基于物联网技术的车辆检测器设计

0 引 言

随着经济的增长，各城市汽车保有量不断增加，汽车流量、速度、车位状态等基础数据的获取日益迫切，基于基础数据的交通诱导、停车管理等应用成为交通管理部门的痛点。针对以上问题，研究人员开展大量工作，并取得相应的应用成果。

杨威 [1] 设计了一种车辆流量检测器，该检测器以红外传感器作为车辆流量检测元件 ；高天龙 [2] 设计了一种基于ZigBee 技术的无线车辆检测器，采用磁传感器为检测单元，运用 ZigBee 物联网技术，解决施工布线难题 ；靳璐 [3] 设计了一种基于雷达的车辆检测器，该检测器以毫米波雷达数据和视觉多特征为检测手段 ；蒋新华 [4] 等人提出了一种基于视频的车辆检测算法，以半监督支持向量机分类算法为检测核心。

本文吸收现有车辆检测器的优点，提出了一种以磁阻传感器 [5] 为检测核心，以物联网无线技术为传输方式，以无线固件升级为创新的磁性车辆检测器。

1 LoRa 物联网技术

物联网无线技术包括 ：ZigBee，Bluetooth，WiFi 等。ZigBee 是一种基于 IEEE 802.15.4 技术的无线网络协议，在物联网方面应用广泛。但通信距离限制其应用推广，为兼顾低功耗和长距离，出现了 LoRa 通信。

LoRa 通信是美国 Semtech 公司研制的一种基于扩频技术的超远距离无线通信方式，属于数字通信的一种。与非扩频数字通信系统相比，LoRa 通信进行信息传输时，发送端由扩频码发生器产生独立的扩频码序列，并对待传输的数字信号进行调制，达到展宽信号带宽目的。再将调制信号加载到射频载波中发送，实现无线传输。由于信息传输过程所占用的带宽大于所传信息必须的最小带宽，决定了 LoRa 通信抗干扰能力强，通信传输安全可靠。Semtech 公司已推出基于 LoRa 的通信芯片。

2 磁阻传感器

1857 年英国数学物理学家 William Thomson 发现了各向异性磁阻效应，磁传感器正是基于磁阻效应 [6] 制作研发。在镍铁导磁合金薄膜内部建立磁场，即内建磁场，当外界磁场的方向与内建磁场方向存在一定夹角时，磁场内部的磁化矢量发生偏移，导致薄膜电阻降低。磁传感器将惠根斯电桥作为检测基本元件，四个桥电阻采用镍铁导磁合金薄膜制作的磁阻。不施加外部磁场时，四个桥的电阻相同。当施加外界磁场时，两个相对磁场方向的磁阻阻值增加，而另外两个桥的磁阻阻值降低。在供给外部电源的情况下，经过电桥电阻分压，Out+和 Out- 的输出电压变化总是相反的，因此外界磁场的方向最终体现为电压差。惠根斯电桥将磁场的变化转换为电压差的形式输出。

3 系统的硬件设计

车辆检测器由检测单元、通信单元、微处理器单元、供电及电源管理单元、JTAG 等部分组成。

检测单元负责车位状态数据采集，并通过 I2C 接口与微处理器单元进行数据交互，微处理器通过 I/O 口控制检测单元工作 ；通信单元负责车辆检测器与上层系统的无线数据传输，包括车位信息、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，与微处理器通过 SPI 接口通信，同时通信芯片状态以 I/O 状态形式给出 ；供电单元负责各模块的用电保障，电源管理单元控制耗电模块分时供电，降低整机功耗；JTAG 模块用于对微处理器进行在线编程和调试测试。

3.1 检测单元的硬件设计

地球磁场是地球内部存在的天然磁性现象。而车辆自身带有一定量的铁磁性物体，当地球磁场遇到铁磁性物体时，磁力线出现集中或稀疏现象，反应出局部地球磁场强度的变化。通过磁阻传感器感应地球磁场的变化，达到检测车辆的目的。

HMC5883L 是霍尼韦尔公司研发的基于磁阻效应的弱磁传感器芯片，片内集成最先进的高分辨率磁阻传感器、放大器、自动消磁驱动器、自测和偏差补偿校准，能在 8 G 的范围内实现 5 mG 的分辨率，有效解决磁滞、零漂问题。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等特点，工作功耗低至 100 μA，方便微处理器通信控制、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 通信单元的硬件设计

通信单元负责车辆检测器与上层系统之间的数据交互，车辆检测器将检测状态等车辆检测信息发送至上层系统，上层系统下发指令查询或设置车辆检测器相关参数。同时，通信单元负责应用程序下发，用于车辆检测器远程固件升级。目前基于物联网的应用出现较多无线技术，针对智能交通对长距离和低功耗的特点，本文选择 LoRa 物联网通信。无线通信单元的核心是 Semtech 公司提供的 SX127x[7] 系列 LoRa 产品。

SX127x 灵敏度 -148 dBm，高达 +20 dBm 功率放大器，最大链路预算可达 168 dB，与 ZigBee 通信相比，LoRa 方式通信距离是其数倍。发射电流 120 mA，接收电流 9.9 mA，200 mA 寄存器保持电流，适合低功耗应用。其硬件电路如图 2 所示。

LoRa 模块与处理器采用 SPI 通信方式，并提供一定数量的I/O口指示模块的工作状态。静态时无线模块处于休眠状态，当接收到上层系统的数据后，对应的 I/O 口指示接收成功，处理器采集到 I/O 口电平的变化并读取数据。当车辆检测器需要主动发送数据时，处理器通过 SPI 配置无线模块为发送状态，并写入待发送的数据。

3.3 电源管理单元的硬件设计

虽然检测单元处于闲置模式时，主要耗电模块禁用，但仍有部分模块处于开通状态，如 I2C 模块。为了尽可能降低功耗，采取微处理器 I/O 口控制检测单元供电和掉电。当需要采集磁场数据时，打开检测单元电源开关，检测模块工作 ；工作完成后，通过微处理器关闭检测模块供电电源。此时检测模块完全禁用，功耗最低。电源控制电路如图 3 所示。

通信单元处于休眠模式也存在小电流，考虑通信芯片上电后，寄存器需重新配置，配置时通信芯片处于待机状态，电流较休眠模式高，因此通信单元不采用电源开关控制功耗，通过优化状态机，减少通信模块收发时间。为进一步降低功耗，微处理器采用TI公司研发的MSP430F5XX[8] 超低功耗单片机。

4 系统的软件设计

为实现车辆检测器固件升级功能，采用自定义引导程序[9]、配合 LoRa 物联网技术实现，方便后期系统维护。微处理器片内 FLASH 存在两段程序，引导程序和应用程序。引导程序通过无线接收应用程序，并写到预定义的 FLASH 空间 ；对应用程序中断向量重映射 [10]，引导程序一般不使用中断，放在邻近原始中断向量的 FLASH 空间。

4.1 引导程序的设计

引导程序的功能是无线接收应用程序，并将应用程序写到指定的 FLASH 地址。引导程序通过微处理器的 JTAG 烧写到 FLASH 空间，为从地址上区分引导程序和应用程序，在烧写引导程序之前，需手动修改对应程序的链接文件。根据引导程序占用空间的大小，将其 FLASH 空间定义在 0xF000-0xFF7F。

引导程序流程如图 4 所示。引导程序运行后，首先检查应用程序是否有效，当检测到有效应用程序时，跳转到应用程序执行，否则等待应用程序下发。引导程序包含升级和跳转命令。升级命令包含应用程序的十六进制数据，每接收一帧升级命令，将对应的应用程序数据写入指定的 FLASH。若写入成功，引导程序发送成功回令至升级设备 ；否则，引导程序发送写入失败的回令。当所有数据成功写入 FLASH 空间后，升级设备发送跳转指令，引导程序成功接收到跳转指令后，发送跳转回令，并完成跳转。跳转后，微处理器执行应用程序。

引导程序中，关键在于中断向量重映射。原始中断向量表固化在内部存储区，不能更改。当中断发生时，程序首先跳转到原始中断向量表。原始中断向量表为引导程序使用，为跳转到应用程序的中断向量表，需要在引导程序中完成中断跳转到自定义的应用程序中断向量表中，应用程序完成中断功能。

4.2 应用程序的设计

工作中，车辆检测器运行应用程序。应用程序负责车辆检测器车位信息采集、无线数据收发。接收跳转指令并跳转到引导程序。应用程序流程如图 5 所示。

应用程序存储在以 0x5C00 开始的 FLASH 空间，与引导程序在地址空间上分开，防止应用程序写入时误擦除引导程序。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、LoRa 无线模块参数配置。为方便用户开发基于SX1278 芯片的产品，SemTech 公司开放库函数源码。参数配置由 SX1278Init（）函数实现，设置射频参数、硬件 I/O 配 置、状态设置，并最终调用 SX1278LoRaInit（）完成参数配置。之后发送组网信息至上层系统，车辆检测器通知上层系统连接网络，再进入主循环。主循环的功能是采集车位信息、无线数据收发。主循环等待两个中断唤醒微处理器，定时器中断、I/O 口中断。内部定时器外设提供精准时序，实现车位信息周期性采集。并精确控制车位心跳数据的发送 ；无线数据收发通过单片机控制，微处理器通过响应无线模块I/O口变化，判断收发过程中模块状态。

当接收到上层系统发送的命令后，应用程序判断命令类型。当命令为设置或查询车辆检测器参数时，应用程序提取参数并回传至上层系统 ；当命令为程序升级命令时，应用程序跳转到引导程序，微处理器执行引导程序，由引导程序接收应用程序并完成程序升级。

5 测试结果

为验证本设计的检测准确性和通信稳定性，选取某地下停车场进行安装测试。该停车场共有车位 134 个，实际安装车辆检测器 100 套，最远距离超过 75 m。经测试，室内地下条件，LoRa 物联网通信稳定可靠，丢包率低，通信质量较ZigBee 好。

现场经 13 天观测，共收集进出车数据 847 组。其中进车 552 组，出车 295 组。漏检 13 组，错检 56 组，准确率达91.8%。

为测量功耗，假设一个车辆检测器每天的进出车次数为30 次。静态时车辆检测器每 1 h 发送一次数据。经过测量，车辆检测器的功耗为 100 μA，实现低功耗要求。

6 结 语

本文设计了一种基于物联网技术的磁性车辆检测器。LoRa 物联网通信保证通信稳定可靠。借助 LoRa 通信实现车辆检测器程序远程升级，大大降低后期维护成本。经实际测试，车辆检测器检测准确性达到 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准确性、功耗等方面任存在相应不足。未来车辆检测器的研究，还需要在检测准确性等方面进行突破。