CN113256999A - 一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统及方法，其系统采用射频能量接收模块和能量收集模块为地磁传感器持续提供电量，保证终端设备长时间无需更换电池，并通过终端设备、路由设备、协调器和能量发射机进行自由组网，可灵活增加终端设备的数量；其方法通过消除地磁传感器的软磁效应和硬磁效应误差，将地磁传感器数据进行校准后，再根据地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，保证地磁传感器本身输出数据的精确，再次对地磁传感器输出的数据进行滤波处理，降低噪声的影响，并且保留了数据的峰值，达到噪声的影响减弱，却不影响有效数据的目的；本发明解决了现有检测车辆速度技术存在检测精度不足的问题。

Description

一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆检测与无线传感器网络领域，具体涉及一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统及方法。

背景技术

对车辆的检测是未来智能交通中的最基本要求之一，它通过对车辆的检测数据，可分析出交通流量，道路占用率，车速等交通信息。传统的车辆检测是通过在路上铺设感应线圈传感器、架设超声波传感器、架设红外传感器、架设监控摄像头。感应线圈主要利用感应线圈与LC振荡回路进行检测。当汽车经过是会引起振荡线电路的频率变化。准确率较高，缺点是使用寿命有限且会对地面造成破坏。超声波传感器、红外传感器受环境影响大，监控摄像头存在监控死角，容易受到恶劣天气影响，架设成本高等缺点。而对于地磁传感器的车辆检测技术具有低成本、低功耗、易组网、体积微小、不受环境影响等优点，近年来得到了广泛的应用。但其较低的判断精度广为人诟病。所以如何提高地磁传感器检测精度已经成为了车辆检测领域研究的热点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统及方法解决了现有检测车辆速度技术存在检测精度不足的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，包括：多个终端设备、多个路由设备、协调器、多个能量发射机、网关、路由器、互联网服务器、管理监控终端、云服务器和数据库；

所述多个路由设备分别与多个能量发射机和多个路由设备无线连接；所述多个路由设备的相邻路由设备之间互相无线连接，其还均与协调器无线连接；所述协调器还与网关无线连接；所述网关与路由器通信连接；所述路由器通过互联网服务器分别与管理监控终端、云服务器和数据库连接。

进一步地，终端设备包括：电池模块、射频能量接收模块、能量收集模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块；

所述电池模块的供电端分别与处理器模块和无线通信模块电连接；所述射频能量接收模块的输出端通过能量收集模块与传感器模块连接；所述处理器模块分别与传感器模块和无线通信模块连接。

进一步地，电池模块：充电管理单元、锂电池、电流过流保护单元和DC-DC单元；

所述充电管理单元的输入端与锂电池连接，其输出端与电流过流保护单元的输入端连接；所述电流过流保护单元的输出端与DC-DC单元的输入端连接；所述DC-DC单元的输出端作为电池模块的供电端；

所述充电管理单元的锂电池管理芯片型号为SW6008；

所述传感器模块包括：地磁传感器和AC/DC单元；

所述地磁传感器的输出端与AC/DC单元的输入端连接；所述AC/DC单元的输出端与处理器模块连接。

进一步地，射频能量接收模块包括：接收天线、射频匹配单元和射频信号整流单元；

所述接收天线与射频匹配单元的输入端连接；所述射频匹配单元的输出端与射频信号整流单元的输入端连接；所述射频信号整流单元的输出端作为射频能量接收模块的输出端；

所述射频信号整流单元包括：变压器T1、电容C1、整流二极管D1、整流二极管D2和电容C2；

所述变压器T1的原边作为射频信号整流单元的输入端；所述变压器T1的副边的一端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端分别与整流二极管D1的正极和整流二极管D2的负极连接；所述电容C2的一端与整流二极管D2的正极连接，并作为射频信号整流单元输出端的一端；所述电容C2的另一端分别与整流二极管D1的负极和变压器T1的副边的另一端连接，并作为射频信号整流单元输出端的另一端。

进一步地，终端设备固定于车道的方式为：在一条包括左车道和右车道的道路上，在左车道的入口设置一对平行的终端设备，该对终端设备中的其中一个位于左车道和右车道的中线上，其另一个设置于左车道的边缘；

在右车道的入口设置一对平行的终端设备，该对终端设备中的其中一个位于左车道和右车道的中线上，其另一个设置于右车道的边缘；

再在右车道的一对平行的终端设备和左车道的一对平行的终端设备之间均匀设置多个四边形终端设备组；

所述四边形终端设备组包括：位于右车道的边缘的2个终端设备、位于左车道的边缘的2个终端设备、以及位于右车道的边缘的2个终端设备和左车道的边缘的2个终端设备构成的四边形的中心点处的终端设备。

一种基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，包括以下分步骤：

S1、构建并求解误差模型，消除地磁传感器的软磁效应和硬磁效应误差，得到地磁传感器数据的校准值；

S2、根据地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，得到校准后的地磁传感器；

S3、将校准后的地磁传感器输出的数据进行滤波处理，得到滤波数据；

S4、记录车辆经过时间段内的滤波数据，取相邻地磁传感器的各自滤波数据的最大值，再取相邻地磁传感器的各自滤波数据的最大值之间的差值，并基于该差值计算车速。

进一步地，步骤S1中误差模型为：

其中，

为地磁传感器校准前输出的数据，h为地磁传感器数据的校准值，b为组合偏差，A为比例因子矩阵，ε为高斯宽带噪声，H为无扰动环境下理想的地磁传感器的测量值。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、构建包括初始化状态S₀、有车状态S₁、无车计数状态S₂和基线更新状态S₃的基线漂移更新状态机；

S22、初始化基线漂移更新状态机，得到初始化状态S₀，在初始化状态S₀下，无车辆经过，进入无车计数状态S₂；

S23、在无车计数状态S₂下，计算出当前环境中的磁场强度信号的平均值；

S24、判断地磁传感器输出的数据是否超过平均值，若是，则记录超过平均值的数据量，若否，则跳转至步骤S23；

S25、判断数据量是否超过设定阈值，若是，则地磁传感器的基线发生了漂移，并跳转至步骤S26，若否，则地磁传感器的基线无需校准，结束分步骤；

S26、判断当前是否有车经过，若是，进入有车状态S₁，停止对地磁传感器数据的校准值的更新，等待车辆离开，并跳转至步骤S27，若否，并跳转至步骤S27；

S27、进入基线更新状态S₃，对地磁传感器数据的校准值进行更新，得到更新后的地磁传感器数据的校准值；

S28、根据更新后的地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，得到校准后的地磁传感器。

进一步地，步骤S3中进行滤波处理的公式为：

其中，M_(i)为采集校准后的地磁传感器输出的第i个数据，A_(i)为采集校准后的地磁传感器输出的第i个数据的平均值，N为均值滤波窗口的长度，O_(i)为第i个微分滤波数据，ω为处理窗的长度，K为采集的数据的数量，len为微分滤波窗口长度。

进一步地，步骤S4中计算车速的公式为：

其中，V为车速，f为采样频率，L为两个地磁传感器之间的距离，X为两个地磁传感器各自滤波数据的最大值之间的差值。

综上，本发明的有益效果为：

1、本系统采用射频能量接收模块和能量收集模块为地磁传感器持续提供电量，保证终端设备长时间无需更换电池。

2、本系统通过终端设备、路由设备、协调器和能量发射机进行自由组网，可灵活增加终端设备的数量，实现系统的灵活调整。

3、本发明通过消除地磁传感器的软磁效应和硬磁效应误差，将地磁传感器数据进行校准后，再根据地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，保证地磁传感器本身输出数据的精确，再次对地磁传感器输出的数据进行滤波处理，降低噪声的影响，并且保留了数据的峰值，达到噪声的影响减弱，却不影响有效数据的目的。

附图说明

图1为一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统的系统框图；

图2为终端设备的结构框图；

图3为射频信号整流单元的电路图；

图4为终端设备安装于车道的布局示意图；

图5为一种基于射频无线充电的地磁车辆检测方法的流程图；

图6为校准后的地磁传感器输出的数据进行滤波前和滤波后的对比图；

图7为图4中标注的1号、2号和3号地磁传感器输出数据滤波后的数据图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，包括：多个终端设备、多个路由设备、协调器、多个能量发射机、网关、路由器、互联网服务器、管理监控终端、云服务器和数据库；

所述多个路由设备分别与多个能量发射机和多个路由设备无线连接；所述多个路由设备的相邻路由设备之间互相无线连接，其还均与协调器无线连接；所述协调器还与网关无线连接；所述网关与路由器通信连接；所述路由器通过互联网服务器分别与管理监控终端、云服务器和数据库连接。

其中，能量发射机、终端设备、路由设备和协调器构成基于WPT的无线传感器网络；无线传感器网络的网络协议为zigBee协议。终端设备中的地磁传感器用于对地磁场进行采样，路由设备用于扩展无线传感器网络的通信范围，协调器用于进行数据汇集。

云服务器中包括服务于无线传感器网络的TCP Server和服务于管理监控终端的APP Server。云服务器通过TCP Server将数据整理并存储至数据库；通过APP Server提供对数据可视化服务。

如图2所示，终端设备包括：电池模块、射频能量接收模块、能量收集模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块；所述电池模块的供电端分别与处理器模块和无线通信模块电连接；所述射频能量接收模块的输出端通过能量收集模块与传感器模块连接；所述处理器模块分别与传感器模块和无线通信模块连接。

电池模块：充电管理单元、锂电池、电流过流保护单元和DC-DC单元；所述充电管理单元的输入端与锂电池连接，其输出端与电流过流保护单元的输入端连接；所述电流过流保护单元的输出端与DC-DC单元的输入端连接；所述DC-DC单元的输出端作为电池模块的供电端；所述充电管理单元的锂电池管理芯片型号为SW6008；

所述传感器模块包括：地磁传感器和AC/DC单元；

所述地磁传感器的输出端与AC/DC单元的输入端连接；所述AC/DC单元的输出端与处理器模块连接，地磁传感器的型号为QMC5833。

射频能量接收模块包括：接收天线、射频匹配单元和射频信号整流单元；

所述接收天线与射频匹配单元的输入端连接；所述射频匹配单元的输出端与射频信号整流单元的输入端连接；所述射频信号整流单元的输出端作为射频能量接收模块的输出端；

通过接收天线接收射频信号，再通过射频匹配单元进行匹配，再通过射频信号整流单元进行整流后输出至能量收集模块，能量收集模块进行能量的收集存储。

射频能量接收模块用于实现基于磁场辐射的无线充电，可在同一射频信号源下可同时向多个设备供给能量。停车场与马路等开放空阔环境下使用射频能量接收模块可比较方便的搭建设备。接收天线于发射天线磁场耦合，使用915MHZ全向棒状天线，用于接收发射天线发送的高功率信号。

射频匹配单元采为T型匹配网络。

如图3所示，射频信号整流单元包括：变压器T1、电容C1、整流二极管D1、整流二极管D2和电容C2；

所述变压器T1的原边作为射频信号整流单元的输入端；所述变压器T1的副边的一端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端分别与整流二极管D1的正极和整流二极管D2的负极连接；所述电容C2的一端与整流二极管D2的正极连接，并作为射频信号整流单元输出端的一端；所述电容C2的另一端分别与整流二极管D1的负极和变压器T1的副边的另一端连接，并作为射频信号整流单元输出端的另一端。

射频信号整流单元的工作原理为：在变压器T1输出的交流电正半周期时，二极管D1导通，二极管D2截止，电流经过二极管D1对电容C1充电，将电容C1上的电压充电接近E2的峰值(变压器T1输出的电压为E2)，并基本保持不变。在交流电负半周期时，二极管D2导通，二极管D1截止。此时电容C1上的电压

与变压器T1输出的电压E2串联叠加，电流经过二极管D2对电容C2充电，充电电压

其中，E2_pk为E2的峰值。如此反复充电，电容C2上的电压基本上就是

能量收集模块中的电源管理IC可采用型号为BQ25570的电源芯片，储能使用超级电容进行临时储能。BQ25570提供了可编程的电压输出设计，可将输出调整至3.3V以适用于低功耗的地磁传感器。

如图4所示，终端设备固定于车道的方式为：在一条包括左车道和右车道的道路上，在左车道的入口设置一对平行的终端设备，该对终端设备中的其中一个位于左车道和右车道的中线上，其另一个设置于左车道的边缘；

在右车道的入口设置一对平行的终端设备，该对终端设备中的其中一个位于左车道和右车道的中线上，其另一个设置于右车道的边缘；

再在右车道的一对平行的终端设备和左车道的一对平行的终端设备之间均匀设置多个四边形终端设备组；

所述四边形终端设备组包括：位于右车道的边缘的2个终端设备、位于左车道的边缘的2个终端设备、以及位于右车道的边缘的2个终端设备和左车道的边缘的2个终端设备构成的四边形的中心点处的终端设备。

如图5所示，一种基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，包括以下分步骤：

S1、构建并求解误差模型，消除地磁传感器的软磁效应和硬磁效应误差，得到地磁传感器数据的校准值；

S2、根据地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，得到校准后的地磁传感器；

S3、将校准后的地磁传感器输出的数据进行滤波处理，得到滤波数据；

S4、记录车辆经过时间段内的滤波数据，取相邻地磁传感器的各自滤波数据的最大值(车辆在离某一地磁传感器最近时，该地磁传感器的滤波数据此时的值最大，在车辆连续经过两个相邻地磁传感器时，可取两个相邻地磁传感器各自的滤波数据的最大值)，再取相邻地磁传感器的各自滤波数据的最大值之间的差值，并基于该差值计算车速。

步骤S1中误差模型为：

其中，

为地磁传感器校准前输出的数据，h为地磁传感器数据的校准值，b为组合偏差，A为比例因子矩阵，ε为高斯宽带噪声，H为无扰动环境下理想的地磁传感器的测量值。

步骤S2包括以下分步骤：

S21、构建包括初始化状态S₀、有车状态S₁、无车计数状态S₂和基线更新状态S₃的基线漂移更新状态机；

S22、初始化基线漂移更新状态机，得到初始化状态S₀，在初始化状态S₀下，无车辆经过，进入无车计数状态S₂；

S23、在无车计数状态S₂下，计算出当前环境中的磁场强度信号的平均值；

S24、判断地磁传感器输出的数据是否超过平均值，若是，则记录超过平均值的数据量，若否，则跳转至步骤S23；

S25、判断数据量是否超过设定阈值，若是，则地磁传感器的基线发生了漂移，并跳转至步骤S26，若否，则地磁传感器的基线无需校准，结束分步骤；

S26、判断当前是否有车经过，若是，进入有车状态S₁，停止对地磁传感器数据的校准值的更新，等待车辆离开，并跳转至步骤S27，若否，并跳转至步骤S27；

S27、进入基线更新状态S₃，对地磁传感器数据的校准值进行更新，得到更新后的地磁传感器数据的校准值；

S28、根据更新后的地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，得到校准后的地磁传感器。

步骤S3中进行滤波处理的公式为：

其中，M_(i)为采集校准后的地磁传感器输出的第i个数据，A_(i)为采集校准后的地磁传感器输出的第i个数据的平均值，N为均值滤波窗口的长度，O_(i)为第i个微分滤波数据，ω为处理窗的长度，K为采集的数据的数量，len为微分滤波窗口长度。

步骤S4中计算车速的公式为：

其中，V为车速，f为采样频率，L为两个地磁传感器之间的距离，X为两个地磁传感器各自滤波数据的最大值之间的差值。

图6为校准后的地磁传感器输出的数据进行滤波前和滤波后的对比图，可看出滤波后数据的曲线变化缓慢，但仍然保留变化较为尖锐的部分。

在本实施例中，采用二种小型轿车进行了测试。分别是蔚来ES6和东风标致4008。

从图7中可以看到，系统认为在136至157之间在地磁传感器所在坐标是有车辆的。在车速估算方面，将参数X＝6，L＝2.25带入式(5)中与采样间隔300^ms即采样频率为3.33HZ带入式(5)。得到估计车速为2.57Km/h。在实验场景十次测试中对于小型轿车的存在检测成功率达到90％以上。对于车速的检测上限为80Km/h。对于车长的检测精度为97.9％。

Claims (10)

1.一种基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，其特征在于，包括：多个终端设备、多个路由设备、协调器、多个能量发射机、网关、路由器、互联网服务器、管理监控终端、云服务器和数据库；

所述多个路由设备分别与多个能量发射机和多个路由设备无线连接；所述多个路由设备的相邻路由设备之间互相无线连接，其还均与协调器无线连接；所述协调器还与网关无线连接；所述网关与路由器通信连接；所述路由器通过互联网服务器分别与管理监控终端、云服务器和数据库连接。

2.根据权利要求1所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，其特征在于，所述终端设备包括：电池模块、射频能量接收模块、能量收集模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块；

所述电池模块的供电端分别与处理器模块和无线通信模块电连接；所述射频能量接收模块的输出端通过能量收集模块与传感器模块连接；所述处理器模块分别与传感器模块和无线通信模块连接。

3.根据权利要求2所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，其特征在于，所述电池模块：充电管理单元、锂电池、电流过流保护单元和DC-DC单元；

所述充电管理单元的输入端与锂电池连接，其输出端与电流过流保护单元的输入端连接；所述电流过流保护单元的输出端与DC-DC单元的输入端连接；所述DC-DC单元的输出端作为电池模块的供电端；

所述充电管理单元的锂电池管理芯片型号为SW6008；

所述传感器模块包括：地磁传感器和AC/DC单元；

所述地磁传感器的输出端与AC/DC单元的输入端连接；所述AC/DC单元的输出端与处理器模块连接。

4.根据权利要求2所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，其特征在于，所述射频能量接收模块包括：接收天线、射频匹配单元和射频信号整流单元；

所述接收天线与射频匹配单元的输入端连接；所述射频匹配单元的输出端与射频信号整流单元的输入端连接；所述射频信号整流单元的输出端作为射频能量接收模块的输出端；

所述射频信号整流单元包括：变压器T1、电容C1、整流二极管D1、整流二极管D2和电容C2；

所述变压器T1的原边作为射频信号整流单元的输入端；所述变压器T1的副边的一端与电容C1的一端连接；所述电容C1的另一端分别与整流二极管D1的正极和整流二极管D2的负极连接；所述电容C2的一端与整流二极管D2的正极连接，并作为射频信号整流单元输出端的一端；所述电容C2的另一端分别与整流二极管D1的负极和变压器T1的副边的另一端连接，并作为射频信号整流单元输出端的另一端。

5.根据权利要求1所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测系统，其特征在于，所述终端设备固定于车道的方式为：在一条包括左车道和右车道的道路上，在左车道的入口设置一对平行的终端设备，该对终端设备中的其中一个位于左车道和右车道的中线上，其另一个设置于左车道的边缘；

在右车道的入口设置一对平行的终端设备，该对终端设备中的其中一个位于左车道和右车道的中线上，其另一个设置于右车道的边缘；

再在右车道的一对平行的终端设备和左车道的一对平行的终端设备之间均匀设置多个四边形终端设备组；

所述四边形终端设备组包括：位于右车道的边缘的2个终端设备、位于左车道的边缘的2个终端设备、以及位于右车道的边缘的2个终端设备和左车道的边缘的2个终端设备构成的四边形的中心点处的终端设备。

6.一种基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，其特征在于，包括以下分步骤：

S1、构建并求解误差模型，消除地磁传感器的软磁效应和硬磁效应误差，得到地磁传感器数据的校准值；

S2、根据地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，得到校准后的地磁传感器；

S3、将校准后的地磁传感器输出的数据进行滤波处理，得到滤波数据；

S4、记录车辆经过时间段内的滤波数据，取相邻地磁传感器的各自滤波数据的最大值，再取相邻地磁传感器的各自滤波数据的最大值之间的差值，并基于该差值计算车速。

7.根据权利要求6所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，其特征在于，所述步骤S1中误差模型为：

其中，

为地磁传感器校准前输出的数据，h为地磁传感器数据的校准值，b为组合偏差，A为比例因子矩阵，ε为高斯宽带噪声，H为无扰动环境下理想的地磁传感器的测量值。

8.根据权利要求6所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、构建包括初始化状态S₀、有车状态S₁、无车计数状态S₂和基线更新状态S₃的基线漂移更新状态机；

S22、初始化基线漂移更新状态机，得到初始化状态S₀，在初始化状态S₀下，无车辆经过，进入无车计数状态S₂；

S23、在无车计数状态S₂下，计算出当前环境中的磁场强度信号的平均值；

S24、判断地磁传感器输出的数据是否超过平均值，若是，则记录超过平均值的数据量，若否，则跳转至步骤S23；

S25、判断数据量是否超过设定阈值，若是，则地磁传感器的基线发生了漂移，并跳转至步骤S26，若否，则地磁传感器的基线无需校准，结束分步骤；

S26、判断当前是否有车经过，若是，进入有车状态S₁，停止对地磁传感器数据的校准值的更新，等待车辆离开，并跳转至步骤S27，若否，并跳转至步骤S27；

S27、进入基线更新状态S₃，对地磁传感器数据的校准值进行更新，得到更新后的地磁传感器数据的校准值；

S28、根据更新后的地磁传感器数据的校准值，对地磁传感器进行基线校准，得到校准后的地磁传感器。

9.根据权利要求6所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，其特征在于，所述步骤S3中进行滤波处理的公式为：

其中，M_(i)为采集校准后的地磁传感器输出的第i个数据，A_(i)为采集校准后的地磁传感器输出的第i个数据的平均值，N为均值滤波窗口的长度，O_(i)为第i个微分滤波数据，ω为处理窗的长度，K为采集的数据的数量，len为微分滤波窗口长度。

10.根据权利要求6所述的基于射频无线充电的地磁车辆检测方法，其特征在于，所述步骤S4中计算车速的公式为：

其中，V为车速，f为采样频率，L为两个地磁传感器之间的距离，X为两个地磁传感器各自滤波数据的最大值之间的差值，×为乘法运算。

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