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基于物联网技术的车辆检测设计
时间:2019-04-11 18:55:52 来源:怀仁门户网 作者:匿名

基于物联网技术的车辆检测设计 作者:未知 摘要:为解决现有车辆探测器无线通信不稳定,检测精度低的问题,设计了一种基于物联网技术的磁性车辆探测器。磁阻效应传感器用于检测车辆的存在或不存在,并且低功率微处理器严格控制时序以实现低功耗和精度要求。为了实现稳定可靠的无线通信,LoRa被用作通信组件。为了便于后期维护,LoRa技术用于实现无线固件升级。实际安装试验结果表明,该车辆检测器检测精度高,通信稳定性好;同时,远程固件升级功能可靠,维护方便。 关键词:车辆探测器;物联网; LORA;功耗低;固件升级;磁阻传感器 中图分类号:TP393; TN92文献编号:A文章编号:2095-1302(2018)09-00-04 0前言 随着经济的增长,每个城市的汽车数量不断增加,车辆流量,速度和停车状态等基本数据的获取变得越来越紧迫。基于基础数据的交通诱导和停车管理的应用已成为交通管理部门的一个难点。针对上述问题,研究人员开展了大量工作并取得了相应的应用效果。 杨威[1]设计了一种带红外传感器的车流量检测器作为车流检测元件;高天龙[2]利用磁传感器作为检测单元,设计了一种基于ZigBee技术的无线车辆检测器。使用ZigBee物联网技术解决施工布线问题;靳璐[3]设计了一种基于雷达的车辆探测器,具有毫米波雷达数据和视觉多功能作为探测手段;蒋新华[4]等。提出了一种基于视频的车辆检测算法,该算法采用半监督支持向量机分类算法作为检测核心。 本文吸收了现有车辆探测器的优点,并提出了一种磁阻传感器[5]作为检测核心,物联网无线技术作为传输模式,并将无线固件升级为创新的磁性车辆探测器。 1 LoRa物联网技术物联网无线技术包括:ZigBee,蓝牙,WiFi等。 ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4技术的无线网络协议,广泛应用于物联网。然而,通信距离限制了其应用促进,并且发生LoRa通信以平衡低功耗和长距离。 LoRa通信是一种基于美国Semtech公司开发的扩频技术的超远程无线通信方法,属于数字通信。与非扩频数字通信系统相比,当LoRa通信发送信息时,发送端通过扩频码发生器产生独立的扩频码序列,并调制待发送的数字信号,以达到加宽信号带宽的目的。然后将调制信号加载到RF载波中以进行传输以实现无线传输。由于信息传输过程占用的带宽大于传输信息所需的最小带宽,因此LoRa通信具有很强的抗干扰能力,通信传输安全可靠。 Semtech推出了基于LoRa的通信芯片。 2磁阻传感器 1857年,英国数学物理学家威廉·汤姆森发现了各向异性的磁阻效应,并且磁传感器是基于磁阻效应而开发的[6]。在镍铁磁性合金膜内部构建磁场,即内置磁场。当外部磁场的方向与内置磁场的方向成一定角度时,磁场内的磁化矢量发生偏移,导致薄层电阻降低。磁传感器使用Huigens桥作为检测的基本元件,四桥电阻使用镍铁磁合金膜的磁阻。当没有施加外部磁场时,四个桥具有相同的电阻。当施加外部磁场时,两个相反磁场的磁阻值增加,而另外两个桥的磁阻值减小。在外部电源的情况下,在桥式电阻器被分开之后,输出电压的Out和Out-的变化总是相反的,因此外部磁场的方向最终被反映为电压差。 Huigens桥将磁场的变化转换为电压差输出的形式。 3系统硬件设计 车辆检测器由检测单元,通信单元,微处理器单元,电源和电源管理单元以及JTAG组成。检测单元负责通过I2C接口与微处理器单元进行停车位,数据采集和数据交互。微处理器通过I/O端口控制检测单元;通信单元负责车辆检测器和上部系统之间的无线数据传输。包括停车位信息,上层指令,固件程序等。通信单元采用基于无线扩频技术的通信模块,通过SPI接口与微处理器通信,通信芯片的状态以I/O状态;电源单元负责每个模块的供电保证,电源管理单元控制功耗。该模块提供分时电源,降低整机功耗; JTAG模块用于微处理器的在线编程和调试。 3.1检测单元的硬件设计 地球的磁场是一种存在于地球内部的自然磁场现象。车辆本身具有一定量的铁磁物体。当地球的磁场遇到铁磁物体时,磁力线会出现集中或稀疏,反映出局部地球磁场强度的变化。磁阻传感器感测地球磁场的变化,以达到检测车辆的目的。 HMC5883L是霍尼韦尔开发的基于磁阻的弱磁传感器芯片。它集成了最先进的高分辨率磁阻传感器,放大器,自动消磁驱动器,自检和偏移补偿校准,并可在8 G内使用。在该范围内实现5 mG的分辨率,有效解决滞后和零漂移问题。同时,该芯片采用各向异性磁阻技术,具有轴向高灵敏度和线性高精度。工作功耗低至100μA,便于微处理器通信控制,适用于电池供电设备。基于HMC5883L芯片的单元检测电路如图1所示。 3.2通信单元硬件设计 通信单元负责车辆检测器和上部系统之间的数据交互,并且车辆检测器将诸如检测状态的车辆检测信息发送到上部系统,并且上部系统发出查询或设置车辆检测器的指令。相关参数。同时,通信单元负责用于车辆检测器的远程固件升级的应用交付。目前,基于物联网应用的无线技术越来越多。针对长距离,低功耗智能交通的特点,本文选择LoRa物联网通信。无线通信单元的核心是Semtech的SX127x [7]系列LoRa产品。SX127x的灵敏度为-148 dBm,功率放大器高达20 dBm,最大链路预算为168 dB。与ZigBee通信相比,LoRa模式通信距离是几倍。发送电流为120 mA,接收电流为9.9 mA,200 mA寄存器保持电流,适用于低功耗应用。其硬件电路如图2所示。 LoRa模块和处理器采用SPI通信方式,并提供一定数量的I/O端口来指示模块的工作状态。当静态模块处于休眠状态时,当接收到上层系统的数据时,相应的I/O端口指示接收成功,处理器收集I/O端口级别的变化并读取数据。当车辆检测器需要主动传输数据时,处理器将无线模块配置为通过SPI发送状态并写入要发送的数据。 3.3电源管理单元的硬件设计 虽然在检测单元处于空闲模式时禁用主功耗模块,但是一些模块仍然处于打开状态,例如I2C模块。为了尽可能地降低功耗,微处理器I/O端口用于控制检测单元的电源和断电。当需要采集磁场数据时,检测单元的电源开关接通,检测模块工作;工作完成后,微处理器关闭检测模块的电源。此时,检测模块完全禁用并消耗最少的电力。功率控制电路如图3所示。 通信单元的睡眠模式中还存在小电流。通信芯片上电后,需要重新配置寄存器。当通信芯片处于待机状态时,电流高于睡眠模式。因此,通信单元不使用电源开关来控制功耗。减少通信模块的发送和接收时间。为进一步降低功耗,微处理器采用TI开发的MSP430F5XX [8]超低功耗微控制器。 4系统软件设计 为了实现车辆检测器的固件升级功能,实现了自定义引导程序[9]和LoRa IoT技术,以便于系统后维护。片上微处理器FLASH有两个程序,一个启动程序和一个应用程序。引导加载程序无线接收应用程序并将其写入预定义的FLASH空间。对于应用程序中断向量重映射[10],引导加载程序通常不使用中断,而是放在与原始中断向量相邻的FLASH空间中。4.1 Bootloader设计 引导加载程序的功能是无线接收应用程序并将应用程序写入指定的FLASH地址。通过微处理器的JTAG将引导程序编程到FLASH空间中,并且将引导程序和应用程序与地址区分开。在编程引导程序之前,需要手动修改相应程序的链接文件。根据引导程序占用的空间大小,其FLASH空间定义为0xF000-0xFF7F。 引导加载程序过程如图4所示。引导程序运行后,首先检查应用程序是否有效。检测到有效的应用程序时,跳转到应用程序执行,否则等待应用程序交付。引导加载程序包括升级和跳转命令。 upgrade命令包含程序的十六进制数据。每次接收到帧升级命令时,相应的应用程序数据被写入指定的FLASH。如果写入成功,则引导加载程序成功返回升级设备;否则,引导加载程序发送写入失败。在所有数据成功写入FLASH空间后,升级设备发送跳转指令,在引导程序成功接收到跳转指令后,发送跳转命令并完成跳转。跳转后,微处理器执行应用程序。 引导加载程序中的关键是中断向量重映射。原始中断向量表在内部存储器中固化,无法更改。发生中断时,程序首先跳转到原始中断向量表。原始中断向量表由引导程序使用。要跳转到应用程序的中断向量表,在引导程序中完成中断跳转到自定义应用程序中断向量表,并且应用程序完成中断功能。 4.2应用程序设计 在工作中,车辆检测器运行应用程序。该应用程序负责车辆位置信息收集和无线数据传输和接收。接收跳转指令并跳转到引导加载程序。应用程序流程如图5所示。 应用程序存储在从0x5C00开始的FLASH空间中,与地址空间中的引导加载程序分开,以防止引导加载程序被应用程序擦除。上电后,应用程序首先完成外设和参数配置,包括微处理器外设和LoRa无线模块参数配置。为了便于开发基于SX1278芯片的产品,SemTech的开放库函数源代码。参数配置由SX1278Init()函数实现,该函数设置RF参数,硬件I/O配置,状态设置,最后调用SX1278LoRaInit()以完成参数配置。之后,网络信息被发送到上层系统,并且车辆检测器通知上层系统连接到网络,然后进入主循环。主循环的功能是收集停车位信息和无线数据发送和接收。主循环等待两次中断以唤醒微处理器,定时器中断和I/O端口中断。内部定时器外围设备为定期获取停车位信息提供精确定时。并准确控制停车位心跳数据的传输;无线数据发送和接收由单片机控制,微处理器通过响应无线模块I/O端口的变化,确定发送和接收过程中的模块状态。应用程序收到上层系统发送的命令后,确定命令类型。当命令设置或查询车辆检测器参数时,应用程序提取参数并将它们返回给上层系统;当命令是程序升级命令时,应用程序跳转到引导程序,并且微处理器执行引导程序接收的引导程序。该应用程序完成程序升级。 5个测试结果 为了验证该设计的检测精度和通信稳定性,选择了地下停车场进行安装测试。停车场共有134个停车位,实际安装了100套车辆检测器,最大距离超过75米。经过测试,室内和地下条件,LoRa物联网通信稳定可靠,丢包率低,通信质量优于ZigBee。 经过13天的观察,共收集了847组入境和出境车辆。其中,进入552组,出口295组。错过13组,56组误检,准确率为91.8%。 为了测量功耗,假设车辆检测器每天有30个进出流量。车辆检测器在静止时每1小时发送一次数据。测量后,车辆检测器消耗100μA并实现低功率要求。 六,结论 本文设计了一种基于物联网技术的磁性车辆探测器。 LoRa物联网通信确保稳定可靠的通信。通过LoRa通信远程升级车辆检测程序,大大降低了维护后的成本。经过实际测试,车辆探测器检测精度达到91.8%。对动静态车辆管理系统的设计具有一定的指导意义。目前,车辆检测器在检测精度和功耗方面存在相应的缺陷。未来对车辆探测器的研究也需要在探测精度方面取得突破。 引用 [1]杨伟,郝润科,高峰,等。基于MSP430的车流量检测器设计[J]。微机与应用,2017,(3):96-98。 [2]高天龙,张伟。基于AMR传感器和ZigBee技术的车辆检测器设计[J]。传感器与微系统,2016,35(3):96-98。 [3]靳璐,傅梦银,王美玲。基于视觉和毫米波雷达的车辆检测[J]。红外与毫米波学报,2014,33(5):465-471。[4]蒋新华,高伟,廖禄超,等。基于半监督SVM分类算法的交通视频车辆检测方法[J]。智能系统学报,2015,10(5):690-698。 [5]潘忠明,周伟,张健,等。国外巨磁阻传感器检测电路技术的发展[J]。中国科学仪器,2017,38(4):781-793。 [6] BEISTER A,WACHOWIAK R,BOSCHKE T,et al。用几何磁阻效应研究应变30nm高金属栅极MOSFET的迁移率[J]。 IEEE电子器件交易,2015,62(6):1819-1825。 [7] Semtech Corporation.SX1278 137-525MHz超低功耗远程收发器[EB/OL]。[2013-9-1] .https:// [8]德州仪器公司。 MSP430x5xx和MSP430x6xx系列用户指南[EB/OL]。[2016-10-11] .http:// [9]德州仪器公司。创建自定义基于闪存的Bootloader(BSL)[EB/OL]。[2017-8-6] .http:// [10] Texas Instruments Incorporated.MSPBoot?C MSP430的主存储器引导加载程序?闪存微控制器[EB/OL]。[2017-9-5]。

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