基于ZigBee的車量數(shù)據(jù)采集器的研究

孔俊麗，王 菡，李漠辰

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

隨著智能交通行業(yè)的迅速發(fā)展，道路車輛信息的采集顯得越來越重要。目前，交通行業(yè)中大多采用視頻車輛檢測、紅外線車輛檢測以及感應(yīng)線圈車輛檢測等方法，這些傳統(tǒng)車輛檢測方法的準(zhǔn)確性受外界環(huán)境的影響比較大，通用性不是很強(qiáng)，在安置檢測設(shè)備時大都需要破壞路面，因而使其應(yīng)用范圍受限[1]。

針對傳統(tǒng)車輛檢測方法存在的各種缺點(diǎn)，為了滿足智能交通對數(shù)據(jù)采集高效準(zhǔn)確的要求，本文將傳感器和無線通信模塊進(jìn)行整合，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到車輛檢測中，利用Honeywell公司生產(chǎn)的各向異性磁阻（AMR）傳感器HMC2003，設(shè)計(jì)出一種無線車輛檢測器。

1 車輛數(shù)據(jù)采集器的總體結(jié)構(gòu)

基于無線磁阻傳感器的車輛檢測系統(tǒng)由磁阻傳感模塊、置位復(fù)位模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微控制器模塊、無線通信模塊和電源模塊7部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 信號采集模塊

檢測行駛車輛采用磁傳感器，車輛含有大量鋼鐵，從傳感器經(jīng)過時，引起周圍磁場發(fā)生變化。本文采用的傳感器是HMC2003三軸傳感器，它包含3個敏感元件，分為敏感軸 X、Y和 Z，且三軸互相垂直，分別采集與磁場相關(guān)的X軸、Y軸、Z軸方向的數(shù)據(jù)。每軸的磁阻傳感器都配置成由4個特性相同元件組成的惠斯通電橋，將磁場轉(zhuǎn)化為不同的輸出電壓。其最小可以感應(yīng)到40 μGs的磁場強(qiáng)度，而且具有1 mV/V/Gs的靈敏度以及-2～2 Gs的量程，可為低磁場的測量提供一種緊湊、高靈敏度和高可靠性的解決方法。

當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場中時，電橋薄膜的磁化極性受到破壞，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。HMC2003應(yīng)用磁開關(guān)技術(shù)（SR+/SR-），借助一個偏置磁場補(bǔ)償干擾磁場，即通過集成在芯片內(nèi)部的置位/復(fù)位合金帶對薄膜施加3～4 A、20～50 ns的脈沖電流，就可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)，統(tǒng)一到一個方向上，這樣就可確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。根據(jù)要求，置位復(fù)位電路如圖2所示。

圖2 置位復(fù)位電路

2.2 信號調(diào)理模塊

由于在HMC2003內(nèi)部，其X、Y、Z軸傳感器橋路與放大器相連，可輸出0～5 V的信號。0 Gs對應(yīng)2.5 V輸出（典型值），該電壓實(shí)際值由參考電壓Vref決定。 地球磁場通常為0.5 Gs，輸出模擬量在0.5 V～4.5 V范圍內(nèi)變化，因此，HMC2003的輸出信號不需要被放大。

由于傳感器的輸出信號中混雜著大量的干擾信號，來自車輛的發(fā)動機(jī)的干擾尤為明顯。因此在輸出信號進(jìn)入微控制器之前，要對其進(jìn)行濾波[2]。本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯五階低通濾波器。

2.3 微控制器模塊

微控制器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作和處理本身采集的數(shù)據(jù)。考慮到硬件電路和環(huán)境干擾的影響，系統(tǒng)測量的磁場范圍考慮為±600 mGs，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)若為12 bit，可測得最小磁場為600/2 048=0.296mGs，是HMC2003測得的最小磁場量的 4倍多 （HMC2003可測得的最小磁場量為 40 μGs）[3]。 因此，12 bit A/D 轉(zhuǎn)換器完全滿足要求。此外，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)特殊的工作環(huán)境，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求緊湊，電路設(shè)計(jì)低功耗，本文采用TI公司的MSP430F149微控制器，它的主要特點(diǎn)為[4]：

（1）具有 60 KB的在線可編程 Flash、2 KB的 RAM，因此在整個硬件電路上無須外加程序存儲器，體積小。

（2）處理器工作電壓為 1.8～3.6 V，功耗低，并且可以工作在系統(tǒng)省電模式下。

（3）有48個I/O引腳，每個I/O端口分別對應(yīng)輸入、輸出和功能模塊選擇。其中，P0、P1口具有中斷功能，這大大增強(qiáng)了端口的功能性和靈活性。此外，還具有多路定時/計(jì)數(shù)器、雙緩沖的兩路異步串行通信接口UART和同步串行通信接口SPI和12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，大大減小了開發(fā)的難度，提高了使用的方便性。

由以上特點(diǎn)可知，MSP430F149滿足本系統(tǒng)對微控制器模塊的設(shè)計(jì)要求。

2.4 無線通信模塊

無線通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵模塊，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)與路旁設(shè)備進(jìn)行無線通信，接收控制命令和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。本文采用CC2430，它結(jié)合了一個高性能2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級8051單片機(jī)控制器。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8 bit MCU（8051），具有 32/64/128 KB可編程閃存和 8 KB的RAM，還包含A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、看門狗定時器、AES128密保協(xié)同處理器、32 kHz晶振的休眠狀態(tài)定時器、掉電檢測功能電路和內(nèi)置上電復(fù)位電路等。

2.5 電源模塊

過車傳感器被安置于路面，工作環(huán)境惡劣，可以采用鋰電池為其供電，避免了鋪設(shè)電線的不便。電源模塊包括供電和電量檢測兩部分。供電部分為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，HMC2003的供電電壓為6～15 V，而其工作電壓為3.3 V，因此需要電壓轉(zhuǎn)換芯片。本文采用MAX17112，其能夠從2.6 V～5.5 V的輸入電壓產(chǎn)生最大20 V的輸出電壓，具有高效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)、輸入過壓保護(hù)功能和低功耗的特點(diǎn)。當(dāng)檢測到電源的電壓低于一定值時，發(fā)射模塊發(fā)射需要充電的信號，通知工作人員對車輛傳感器的電池進(jìn)行充電，電量檢測部分可及時檢測鋰電池電量，以保證傳感器工作的正常進(jìn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件功能

根據(jù)車輛檢測傳感器的功能要求，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件[5]主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)時檢測和處理AMR磁阻傳感器HM2003傳入的磁場改變（由于車輛通過）信息，定時向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）配置無線發(fā)射接收模塊，定義好發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀格式。

（3）傳感器丟失報警。傳感器會定時向上位機(jī)發(fā)送信號，如果上位機(jī)連續(xù)10次沒有接收到此信號，就認(rèn)為此傳感器丟失，便發(fā)出警報，通知工作人員處理相關(guān)問題。

（4）傳感器低壓報警。當(dāng)傳感器供電電壓低于一定值時，便向上位機(jī)發(fā)出信號，上位機(jī)即時將該信息顯示在工作窗口上，并由工作人員處理。

3.2 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

程序開始執(zhí)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括MSP430F149時鐘的設(shè)置、I/O口的設(shè)置和A/D采樣的設(shè)置等，然后對通信部分進(jìn)行設(shè)置，最后對上傳到上位機(jī)的磁場信息通過固定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。程序流程圖如圖3所示。

本文提出了一種車輛檢測器的設(shè)計(jì)方法，其基于各向異性磁阻傳感器，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)，可以靈敏地感知到車輛對地磁場的擾動，并從擾動中提取車輛信息，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。該設(shè)計(jì)還具有體積小、安裝方便、對路面破壞小和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。如果在實(shí)際道路中大規(guī)模地安裝該系統(tǒng)，可以采集大量的真實(shí)交通數(shù)據(jù)，為交通流特性的研究、道路交通事故的預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

圖3 程序流程圖

[1]韓博慧，霍宏.一種節(jié)能的無線磁敏傳感節(jié)點(diǎn)車輛檢測算法 [J].數(shù)據(jù)采集與處理，2007，22（3）：336-341.

[2]王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[3]戰(zhàn)延謀，王卓柱，陳明，等.基于 HMC1022磁引信的信號采集模塊設(shè)計(jì)[J].兵工自動化，2007，26（12）：69-70.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5]KERNIGHAN B W，RITCHIE D M.C程序設(shè)計(jì)[M].徐寶文，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]潘霓，駱樂，聞育.基于磁阻傳感器的車輛檢測算法綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（19）：245-248.