一种基于磁敏技术探测车位的无线传感器网络系统

1.一种基于磁敏技术探测车位的无线传感器网络系统，包括异向性磁阻传感器端机、无线中继端机和无线接收端机，其特征在于该系统为三级多跳无线传感器网络系统，它由大量异向性磁阻传感器端机、若干无线中继端机和一个无线接收端机构成；异向性磁阻传感器端机负责前端的信号获取和处理，无线中继端机负责接收异向性磁阻传感器端机上报的数据，并将该数据转发给无线接收端机，无线接收端机负责系统的协调、车位状态信息的显示与存储；异向性磁阻传感器端机数量根据车位确定，每个车位设置一个异向性磁阻传感器探测端机，无线中继端机的数量和布设位置根据实际场合的建筑结构、车位布局选择，以在使用设备最少的情况下最大程度地保证网络传输的连通性和数据传输的实时性；
异向性磁阻传感器端机包括三路相互垂直的异向性磁阻传感器、三路相同的模拟信号处理单元、控制单元以及射频传输单元；异向性磁阻传感器实时采集地磁信号，连接于模拟信号处理单元，模拟信号处理单元连接于控制单元，控制单元与射频传输单元互相连接；
异向性磁阻传感器端机的模拟信号处理单元主要包括放大模块、隔直滤波模块和电压比较模块，放大模块连接于隔直滤波模块，隔直滤波模块连接于电压比较模块，放大模块和电压比较模块连接于控制单元；
放大模块对异向性磁阻传感器采集到的地磁信号进行充分放大，该放大后的信号在经过隔直滤波模块滤波后送入控制单元的模数转换器；
隔直滤波模块用于对放大模块处理后的信号进行滤波处理，剔除其中的直流成分，拾取车位状态改变时的交流信号；
电压比较模块用于将隔直滤波模块的输出与给定的电压进行比较，得到车位状态是否发生变化的脉冲电平信号，唤醒控制单元对三路异向性磁阻传感器的信息进行采集； 控制单元用于对异向性磁阻传感器电压信号进行采集及车位检测算法处理，由电压比较器模块产生的脉冲电平信号唤醒控制单元后，通过控制单元的数模转换模块对异向性磁阻传感器三路放大后的信息进行采集，并与原始地球磁场大小进行比较，经过一定的识别算法后得到车位是否被占用的状态信息，如果车位状态发生改变，则将改变后的车位状态信息送入射频单元，再发送给无线中继端机；射频单元与无线中继端机通过无线通信的方式进行数据交换；
无线中继端机包括控制单元、与控制单元连接的射频单元；无线接收端机包括控制单元、与控制单元连接的射频单元以及存储单元，存储单元用于存储收到的上报数据；
异向性磁阻传感器端机与无线中继端机之间、无线中继端机与无线接收端之间的无线传输采用数据确认机制，数据的发送方在发送数据帧后，需要等待接收方返回的确认帧，以确认接收方收到该数据帧；如果在规定时间内，发送方没有收到接收方返回的确认帧，发送方将重发该数据帧，直至收到接收方返回的关于该数据帧的确认帧；
异向性磁阻传感器端机与无线中继端机之间，无线中继端机与无线接收端机之间的无线传输中采用带冲突避免的信道侦听机制来有效避免由于共用无线信道产生的碰撞冲突，在端机发送数据、更新配置或下发命令前，端机先侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道为忙，则随机延迟一段时间后再侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；
如果信道仍然为忙，则再随机延迟一段时间后侦听信道忙闲，直至侦听到信道空闲时进行发送；
系统中除了使用由异向性磁阻传感器端机到无线中继端机，由无线中继端机到无线接收端机的上行链路传输上报数据外；还使用由无线接收端机到无线中继端机，由无线中继端机到异向性磁阻传感器端机的下行链路发送对异向性磁阻传感器端机的配置更新和重置背景值命令。

一种基于磁敏技术探测车位的无线传感器网络系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及无线传感器网络，具体地说是一种基于磁敏技术探测车位的无线传感器网络系统。\n背景技术\n[0002] 随着社会发展和人们生活水平的提高，车辆保有量逐年激增，为了保证车辆安全和交通方便，迫切需要采用自动化程度高、方便快捷的停车场自动管理系统，提高停车场管理水平。高效的停车场管理系统需要有安装方便、性能稳定的车位探测器作为支撑。传统的车位探测器主要采用地面下埋设电感线圈，通过检测车辆存在来完成。这个方法的缺点包括线圈体积庞大、线圈铺设对地面破坏严重，线圈寿命短、系统维护成本高等。现有的车位探测方法还有视频监控的方法和微波检测方法。视频监控的方法存在系统成本高、受环境因素影响大、系统稳定性差等问题；微波检测方法同样也存在小间距车辆识别困难、抗干扰能力差、系统铺设成本高等问题。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是提供一种基于磁敏技术探测车位的无线传感器网络系统。\n[0004] 本发明要解决的是现有车位探测器存在的地面破坏严重，使用寿命短、系统维护成本高的问题。\n[0005] 本发明的技术方案是：本发明为一个包括异向性磁阻传感器端机、无线中继端机和无线接收端机的三级多跳无线传感器网络系统，它由大量异向性磁阻传感器端机、若干无线中继端机和一个无线接收端机构成；异向性磁阻传感器端机负责前端信号的获取和处理，无线中继端机负责接收异向性磁阻传感器端机上报的数据，并将该数据转发给无线接收端机，无线接收端机负责系统的协调、车位状态信息的显示与存储；异向性磁阻传感器端机数量根据车位确定，每个车位设置一个异向性磁阻传感器探测端机，无线中继端机的数量和布设位置根据实际场合的建筑结构、车位布局选择，以在使用设备最少的情况下最大程度地保证网络传输的连通性和数据传输的实时性。\n[0006] 本发明使用异向性磁阻传感器探测车位状态的方法，具有对地面破坏小、成本低廉、维护方便、受环境影响小、抗干扰能力强、车辆探测准确等优点。同时，采用三级网络中继转发，解决了无线传输距离受限、易被遮挡等问题，能灵活应用于各种结构复杂的停车场。\n附图说明\n[0007] 图1为本发明的结构框图。\n[0008] 图2为三路异向性磁阻传感器和三路模拟信号处理单元连接框图。\n[0009] 图3为本发明的工作流程图。\n[0010] 图4为本发明的安装示意图。\n具体实施方式\n[0011] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。\n[0012] 本发明为一个三级多跳无线传感器网络系统，它由大量异向性磁阻传感器(AMR传感器)端机3、若干无线中继端机2和一个无线接收端机1构成。异向性磁阻传感器端机3负责前端的信号获取和处理，通过电池供电。无线中继端机2负责接收由异向性磁阻传感器端机3上报的数据，并将该数据转发给无线接收端机1，由太阳能电池、或蓄电池、或有源供电。无线接收端机1负责系统的协调、车位状态信息的显示与存储，通过有线直流电源方式供电。\n[0013] 上述由异向性磁阻传感器端机3、无线中继端机2和无线接收端机1组成的三级多跳无线传感器网络的工作方式为：异向性磁阻传感器端机3在上电启动后，需要先通过附近的一个无线中继端机2加入网络，在成功加入网络后，异向性磁阻感器端机3进入待机探测工作状态，并且将需要上报的数据发送给该接纳其加入网络的无线中继端机2；无线中继端机2上电启动后，需要先加入无线接收端机1维护的网络，成功加入网络后，无线中继端机2可以接纳附近的异向性磁阻传感器端机3加入网络，并负责将其接纳的所有异向性磁阻传感器端机3上报的数据转发给无线接收端机1，每个无线中继端机2最多可接纳255个异向性磁阻传感器端机3；无线接收端机1上电启动后，建立一个以自己为管理中心的无线网络，并开始接纳无线中继端机2和附近的异向性磁阻传感器端机3加入网络，无线接收端机1收集所有端机上报的数据，无线接收端机1最多可接纳255个无线中继端机2和255个异向性磁阻传感器端机3。\n[0014] 异向性磁阻传感器端机3数量根据车位4确定，每个车位4设置一个异向性磁阻传感器探测端机，无线中继端机2的数量和布设位置根据实际场合的建筑结构、车位4布局选择，以在使用设备最少的情况下最大程度地保证网络传输的连通性和数据传输的实时性。\n[0015] 图1中的异向性磁阻传感器端机3包括图2中的三路相互垂直(X轴、Y轴、Z轴)异向性磁阻传感器、三路相同模拟信号处理单元(模块)、控制单元(模块)以及射频单元(模块)。异向性磁阻传感器实时采集地磁信号，并输出相应的电压信号给模拟信号处理单元，模拟信号处理单元连接于控制单元，控制单元与射频传输单元互相连接。\n[0016] 图2中的每路模拟信号处理单元主要包括放大模块、隔直滤波模块和电压比较模块，放大模块连接于隔直滤波模块，隔直滤波模块连接于电压比较模块，放大模块和电压比较模块连接于控制模块。\n[0017] 放大模块用于对异向性磁阻传感器单元采集到的地磁信号进行充分的放大，该放大后的信号在经过滤波模块滤波后送入异向性磁阻传感器端机3控制单元的模数转换器。\n[0018] 隔直滤波模块用于对放大模块处理后的信号进行滤波处理，剔除其中的直流成分，拾取车位4状态发生改变时的交流信号。\n[0019] 电压比较模块用于将隔直滤波模块的输出与给定的电压进行比较，得到车位4状态是否发生变化的脉冲电平信号，唤醒控制单元对三路放大后的异向性磁阻传感器信息进行采集。\n[0020] 控制单元用于对异向性磁阻传感器信息进行采集，由电压比较器产生的脉冲电平信号唤醒控制单元后，通过控制单元的数模转换模块对三路放大后的异向性磁阻传感器信息进行采集，并与原始地球磁场大小进行比较，经过一定的识别算法后得到车位4是否被占用的状态信息，如果车位4状态发生改变，则将改变后的车位4状态信息送入射频单元，再发送给无线中继端机2；射频单元与无线中继端机2通过无线通信的方式进行数据交换。\n[0021] 图1中的无线中继端机2包括控制单元、与控制单元连接的射频单元。无线接收端机1包括控制单元、与控制单元连接的射频单元以及存储单元，存储单元用于存储收到的上报数据。\n[0022] 在异向性磁阻传感器端机3与无线中继端机2之间，无线中继端机2与无线接收端的无线传输采用数据确认机制，数据的发送方在发送数据帧后，需要等待接收发返回的确认帧，以确认接收方收到该数据帧；如果在规定时间内，发送方没有收到接收方返回的确认帧，发送方将重发该数据帧，直至收到接收方返回的关于该数据帧的确认帧。\n[0023] 在异向性磁阻传感器端机3与无线中继端机2之间，无线中继端机2与无线接收端之间的无线传输采用带冲突避免的信道侦听机制来有效避免由于共用无线信道产生的碰撞冲突，在端机发送数据、更新配置或下发命令前，端机先侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道为忙，则随机延迟一段时间之后再侦听信道忙闲，如果信道空闲，则立即发送；如果信道仍然为忙，则再随机延迟一段时间之后侦听信道忙闲，直至侦听到信道空闲时进行发送。\n[0024] 本发明除了使用异向性磁阻传感器端机3到无线中继端机2，由无线中继端机2到无线接收端机1的上行链路传输上报数据外，还使用由无线接收端机1到无线中继端机2，由无线中继端机2到异向性磁阻传感器端机3的下行链路发送对异向性磁阻传感器端机3的配置更新和重置背景值命令。\n[0025] 无线接收端机1通过向异向性磁阻传感器端机3发送命令，更新异向性磁阻传感器端机3的判决门限、背景门限及相关参数，以更改传感器的探测灵敏度和射频发送功率；\n无线接收端机1也可向异向性磁阻传感器端机3下发重置背景值命令。\n[0026] 在本发明中对干扰采用了综合抗干扰处理方法。该综合抗干扰处理方法包括低通电路滤波法、关闭中断法、侦听信道空闲法等。低通电路滤波法是指在硬件电路上采用低通滤波抑制外界发生的高频干扰信号。关闭中断法是指端机每次在车辆稳定(停稳或完全离开)后发送数据给无线中继端机2时，控制单元关闭模拟信号处理单元电压比较模块引起的中断。异向性磁阻传感器端机3每次发送数据时，射频信号会对电路产生较大的影响，通过关闭模拟信号处理单元电压比较模块引起的中断可以有效地避免端机无线发送数据时引起的错误中断。侦听信道空闲法主要用于排除异向性磁阻传感器端机3之间的干扰。具体指当其中一个异向性磁阻传感器端机3的电压比较模块输出引起中断时，若检测出信道正处于忙状态，则证明该中断是由于临近的其他异向性磁阻传感器端机3射频发送数据所致，认为是无效中断。\n[0027] 图3中异向性磁阻传感器端机3具体探测车位4的过程为：由于车辆本身含有的铁磁物质会对车辆存在区域的地磁信号产生影响，使车辆存在区域的地球磁场磁力线发生弯曲，车辆驶入驶出异向性磁阻传感器感应区域时，对异向性磁阻传感器感应区域内的地磁信号产生影响，异向性磁阻传感器输出地磁信号变化引起的电压信号变化，异 向性磁阻传感器端机3模拟信号处理单元的放大模块对电压信号进行放大，模拟信号处理单元的滤波隔直模块对放大过的信号进行甄别，萃取出含有车辆信息的信号。\n[0028] 当车辆驶入本发明的异向性磁阻传感器端机3的感应区域时，异向性磁阻传感器感应到地磁信号的变化，并与之前的背景值进行比较，这个信号的变化经过一系列的信号处理后，会在异向性磁阻传感器端机3模拟信号处理单元的电压比较模块产生一个由低变高的脉冲信号，控制单元收到此脉冲信号便开始利用自身带有的模数转换器不断地采集模拟信号处理单元放大模块的输出，直至信号平稳后认为周围地磁场稳定后停止采样。根据这段时间的采样值判决车辆是否停在车位4上，如果判决为车辆只是经过，则端机重新进入待机状态；如果判决为车辆停在车位4上，则异向性磁阻传感器端机3通过射频单元以无线的方式把自身编号、车位4被使用等信息发送给附近的无线中继端机2，无线中继端机\n2收到后，回发确认信息给传感器端机3，然后再将该数据转发给无线接收端机1，无线接收端机1收到后会发确认信息给无线中继端机2。无线接收端机1在显示界面中将对应车位\n4标识为被使用状态，并将相关信息实时的保存在存储单元。\n[0029] 当车辆驶离本发明的传感器端机3的感应区域时，异向性磁阻传感器敏感到地磁信号的变化，并与之前的背景值进行比较，这个信号的变化经过一系列的信号处理会在异向性磁阻传感器端机3模拟信号处理单元的电压比较模块产生一个由高变低的脉冲信号，控制单元收到此脉冲信号便开始利用自身带有的模数转换器不断地采集放大模块的输出，直至信号平稳后认为周围地磁场稳定后停止采样。根据这段时间的采样值判决车辆是否驶离车位4上，如果判决为车辆只是在车位4上移动而未驶离，则端机重新进入待机状态；如果判决为车辆驶离车位4，则端机通过射频单元以无线的方式把自身编号、车位4空闲等信息发送给附近的无线中继端机2，无线中继端机2收到后回发确认信息给传感器端机3，然后再将该数据转发给无线接收端机1，无线接收端机1收到后会发确认信息给无线中继端机2。无线接收端机1在显示界面中将对应车位4标识为空闲状态，并将相关信息实时的保存在存储单元。\n[0030] 在本发明中的所有端机使用各种低功耗的器件外，还采用了先进的功耗控制方法，最大程度地提高了系统的电源续航能力。本发明中的异向性磁阻传感器端机3只有在车辆移动时才处于正常工作模式，其他时间均处于休眠状态。休眠状态时，异向性磁阻传感器端机3的控制单元工作在超低功耗状态，端机关闭除模拟信号处理单元和控制单元最小系统电路之外的所有电路的电源供给。射频单元平时都处于休眠关闭状态，只有在车位4状态发生变化后才上报数据，异向性磁阻传感器端机3的能耗非常低，休眠电流仅为1mA；\n无线中继端机2加入网络后处于休眠状态，使用射频唤醒功能，当异向性磁阻传感器端机3有数据发送时，无线中继端机2被唤醒，进入到正常工作状态，这种工作机制有效减小了无线中继端机2的损耗，休眠电流只有10uA。\n[0031] 异向性磁阻传感器端机3上电启动后，首先进行模块初始化工作，然后与无线中继端机2或无线接收端机1交互加入网络，网络加入成功后，端机进入休眠状态。当车辆到来(或离开)时模拟信号处理单元的电压比较模块输出引起的中断会把端机从休眠状态中唤醒，并开始控制单元采集放大模块的输出，车辆离开(或停稳)后，向无线中继端机2或无线接收端机1上报数据，在确认接收方收到数据后，便再次进入休眠状态。\n[0032] 图4中的每个车位4均由一个异向性磁阻传感器端机3检测，每个无线中继端机\n2最多可管理255个异向性磁阻传感器端机3。实际使用时，可根据车位4分布、停车场的建筑结构等因素灵活选择无线中继端机2的数目和布设位置。具体安装时，将异向性磁阻传感器端机3铺设于车位4中后部，该端机通过四个膨帐螺丝固定于地表。\n[0033] 系统中所有端机的射频单元工作频率为433MHz，带宽为64MHz，数据传输速率及功率可调，最大传输速率500kbps，最大传输功率10dBm，埋设在路面断层中的无线传输距离最大可到500m。\n[0034] 本发明所述的异向性磁阻传感器的英文全称为：anisotropicmagneto resistive，简称为AMR传感器。