1、现代电子技术Modern Electronics Technique2023年10月1日第46卷第19期Oct.2023Vol.46 No.190 引 言地磁测量技术是利用传感器测量汽车进入特定区域地磁的变化，进而判断车辆状态的技术，是智慧交通系统中的关键技术。近年来，地磁传感器技术的发展使得地磁传感器具有小体积、低功耗、高性价比、方便安装、容易维护等特点，其在智能交通管理、车位车辆检测、智能收费系统中有广泛的应用13。但是，在路边车位车辆检测中，存在着抗干扰能力差、不同地点判别阈值难以确定、检测准确率偏低的问题。目前，路边车位车辆检测普遍采用基于地磁的双模识别技术，比如基于地磁和雷达检测技术
2、4，利用集成了地磁和雷达两种探测技术的车位传感器，将地磁作为静态检测和雷达作为动态检测结合起来，将车辆检测的准确率提高到 96%；基于地磁和超声波传感器检测5，当车辆驶入或者离开时，地磁传感器检测到磁场变化，唤醒超声波单元，测量基于独立地磁技术的路边车位车辆检测系统设计柳革命，刘国福，邹兰平（广州商学院 信息技术与工程学院，广东 广州 511363）摘 要：在路边车位车辆检测中，由于单独的地磁检测抗干扰能力差，检测系统的误报率较高，常采用双模检测技术，即通过地磁检测技术预警，另外的技术比如雷达检测技术等确认。这种双模检测技术在提高系统检测概率的同时，增加了系统的功耗和成本。基于地磁传感器的特性
3、，文中提出在检测单元上设置双组地磁传感器，确定多个判别特征，通过多层次融合判断车辆驶入、驶出状态的算法，并设计了基于MSP430的车辆检测系统，内植该算法，实现了采用独立的地磁技术对路边车位车辆高概率检测与识别。经过实验证明，该系统提高了抗干扰能力，取得了良好的识别车辆状态的效果。关键词：地磁检测；特征提取；路边车位；智能停车；MSP430；检测概率中图分类号：TN0234；TP212 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）19017506Design of roadside parking vehicle detection system based on single ge
4、omagnetic technologyLIU Geming,LIU Guofu,ZOU Lanping(School of Information Technology and Engineering,Guangzhou College of Commerce,Guangzhou 511363,China)Abstract：Due to the poor antiinterference ability of single geomagnetic detection and high false alarm rate of the detection system,dual mode det
5、ection technology is often adopted in the detection of vehicles with roadside parking,that is,the geomagnetic detection technology is used for early warning,and other technologies such as radar detection technology for confirmation.The dualmode detection technology improves the detection probability
6、,but increases the power consumption and cost of the system.Therefore,an algorithm is proposed on the basis of the characteristics of the geomagnetic sensor.In the algorithm,two groups of geomagnetic sensors are set on the detection unit to determine multiple discriminant features and judge the entr
7、y and exit state of the vehicles by multilevel fusion.The vehicle detection system based on MSP430 is designed,and the algorithm is embedded to realize the high probability detection and recognition of roadside parking vehicles by the single geomagnetic technology.Experiments show that the antijammi
8、ng ability of the system is improved and its effect of recognizing the vehicle state on the roadside parking space is good.Keywords：geomagnetic signal detection;feature extraction;roadside parking space;intelligent parking;MSP430;detection probabilityDOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.19.032引用格式：柳革命，
9、刘国福，邹兰平.基于独立地磁技术的路边车位车辆检测系统设计J.现代电子技术，2023，46（19）：175180.收稿日期：20230317 修回日期：20230411基金项目：广州市科技计划项目：基于地磁差分测量技术的路边车位车辆智能检测系统研究（202002030230）175175现代电子技术2023年第46卷车辆底盘到检测器的距离，最终确认车辆状态信息，检测的准确率为 98.7%；基于地磁和 UWB 技术的停车位车辆检测6，在检测地磁信号强度变化的基础上，辅助UWB 测距技术，并进行数据融合，确认车辆的信息，有效地减少了临近车位上车辆的干扰，检测的准确率为96.19%99.03%；基于
10、地磁和光学传感器技术的车辆检测7，利用极低功耗的光学传感器探测车辆进入车位的阴影，进而启动地磁检测单元工作，这种技术大大降低了检测系统的功耗。另外，基于地磁和地感线圈的车位车辆检测、基于地磁和红外传感器的车位检测等也有研究和应用。采用地磁双模技术，无论另外一种模式采用何种技术，均可以提高车位车辆的检测概率，但同时带来了两个问题：1）检测系统的功耗大幅增加，根据相关产品技术手册，比如IPM165单通道CW多普勒雷达传感器，工作电流为 3040 mA；超声波传感器 HCSR04平均工作电流为 15 mA；UWB模式下的 DecaWave公司具有实时测距定位功能的无线传输模块DWM1000，空闲工作
11、电流为13.4 mA，发射工作电流为31 mA，接收工作电流为64 mA；而地磁传感器，比如PNI公司的地磁传感器RM3100，其工作电流为 70260 A，信号处理端输出电流为 1 mA。可以看出，地磁以外的另外一种模式传感器工作电流大大高于地磁传感器，从而使检测单元的功耗增加，这对于路边车位普遍采用侵入式安装检测单元的维护带来了挑战，进而增加了检测单元的故障率。2）检测系统传感器单元的成本也成倍增加，这无疑也对大范围应用地磁检测系统设置了障碍。因此基于独立的地磁检测技术，如何有效地提高识别概率和系统的抗干扰能力，从而发挥地磁传感器单元的低成本、低能耗的优势，是一个非常有意义的研究课题。本文
12、利用独立的地磁检测技术，提出在检测单元中设置双组地磁传感器，每组均独立测量车位的三个轴X、Y、Z地磁分量值，通过差分运算，得到X轴差分值、Y轴差分值、Z轴值、XY平面地磁角度值，设置多个判别值，形成一个判别矢量。设计了路边车位车辆检测系统，包括 MSP430单片机系统、地磁信号采集单元、通信单元、电源模块，通过实验验证了本文算法的有效性和系统推广应用的可行性。1 地磁差分检测算法1.1 双组传感器地磁信号特征设BX1、BY1（BX2、BY2）为第一组（第二组）地磁传感器输出的X、Y轴方向的地磁场分量值，那么可以定义停车位处地磁有关量如下：X方向地磁测量值的一阶差分为：DiffX=BX1-BX2
13、（1）Y方向地磁测量值的一阶差分为：DiffY=BY1-BY2（2）X方向一阶差分的系统误差为车位无车时一阶差分初始值：SystemX=DiffX（3）Y方向一阶差分的系统误差为车位无车时一阶差分初始值：SystemY=DiffY（4）X方向地磁测量值的一阶差分偏差为：deltX=DiffX-SystemX（5）Y方向地磁测量值的一阶差分偏差为：deltY=DiffY-SystemY（6）X、Y方向地磁测量值的一阶差分偏差之和为：deltXY=deltX+deltY（7）XY平面地磁矢量方向角的一阶差分为：diffA=angle1-angle2=arctan()BX1BY1-arctan()B
14、X2BY2（8）实验统计各个变量在车辆驶入、驶出停车位的数据曲线，当车辆缓缓驶入、驶出时，deltX、deltY、deltXY随着时间变化的典型曲线如图1所示，地磁矢量方向角一阶差分diffA随着时间变化的典型曲线如图2所示。图1 X/Y方向一阶差分及其之和计算值变化图2 XY平面地磁矢量方向角差分变化176第19期从图 1、图 2曲线的变化可以看出，当车辆驶入、驶出装有双组地磁传感器的停车位时，其deltX、deltY、deltXY、diffA均有明显的异常变化，经过比较，变化的相对幅度较BX、BY、BZ大。1.2 双组传感器的判别方法车辆进入停车位，不同的驾驶人会根据车位的布局、车位周围的
15、环境、车位前后左右其他车位的占用情况等，采用不同的停车策略，比如车头进入调整、车尾倒入调整。车辆驶出车位，同样也会有不同的策略。这些不同车辆移动轨迹也使地磁信号检测值的变化模式完全不同。基于实验数据分析，本文设计了基于双组地磁传感器的车辆状态融合特征的判别方法，包括三个阶段，即信号预处理、差分计算和融合判断。1）信号预处理本传感器单元固定于套筒中，安装在路边车位几何中心位置，埋深 525 cm。系统启动后，首先设置一个强地磁阈值，当传感器测量的X或Y分量值BX(BY)超过这一阈值时，认定有一个非目标车辆经过，系统等待一定时间，即等待非目标车辆离开；其次在车位上无车辆的情况下，在多个周期上测量地
16、磁场的X、Y、Z分量值BX、BY、BZ，此时这些测量值包含地磁的基础值和车位周围环境影响的干扰信号，根据式（1）式（4）确定每个周期的SystemX()i、SystemY()i，最终的X、Y方向一阶差分系统误差为：SystemX=1nSystemX()iSystemY=1nSystemY()i（9）2）差分计算传感器测量得到地磁信号X、Y分量值BX、BY，根据式（5）、式（6）计算得到X、Y方向的地磁测量值的一阶差分偏差deltX、deltY，这一值反映了由于车辆进入车位引起地磁异常变化的差分偏差，并进一步根据式（7）计算deltXY。同时，根据式（8）计算出两组传感器XY平面地磁矢量方向角，
17、得出XY平面地磁矢量方向角的一阶差分diffA。3）多次融合判断在车位无车辆占用状态下，判断车辆是否驶入，采用三个不同的判据独立判断。三个判断结果“与”融合，给出判别结果。在车位有车辆占用状态下，判断车辆是否驶离，采用多个不同的判据独立判断，多个判别结果“与”融合，给出判断结果。具体过程如下。系统初始化后，在车位无车状态下：根据式（7）计算得到deltXY，如果deltXY 25，认定地磁值异动且原状态为无车，首次判定为车辆进入车位；根据式（8）计算得到diffA，如果diffA 0.2，认定地磁值异常且原状态为无车，判定为车辆进入；进一步，如果deltBY2 30，且原状态为无车，再次判定为
18、车辆进入车位；如果deltX K或者deltY K或者deltX -K或者deltY -K（K值根据系统的安装地点确定一个阈值），最终判定为车辆进入车位，车位的车辆状态调整为有车辆占用。在已经判定车位有车辆占用的状态下，系统对地磁信 号 的 差 分 值 多 次 测 量，如 果-10 deltX 10，且-10 deltY 10，且deltBY2 30，认定车辆已经驶出，系统恢复无车状态。2 地磁检测系统硬件设计基于地磁差分测量技术的检测系统包括传感器单元、中央处理器、电源单元、数据无线传输单元四部分。中央处理器采用16位的MSP430系列单片机，具有超低功耗、电压范围宽、精简指令集（RISC）
19、、低时钟频率可实现高速通信、中断能力强、抗干扰能力强等特点，也称为混合信号处理器，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成于一块芯片，可以很好地完成系统接收、处理、发送测量数据等任务8。连接原理如图3所示。传感器单元包含两组独立的传感器，采用 PNI3100地磁传感器，该传感器由2个X/Y轴磁场传感器SenXYf（13104）、1 个Z轴磁场传感器 SenZf（13101）和 1个ASIC控制器 Mag12C（13156）组成。传感器分别独立测量，由于车辆进入车位时地磁场的变化，传感器的测量范围为-800800 nT，灵敏度为26 nT。其具有高分辨率和低噪音特性，连接原理如图4所
20、示。由于该系统需要埋设于车位地面以下，为减少维护成本，对电源提出了较高的要求。系统采用ER34615容量型锂亚硫酰氯（LiSOCI2）电池，电池容量为19 000 mAh，可以长时间为系统提供电源，符合国家标准9。连接原理如图5所示。数据无线传输单元采用LoRa技术1011，其具有低功耗、传输距离远、便于部署、免牌照频段节点、电池寿命长等优点，当车辆驶入、驶出车位时，LoRa模块将地磁测量数据和判别结果实时上传至上位计算机，用于分析和决策。这一单元也可采用窄带物联网技术（NBIoT）实现相同的功能1213。柳革命，等：基于独立地磁技术的路边车位车辆检测系统设计177现代电子技术2023年第46
21、卷3 地磁检测系统软件设计软件设计包括系统硬件初始化、测量数据、逻辑判断、数据传输等部分，图 6为系统逻辑判断部分的程序框图。4 验证实验及分析为了测试本文所提出的差分测量检测算法和系统设计的性能，本文在一个公共露天停车场选择靠近公路的 3个车位为实验车位，进行实验，模拟路边停车位的真实环境。地磁传感器单元安装在中间车位的几何中心，距水平面以下约 5 cm，以圆木板覆盖。公路上有车辆正常行驶。4.1 实验方案在公路车辆正常行驶的背景下，实验的开展包括测量车位前后车位无车、前车位有车后车位无车、前后车位均有车三种情况进行，记录实验车辆进出测量车位时的地磁传感器数据。记录数据包括第一、二组地磁传感
22、器测量数据和差分计算数据，并通过 LoRa模块将其实时上传给电脑。实验持续多天，共测得 98组有效实验数据，实验效果良好。4.2 实验结果实验结果按照“车辆驶入/出次数”“车辆地磁信号异常次数”“准确判定车位车辆状态次数”“准确判断概率”列表，实验结果如表1所示。表1 实验结果方法双组地磁差分车辆驶入/出次数98车辆地磁信号异常次数201准确判定车位车辆状态次数96正确判断概率/%98.0车辆地磁信号异常，即由于车辆驶入、驶出或者公路上其他车辆经过车位时，传感器根据设定的方法，系图3 MSP430连接原理图178第19期统认定的地磁信号异常。一个车辆驶入后驶出，理论上会有两次地磁异常信号，但实
23、际中，由于存在干扰，总的车辆地磁信号异常次数要高于理论值。图4 地磁传感器连接原理图由表 1的实验结果可以看出，系统检测到车辆地磁异常信号的次数为201次，其中非目标车辆引起的次数为 5 次，准确判定车辆状态 96 次，正确判断概率为98.0%，接近于采用双模检测技术的正确判断概率。4.3 结果分析采用单组地磁传感器检测概率偏低的原因主要是车位附近车辆的干扰。采用双组地磁差分检测方法，从两个途径减小了这种干扰的影响：一是，停车位地磁异常值与车辆到传感器之间的距离关系很大，两组传感器安装在同一块主板上，其他车辆，比如公路上行驶的车辆引起的地磁信号噪声，在差分运算中就可以最大限度地消除；二是，在融
24、合判断中采用 4个时间周期平均采样的方式，在设置合适的时间周期后，就可以从时间的角度消除非目标车辆短时间的地磁信号干扰。因此可以提高地磁检测的正确概率。图5 电源部分连接原理图图6 系统逻辑判断部分程序框图5 结 语本文分析了地磁传感器应用于路边车位检测的优柳革命，等：基于独立地磁技术的路边车位车辆检测系统设计179现代电子技术2023年第46卷势、地磁检测精度偏低的原因，认为基于地磁的路边车位车辆检测方法依然是非常好的方法，其功耗极低、稳定性好、易安装等特点是其他方法不可比拟的。本文提出设置双组地磁传感器，利用双组传感器测量的数据进行差分运算，形成多个判别特征，融合判别路边车位车辆的驶入、驶
25、出状态，可以大大提高车辆检测的准确率，从而最大限度地发挥基于地磁技术的车辆检测系统的优点。设计了基于双组地磁差分检测算法的 MSP430 16 位单片机实验系统，包括控制单元、传感器单元、供电单元，通过LoRa模块与上位机通信，实时获取测试数据和结果。经过在真实环境下的路边车位停车实验，准确识别概率为 98.0%，效果良好，表明基于独立地磁技术检测算法、基于 MSP430的检测系统设计在路边车位车辆检测中是有效可行的。参考文献1 谢白杨，李广亮，杨志恺.基于地磁车辆检测技术研究J.杭州电子科技大学学报，2013，33（4）：6265.2 何志强，罗飞，于峰崎，等.基于地磁传感器的车辆检测算法J
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27、ARENY R.Wireless magnetic sensor node for vehicle detection with optical wakeup J.IEEE sensors journal,2011,11(8):16691676.8 陈希湘，朱嵘涛，王锦莉.基于MSP430单片机的超声波倒车雷达系统设计J.现代电子技术，2021，44（9）：2427.9 中国电子技术标准化研究所.ER14505、ER26500和 ER34615型水雷用锂亚硫酰氯单体电池和电池组详细规范：SJ 52278/21998S.北京：中国电子技术标准化研究所，1998.10 侯群，葛迪，邱程，等.基于L
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