的傳感器端機3的感應區域時，異向性磁阻傳感器敏感到地磁信號的變化，並與之前的背景值進行比較，這個信號的變化經過一系列的信號處理會在異向性磁阻傳感器端機3模擬信號處理單元的電壓比較模塊產生一個由高變低的脈衝信號，控制單元收到此脈衝信號便開始利用自身帶有的模數轉換器不斷地採集放大模塊的輸出，直至信號平穩後認為周圍地磁場穩定後停止採樣。根據這段時間的採樣值判決車輛是否駛離車位4上，如果判決為車輛只是在車位4上移動而未駛離，則端機重新進入待機狀態；如果判決為車輛駛離車位4，則端機通過射頻單元以無線的方式把自身編號、車位4空閒等信息發送給附近的無線中繼端機2，無線中繼端機2收到後回發確認信息給傳感器端機3，然後再將該數據轉發給無線接收端機1，無線接收端機1收到後會發確認信息給無線中繼端機2。無線接收端機1在顯示界面中將對應車位4標識為空閒狀態，並將相關信息實時的保存在存儲單元。
在本發明中的所有端機使用各種低功耗的器件外，還採用了先進的功耗控制方法，最大程度地提高了系統的電源續航能力。本發明中的異向性磁阻傳感器端機3隻有在車輛移動時才處於正常工作模式，其他時間均處於休眠狀態。休眠狀態時，異向性磁阻傳感器端機3的控制單元工作在超低功耗狀態，端機關閉除模擬信號處理單元和控制單元最小系統電路之外的所有電路的電源供給。射頻單元平時都處於休眠關閉狀態，只有在車位4狀態發生變化後才上報數據，異向性磁阻傳感器端機3的能耗非常低，休眠電流僅為1mA；無線中繼端機2加入網絡後處於休眠狀態，使用射頻喚醒功能，當異向性磁阻傳感器端機3有數據發送時，無線中繼端機2被喚醒，進入到正常工作狀態，這種工作機制有效減小了無線中繼端機2的損耗，休眠電流只有10uA。
異向性磁阻傳感器端機3上電啟動後，首先進行模塊初始化工作，然後與無線中繼端機2或無線接收端機1交互加入網絡，網絡加入成功後，端機進入休眠狀態。當車輛到來(或離開)時模擬信號處理單元的電壓比較模塊輸出引起的中斷會把端機從休眠狀態中喚醒，並開始控制單元採集放大模塊的輸出，車輛離開(或停穩)後，向無線中繼端機2或無線接收端機1上報數據，在確認接收方收到數據後，便再次進入休眠狀態。
圖4中的每個車位4均由一個異向性磁阻傳感器端機3檢測，每個無線中繼端機2最多可管理255個異向性磁阻傳感器端機3。實際使用時，可根據車位4分布、停車場的建築結構等因素靈活選擇無線中繼端機2的數目和布設位置。具體安裝時，將異向性磁阻傳感器端機3鋪設於車位4中後部，該端機通過四個膨帳螺絲固定於地表。
系統中所有端機的射頻單元工作頻率為433MHz，帶寬為64MHz，數據傳輸速率及功率可調，最大傳輸速率500kbps，最大傳輸功率10dBm，埋設在路面斷層中的無線傳輸距離最大可到500m。
本發明所述的異向性磁阻傳感器的英文全稱為anisotropicmagneto resistive，簡稱為AMR傳感器。
權利要求
1.一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，包括異向性磁阻傳感器端機、無線中繼端機和無線接收端機，其特徵在於該系統為三級多跳無線傳感器網絡系統，它由大量異向性磁阻傳感器端機、若干無線中繼端機和一個無線接收端機構成；異向性磁阻傳感器端機負責前端的信號獲取和處理，無線中繼端機負責接收異向性磁阻傳感器端機上報的數據，並將該數據轉發給無線接收端機，無線接收端機負責系統的協調、車位狀態信息的顯示與存儲；異向性磁阻傳感器端機數量根據車位確定，每個車位設置一個異向性磁阻傳感器探測端機，無線中繼端機的數量和布設位置根據實際場合的建築結構、車位布局選擇，以在使用設備最少的情況下最大程度地保證網絡傳輸的連通性和數據傳輸的實時性。
2.根據權利要求1所述的一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，其特徵在於異向性磁阻傳感器端機包括三路相互垂直的異向性磁阻傳感器、三路相同的模擬信號處理單元、控制單元以及射頻傳輸單元；異向性磁阻傳感器實時採集地磁信號，連接於模擬信號處理單元，模擬信號處理單元連接於控制單元，控制單元與射頻傳輸單元互相連接。
3.根據權利要求2所述的一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，其特徵在於異向性磁阻傳感器端機的模擬信號處理單元主要包括放大模塊、隔直濾波模塊和電壓比較模塊，放大模塊連接於隔直濾波模塊，隔直濾波模塊連接於電壓比較模塊，放大模塊和電壓比較模塊連接於控制單元；
放大模塊對異向性磁阻傳感器採集到的地磁信號進行充分放大，該放大後的信號在經過隔直濾波模塊濾波後送入控制單元的模數轉換器；
隔直濾波模塊用於對放大模塊處理後的信號進行濾波處理，剔除其中的直流成分，拾取車位狀態改變時的交流信號；
電壓比較模塊用於將隔直濾波模塊的輸出與給定的電壓進行比較，得到車位狀態是否發生變化的脈衝電平信號，喚醒控制單元對三路異向性磁阻傳感器的信息進行採集；
控制單元用於對異向性磁阻傳感器電壓信號進行採集及車位檢測算法處理，由電壓比較器模塊產生的脈衝電平信號喚醒控制單元後，通過控制單元的數模轉換模塊對異向性磁阻傳感器三路放大後的信息進行採集，並與原始地球磁場大小進行比較，經過一定的識別算法後得到車位是否被佔用的狀態信息，如果車位狀態發生改變，則將改變後的車位狀態信息送入射頻單元，再發送給無線中繼端機；射頻單元與無線中繼端機通過無線通信的方式進行數據交換。
4.根據權利要求1所述的一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，其特徵在於無線中繼端機包括控制單元、與控制單元連接的射頻單元；無線接收端機包括控制單元、與控制單元連接的射頻單元以及存儲單元，存儲單元用於存儲收到的上報數據。
5.根據權利要求1所述的一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，其特徵在於系統中異向性磁阻傳感器端機與無線中繼端機之間、無線中繼端機與無線接收端之間的無線傳輸採用數據確認機制，數據的發送方在發送數據幀後，需要等待接收方返回的確認幀，以確認接收方收到該數據幀；如果在規定時間內，發送方沒有收到接收方返回的確認幀，發送方將重發該數據幀，直至收到接收方返回的關於該數據幀的確認幀。
6.根據權利要求1所述的一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，其特徵在於異向性磁阻傳感器端機與無線中繼端機之間，無線中繼端機與無線接收端機之間的無線傳輸中採用帶衝突避免的信道偵聽機制來有效避免由於共用無線信道產生的碰撞衝突，在端機發送數據、更新配置或下發命令前，端機先偵聽信道忙閒，如果信道空閒，則立即發送；如果信道為忙，則隨機延遲一段時間後再偵聽信道忙閒，如果信道空閒，則立即發送；如果信道仍然為忙，則再隨機延遲一段時間後偵聽信道忙閒，直至偵聽到信道空閒時進行發送。
7.根據權利要求1所述的一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，其特徵在於系統中除了使用由異向性磁阻傳感器端機到無線中繼端機，由無線中繼端機到無線接收端機的上行鏈路傳輸上報數據外；還使用由無線接收端機到無線中繼端機，由無線中繼端機到異向性磁阻傳感器端機的下行鏈路發送對異向性磁阻傳感器端機的配置更新和重置背景值命令。
全文摘要
本發明公開了一種基於磁敏技術探測車位的無線傳感器網絡系統，它是一個由大量異向性磁阻傳感器端機、若干無線中繼端機和一個無線接收端機組成的三級無線傳感器網絡系統。異向性磁阻傳感器端機負責前端的信號獲取和處理，通過電池供電；無線中繼端機負責接收異向性磁阻傳感器端機上報的數據，並將該數據轉發給無線接收端機，由太陽能電池、或蓄電池、或有源供電；無線接收端機負責系統的協調、車位狀態信息的顯示與存儲，通過有線直流電源方式供電。本發明在使用過程中可根據實際情況靈活調整無線中繼端機的數量和布設位置，有效克服了無線傳輸距離受限、容易被遮擋等缺點，適用於結構複雜的大型停車場。
文檔編號G08C17/00GK101216988SQ20081005922
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月3日 優先權日2008年1月3日
發明者帆 張, 李保海, 波 吳, 華 姜, 鄭春雷, 劉海濤, 李中一, 鮑星合, 康 趙, 周璐巍 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心