CN102812383A - 用于采用光传感器和磁传感器持续检测车辆的存在的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于车辆的持续非间歇检测的方法和装置，本发明基于检测对车辆到达或离开时在车辆下面的地面上引起的照度突变，并且基于使用所述检测来激活磁传感器，所述磁传感器的灵敏度被调整成仅检测那些足够大而能够归因于传感器上面的车辆的磁扰。光传感器以及磁传感器二者都直接连接到数字控制器，而无需有源电子部件或者它们专用或共享的电源。检测器可以是固定的或者便携式的、无线的或者通过线缆来连接的，并且该检测器可以独立工作或者作为传感器网络中的一部分工作。

Description

用于采用光传感器和磁传感器持续检测车辆的存在的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于探知在特定区域中是否存在车辆的方法和装置，更具体地，本发明涉及基于布置在所述区域中的地面中的照度传感器和磁传感器的方法。

目的

本发明的目的是开发一种用于持续检测在预定区域中是否存在车辆的方法，该方法因此使用了检测由车辆产生的阴影状态的无源光传感器以及确认所述阴影状态是由于在传感器上方的车辆而引起的还是由于使照度降低的另外的原因而引起的磁传感器。本发明的第二目的是开发一种下述装置：该装置提供指示在预定区域中是否存在车辆的输出信号并且所述装置的能量消耗低到足以能够采用电池来工作。

背景技术

在对停车场、铁路交叉口、紧急通道、入口控制、安全区域的管理中以及必须基于在特定区域中车辆存在或不存在来进行决策的应用中，知道在预定区域中是否存在车辆是共同的要求。在具有某种形式的顶部的覆盖区域中，在特定区域中车辆的存在可以通过一个或更多个传感器来探知，所述传感器自顶部或者附接到顶部的结构悬挂下来并且设置于其想要控制的区域的正上方。实现上述内容的通常的方法借助于基于某种类型的辐射（例如超声波辐射或者红外辐射）的传感器，这是因为发射器与接收器之间的传输时间取决于由发射器发射的辐射从地面还是从另一个更接近的对象（如可以是车辆的顶部）反射。不要求针对其想要控制的每个具体区域的传感器的替选方案是朝向关心的区域安装一个或更多个电视摄像机。借助于图像分析算法，可以探知在摄像机覆盖的区域中的车辆的数目。这种方案在技术上更加复杂，这是因为必须能够检测出部分地或者完全隐藏在其他车辆后面的车辆，而且这需要用于安装一个或更多个摄相机的支持件。在建筑物中，可以将该支持件固定在墙上或者天花板上，但是在无顶部区域中，必须安装某种类型的支柱。

摄像机的一种较便宜的替选方案可以是在其期望控制的每个片区的地面中放置检测器。为了进行检测，可以对基于通常从天花板施加的某种类型的辐射进行发射和接收的多种方法中的一种方法或其他方法进行适应性修改。但是更简单的是使检测基于下述无源系统，该无源系统捕捉车辆的存在对周围环境的某种在前状态所产生的改变。此外，无源检测器的能量消耗将会更低，这是因为没有必要产生预先存在的状态，这不同于基于对辐射（射频、光、机械超声波）的发射和接收的检测器，该检测器必须生成其所发射的辐射。在通常没有能够向每个被观察的片区提供直接电力供应的基础设施的大停车区域中，从电池给各个检测器供电的可能性降低了安装成本。在这些情况下，检测器的另一个重要性质是检测器的能量消耗应该尽可能最低。

可以在地面中测量并且在车辆经过时变化的物理量是车轮通过其上的元件中的机械压力。由此，Antonio Hernando Grande等人的WO/1996/01461描述了一种用于基于对由车轮在下述线上通过时产生的机械压力的检测来检测停放的车辆的设备，所述线的一个端部固定在金属支持件中而所述线的另外的端部固定到半圆形支持件，其中，粘附有具有无定形磁材料的带。所述带形成对由车轮在线上通过时感生的电动势进行采集的绕组的核部。应该理解，类似的情况发生于压电传感器、气动导管和电感线圈，压电传感器、气动导管和电感线圈检测由于车辆的通过而产生的短的瞬态变化，这样的传感器必须持续处于活动状态，由此产生能量消耗，并且不能检测静止车辆。此外，例如在传感器上通过的车辆在朝向另一个停车位行进时将会在通过每个位置的传感器时都给出信号，但该车辆将在特定位置结束停放，由此检测计数大于被停放的车辆的数目。

随着车辆的通过甚至仅由于车辆的存在而改变的另一种物理量是磁场，这是因为车辆中丰富的铁磁性材料引起了地球磁场的扰动，该扰动在车辆存在时持续存在。这种扰动可以例如通过磁阻传感器（基于磁阻效应、各向异性磁阻（AMR）效应或者巨磁阻（GMR）效应）来检测，从而该方法已经大量应用于检测车辆的通过而稍微少地用于检测车辆的存在【参见，例如，M.J.Caruso,L.S.Withanawasam,"Vehicle Detection andCompass Applications using AMR Magnetic Sensors"http://www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/amr.pdf；P.Ripka,"Magnetic sensors for traffic control,"Proceedings of the InternationalSymposium on Measurement and Control in Robotics(ISMCR 99),东京,卷10,241-246页,1999；G.Rouse,H.French,H.Sasaki"A solid-statevehicle detector for roadway applications,"IEEE Proceedings on VehicleNavvigation and Information Systems Conference,西雅图,美国,11-16页,1995年7月；S.V.Marshall,"Vehicle Detection Using a Magnetic FieldSensor，"IEEE Transactions on Vehicular Technology,27卷,no.2,65-68页,1978年5月；R.Lao,D.Czajkowski,"Magnetoresistors for AutomobileDetection and Traffic Control,"Sensors,70-73页,1996年4月】。为了检测车辆，测量沿着地球磁场的主要分量的方向的磁扰是足够的，尽管还可以通过沿着其他方向进行测量来检测车辆，其中，在地球的不同地点处地球磁场的主要分量的方向依据纬度改变。

基于磁阻的所有这些应用的一个共同的问题是这些传感器的能量消耗相对高，这是因为其电阻为1kΩ至5kΩ的数量级，因此，如果对这些传感器持续供电，则这些传感器会在短时间内使电池耗尽。如果例如在包括用于检测车辆的磁传感器以及用于探知环境状态（温度、下雨、结冰等）的若干特定传感器的传感器节点以及没有有线连接的系统中（例如，如Robert Kavaler的US 20060202863A1中公开的）存在有多于一个的传感器，则能量消耗问题甚至更加严重。此外，应用于车辆检测的基于磁阻的磁力计的改进使用模拟数字转换器作为用于获得与所测量的磁扰对应的数字信号的装置，所述转换器需要对从磁传感器的输出进行调节，这是由放大器来实现的，如例如在Gordon F.Rouse和William M.Volna的US5491475以及James A.Rodrian和Donald R.Janke的US 6546344中所述。这些具有放大器、滤波器等的信号调节电路意味着附加的能量消耗。

一种用于降低能量消耗的显而易见的系统是以预定的时间间隔对检测器间歇供电。但是，如果想要有可靠的存在或不存在检测，所述间隔必须足够短，因此能量节省将很大程度上取决于该区域的占用率。CharlesHoward的US 200201090856公开了一种用于使磁传感器免于必须持续工作的方案。该方案包括使用振动传感器，该振动传感器检测由车辆引起的地面中的振动，并且该振动传感器在振动发生时激活磁传感器而在一段时间不存在振动时使传感器不工作。该方案的有效性一方面取决于振动传感器的消耗，如果想要持续的检测则该振动传感器必须持续活动，并且取决于对可以被认为是所关心的区域中车辆存在的指示的振动信号的知识。但是，在任何情况下，振动传感器不能检测到静止车辆的存在。在US200201090856中引用的振动传感器是在4.5V供电时的消耗是0.5mA的驻极体传声器EM9765-422以及在5V的供电时的典型消耗是0.6mA的加速计ADXL202。在这些消耗率上必须再增加下述消耗：对所使用的振动传感器的输出信号进行调节所需的部件的消耗、向其传送信号的控制器的消耗以及用于整体的电源的消耗。

对目前可用的信息的分析显示：没有用于持续并可靠地检测在特定区域中车辆的存在的并且在车辆不存在的情况下的能量消耗小于30毫瓦（在3V供电下是10微安）的方法。已经发现，通过将在检测到低水平的照度的情况下启动同一点中的磁传感器的光传感器放置在地面中以检查降低的照度水平是否是由于磁扰而引起的，使得能够对车辆的存在进行持续可靠的检测，其能量消耗大大低于持续供电的磁传感器的能量消耗，或者在振动传感器检测到指示出车辆接近的信号时被激活的磁传感器的能量消耗。

发明内容

开发了一种用于检测在预定区域中是否存在车辆的新方法和装置，本发明借助于布置在期望控制的区域的地面中的检测器，本发明包括检测由车辆产生的阴影的无源光传感器，根据该信息控制供电，以及磁阻传感器的测量，该磁阻传感器确认所述阴影是由于在传感器上方的车辆而引起的还是相反是由于照度因为其他原因降低而引起的。检测器可以是固定的或者便携式的、无线的或者通过线缆来连接的，并且该检测器可以独立地或者作为传感器网络中的一部分来工作。

所开发的装置基于无源光传感器和磁传感器通过对应的电子接口所连接到的数字控制器、通信电路（收发器或者调制解调器）以及将电流供应给控制器并且供应给收发器/调制解调器的供电系统，但是该供电系统不与所述两种传感器中的任何一种传感器连接，这不同于例如在US200201090856中公开的发明，在US 200201090856中，传感器通过使得传感器以间歇的方式被激活的电路连接到电源。在本发明中，控制器以及收发器/调制解调器都通常处于待机状态，在该状态中，其消耗非常低，而用于光传感器的接口电路和用于磁传感器的接口电路连接到控制器的不同输出端子，这可以针对所述端子中的每个端子来设置成具有高电压电平（数字“1”）或者低电压电平（数字“0”），这些电平按照采用其制造控制器的微电子技术中的逻辑电压电平形式，或者所述端子具有一个高阻（HZ）状态的端子。通过这些连接，从控制器对光传感器和磁传感器供电，而无需将每个传感器都连接至电源。只要每种传感器的接口电路的设计都确保控制器的端口能够供应必需的、进一步应是非常低的或者在很短时间内流动的电流，这种从控制器对传感器的供电将是可能的。

用于光传感器的接口电路具有连接到数字控制器的两个输入端子的输出：这些端子之一（EA）连接到模拟数字转换器而另一个端子（EI）对应于在存在对应于逻辑状态“1”和“0”的两个电压水平之间的转变时能够被使能以中断控制器的输入。用于磁传感器的接口电路按照能够测量传感器所位于的区域中的磁场的值所需的连接到控制器的一个或更多个输入端子。测量一条轴线上的磁场B的磁传感器可以被配备成沿着地球磁场的取决于传感器所处的纬度的主要分量的方向进行测量或者沿着地球磁场的也是大的分量的方向进行测量。控制器执行操作的定时由可以取决于传感器提供的信息从各种可用时钟信号中选择的时钟信号的频率来确定，如下文所述。

当装置接通时，装置仍然处于待机状态，其中，光传感器由控制器供电并且由于该光传感器的接口电路的设计而具有非常低的电流消耗；另一方面，磁传感器的接口电路当然以及磁传感器不接收任何供电电压。控制器以不需要任何时钟信号的模式工作，而只有当存在外部中断时该控制器才能退出该模式。当由光传感器检测到的照度低于预定值Emin时，该光传感器的接口电路的输出电压充分地变化以用于使控制器将在其输入EI处的所述变化解释为对离开待机状态并开始测量磁场的请求。为此，控制器转换成以快速时钟工作、激活磁传感器、测量磁传感器的接口电路的一个或更多个输出并且根据所述输出来计算磁场Bm的值。然后，控制器将该值Bm与在车辆不存在的情况下测量所获得的参考值Bref比较，如果变化大于预定值Bv，则认为车辆在其上方并且生成指示“存在”（位置被占据）的信号。可以持续地每T1秒对磁场进行测量以检查测量值Bm与参考值Bref之间的差是否仍然大于Bv。如果Bm与Bref之间的差小于Bv，则认为车辆已经离开，从而生成“不存在”（位置空闲）信号，中断对磁传感器电路的供电并恢复待机状态。可以根据车辆在区域中的占据率以及进入和离开率来选择时间T1。对于具有高占据率和低移动性的区域，例如，T1可以较长。

如果紧接在光传感器检测到低水平的照度之后，磁场的测量值Bm与磁场的参考值Bref之间的差低于值Bv，则不发出车辆存在（位置被占据）信号，而进入与在检测到大于Bv的变化之后的例程不同的例程。认为该阴影不是由于车辆存在于传感器的上方而是由于其他原因（天色变暗以及没有人工照明、在传感器上方有物体、邻近的车投射了浓密的阴影等）所引起的。在该其他例程中，自信号连接到其输入EA起，控制器每T2秒对照度的值和如之前所测量的磁场的值进行测量。如果在这些周期性测量的任何测量中磁场的测量值Bm与磁场的参考值Bref之间的差大于Bv，则生成“存在”信号，并且继续测量直到差小于Bv或者所测量的照度大于Emin为止。在这种两种情况下，生成“不存在”信号并进入待机状态。如果在照度大于Emin时在任何时刻Bm与Bref之间的差大于Bv，则生成告警信号，而不论之前是否有存在检测。从前述公开中，可以总结光传感器总是被激活的：当车辆不在检测器的上方时，照度传感器被持续激活以能够检测到照度的突然减小；如果存在车辆，则照度传感器持续保持活动以能够检测到车辆的离开，且磁传感器周期性地检查车辆是否仍然存在。当由于照度传感器检测到黑暗但是磁传感器没检测到磁扰而存在对车辆存在的怀疑时，光传感器被持续地激活以检测引起黑暗的原因的消失，同时周期性地测量磁场和照度的值。当照度高但是磁场传感器检测到显著的磁扰时，发出告警。

为了降低能量消耗，当数字控制器改变状态时，数字控制器选择最适合于其在新状态中必须执行的任务的时钟频率。由此，例如在针对EI中的中断的待机状态中，停止所有的时钟振荡器；在对B的测量之间的间隔中，选择低频率时钟，而对于对B的测量以及信号的传送，选择高频率时钟。同样为了降低能量消耗，光传感器以及磁传感器的接口电路不包括任何有源电子部件。如果一段时间将不使用检测器，则可以使收发器或者调制解调器处于待机状态，而控制器的所有内部外设、振荡器、模拟数字转换器等可以都被停用，而且甚至可以使光传感器不活动，这是因为光传感器不直接连接到检测器的电源，而是连接到控制器的端子，可以对控制器的端子的电压编程。

参考值Bref是通过在传感器将要位于的地方在没有车辆的情况下并且在铁磁性物体附近测量磁场来获得的。该测量可以用磁力计来进行，或者该测量可以用装置自身的磁传感器来进行，在这种情况下测量可以周期性地更新。这种更新必须在没有车辆的情况下进行。

附图说明

以下参照附图对本发明的优选实施例进行描述，在附图中：

图1是持续车辆存在检测器的框图；

图2示出了本发明的优选实施例；

图3示出了由布置在地面中的光传感器在露天的情况下在白天接收的照度的变化的两个实验的结果；

图4示出了在照亮的停车场中由布置在地面中的光传感器在露天的情况下在夜晚接收的照度的变化的两个实验的结果；以及

图5示出了在三个车辆模型占据和离开露天停车位且检测器处于该车位的中心时采用三个车辆模型的三个实验的结果。

具体实施方式

图1示出了无源光传感器101和磁传感器102连接到微控制器103，微控制器103又连接到无线收发器104。微控制器包括模拟数字转换器（ADC）。电源105连接到微控制器和收发器，但是电源105不连接到传感器也不连接到传感器的接口电路。所述传感器和接口电路仅在必要时由微控制器本身供电。

为了获得更高的能效并以此方式在由电池供电时延长装置的使用寿命，必须使用其电子接口具有很低消耗的传感器、数字控制器以及其在低活动状态下的消耗非常低的收发器，以选择低供电电压（例如，3V）并且对该供电电压进行管理以使得所有时间只对必须被激活的项供电。图2示出了所述装置的优选实施例，在该实施例中，无源光传感器是LDR（光敏电阻器），而该LDR的接口电路是分压器，在该分压器中选择具有高值的电阻器R_S以使得在LDR被照射从而该LDR的电阻具有低值的情况下电流消耗非常低。以R_S=920kΩ为例，如果以3V对微控制器供电，则在日光下LDR中的电流为大约3微安。分压器的输出连接到微控制器的模拟输入端（P2.0用作EA）并且连接到外部中断的输入端（P2.1用作EI）。施加到分压器的电压是微控制器的输出端P2.2处的电压。满足必要条件的LDR是由（加拿大，魁北克）蒙特利尔的Silonex公司制造的NORPS-12，而合适的微控制器可以是由（美国，德克萨斯）达拉斯的德州仪器制造的MSP430F2274，MSP430F2274具有集成的模拟数字转换器和五种低功率工作模式，这五种低功率工作模式之一（LPM4）的消耗仅为0.1微安。

磁传感器是磁阻器桥，该磁阻器桥的接口电路是电容器C和电阻器RP，比如由E.Sifuentes,O.Casas,F.Reverter和R.Pallas Areny在Direct Interface circuit to linearize resistive sensor bridges,Sensors andActuatorsA,Vol.147(2008),210-215中所述。在这样的接口中，桥具有一个输入节点和三个输出节点，输入节点连接到微控制器的输出端口（图2中的P1.1）并且连接到电容器C，电容C的另一个端子接地，而每个输出连接到微控制器的不同输入（P2.3，P3.7和P3.6）；测量过程包括借助于控制器输出（P1.1）处的被设置为高的电压来（接连）对电容器C充电，然后通过每次使用不同的线路通过电阻器桥对所述电容器放电，所述线路是通过将微控制器的两个不同的端口设立成高阻状态的输入而将第三端口设立为电平为0的输出所确定的。合适的磁传感器是（美国，明尼苏达州）Eden Prairie的NVE公司AAH002。通过将C选择为1微法而Rp为120Ω，获得了毫秒数量级的测量时间。这足以用来检测停放的车辆或者缓慢移动的车辆。

在该优选实施例中，收发器是无线的，由此收发器连接到天线。具有低功率待机状态（1微安）的收发器是High Wycombe的Telegesis公司（Bucks HP10 9QQ,英国）的ETXR2。电源包括电池和3V电压调节器。具有3V输出的低功率调节器是台湾半导体公司的TS9011。合适的电池可以是Kiryat Ekron（以色列）的Tadiran电池的TL-5135，或者任何其他高电容小容量电池。

为了获得特定区域中良好的车辆存在或不存在检测，一方面必须知道在传感器位置处的地平面上存在车辆时以及在对于周围环境的不同照度条件（自然或者人工照明）下该地平面处的照度水平；另一方面必须知道所述区域中的地球磁场的主要方向或者磁场分量大的任何其他方向，以及由停放在装置上面的车辆产生的磁扰。通常来讲，朝向赤道水平分量将是主要的，而朝向两极竖直分量将是主要的，对于纬度45°，两个分量将近似。

图3示出了由地面中的光传感器在露天并且是晴天（2009年2月27日，12点30分）的情况下在该光传感器上面有车辆时它接收的照度的变化的两个实验的结果。在所述实验之一中光传感器是未覆盖的，而在另一个实验中光传感器由透明的塑料盖所保护，这将是正常的使用状态。在两个实验中，照度都减少到大约千分之一，由此确保了检测。塑料盖的存在仅将照度减少到大约五分之一，由此，污物覆盖将未必会引起故障。但是没有任何保证照度的减小是由车辆引起的，从而此处要关心对磁扰的测量。

图4示出了在与图3进行实验的区域相同的区域中在夜晚进行的两个实验，该区域按照露天停车场的通常惯例进行人工照明并且距离光源一定距离。在不存在车辆的情况下传感器上的照度非常低，由此期望的是磁传感器激活的最小照度值Emin逐渐适配周围的照明，该照明例如通过微控制器的模拟数字转换器来测量。但是，在任何情况下，实验示出在存在车辆的情况下照度仍然会下降很多，下降到大约40分之一的数量级。然而，即使是靠近传感器的人的阴影也可以如车辆一样降低同样多的照度，如图4中由“B”指示的短的瞬态变化所示，从而此处要关心对磁扰的检测。

图5示出了通过布置在受控区域中心的图2中的磁传感器来沿着竖直方向对磁扰进行测量的三个实验（西班牙，巴塞罗那，Castelldefels），其中，两轴式车辆进入该区域，保持处于该区域中大约10秒，然后离开。用不同的车辆进行各个实验。观察到对于每种车辆模型磁扰不同，但是变化模式是类似的：有与两个轴（在其中一个轴上的引擎）对应的两个大峰以及与车辆的中心区域对应的较小的变化。此外，观察到变化模式不同于采用距车辆一定距离的磁传感器所获得的变化模式，后者根据对磁扰测量的方向包括单个转变、单极或双极（如Moon Ho Kang等人在Experimental study of a vehicle detector with an AMR sensor，Sensors andActuatorsA,118(2005),278-284页中所示）。由此，将磁传感器放置在所期望控制的区域的地面上比采用远离的磁传感器使得能够了解磁扰的更多细节。这三个实验的结果使得能够选择磁扰值为Bv=5微特斯拉，以便总能够检测车辆。然而，更小的但是更接近传感器的铁磁性物体也能够产生具有类似值的磁扰。由此，要额外关心的是使光传感器总激活，这是因为接近传感器的小物体将仅在其处于检测器的正上方时降低照度。另一方面，由于车辆的磁扰将极少超过50微特斯拉，所以可以对微控制器编程以使得不考虑这种情况下存在任何车辆。

总结

在本发明专利中，描述了一种用于采用安装在期望探知车辆的存在或不存在的区域中的地面中的且连接到数字控制器的照度传感器和磁传感器来检测车辆的方法和装置。如果照度传感器检测到存在阴影，则测量磁场的磁阻传感器被激活，而如果其相对于不存在车辆时的变化超过了某个预定阈值，则控制器认为在检测器上面有车辆并通过收发器传送该情况，收发器可以是无线的。如果磁场变化没有超过预定阈值，则认为引起阴影的原因不是车辆，并且磁传感器进行周期性测量直到检测到足够大的变化或者照度增加为止。如果照度是高的并且磁场变化超过了预定阈值，则发出告警信号。两种传感器均仅连接到控制器而不连接到任何电源，并且这两种传感器的连接借助于不包括任何有源部件的接口电路，这降低了传感器被激活时的电流消耗。照度传感器处于消耗小于3微安的高阻电路中，由此光传感器可以在几乎不影响检测器消耗的情况下被持续激活。

已经充分地描述了本发明以及优选实施例，仅应该添加的是可以在不背离如在所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下修改本发明所使用的构造和材料。

Claims (6)

1.一种用于持续检测在预定区域中存在停留车辆的方法，其中，所述方法从地面执行并且使用基于照度传感器和磁场传感器的双重测量原理。

2.根据权利要求1所述的用于持续检测在预定区域中存在停留车辆的方法，其中，当所述照度传感器检测到可能的车辆时，所述光传感器将数字控制器从所述数字控制器的低功耗状态唤醒，所述数字控制器激活所述磁场传感器，以使得所述磁场传感器能够依照使用所述磁场传感器的区域的纬度根据沿着地球磁场为大的方向的磁扰的量化来确认车辆的存在。

3.根据权利要求1和2所述的用于持续检测在预定区域中存在停留车辆的装置，其中，所述照度传感器是电阻性的（光敏电阻器，LDR）以及所述磁场传感器是磁阻器桥。

4.根据权利要求1、2和3所述的用于持续检测在预定区域中存在停留车辆的装置，其中，所述光敏电阻器传感器的接口电路是由所述数字控制器的输出供电的分压器，同时所述分压器的输出直接并同时连接到外部中断输入以及同一控制器的模拟数字转换器的输入。

5.根据权利要求1、2和3所述的用于持续检测在预定区域中存在停留车辆的装置，其中，所述磁场传感器直接连接到所述数字控制器的数字输入和输出端口，而在所述传感器与所述控制器之间不存在任何有源电子部件。

6.根据权利要求1、2和3所述的用于持续检测在预定区域中存在停留车辆的装置，其中，为了降低能耗，所述数字控制器的操作模式和时钟频率取决于采用所述装置的所述两种传感器获得的信号而动态地变化，所述两种传感器由所述控制器本身供电。

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