基于地磁的智能路口交通燈的設(shè)計(jì)

張 君，邵根富，楊成忠，黃 林

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)道路的十字路口紅綠燈，都是通過人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間來管理，缺乏管理系統(tǒng)自我的智能調(diào)度［1］。國(guó)內(nèi)外也有人在研究通過視頻監(jiān)控，超聲波，地感等等途徑來獲取車輛道路信息，但這些都存在著不同的問題，視頻監(jiān)控沒法在大霧天氣采集數(shù)據(jù)，超聲波對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求很高，地感線圈容易被壓壞等等［2］。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過地磁檢測(cè)終端檢測(cè)交通指標(biāo)不受上述條件限制，采用實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)高層的處理器，并通過高層運(yùn)算調(diào)度來達(dá)到管理系統(tǒng)自身的實(shí)時(shí)智能調(diào)度。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本套智能系統(tǒng)主要有檢測(cè)終端、道路網(wǎng)關(guān)、路口路由和以及總服務(wù)器組成，如圖1所示。

檢測(cè)終端主要負(fù)責(zé)各自車道上交通指標(biāo)的檢測(cè)，然后通過485總線將交通信息傳遞給車道網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將整條車道信息進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)整理，然后將處理好的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給路口路由器，不同路口的路由將各自的信息打包，通過光纖傳遞給總服務(wù)器。

圖1 智能系統(tǒng)總架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)整體布局

檢測(cè)傳感器按照區(qū)域進(jìn)行控制，十字路口分成4個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域的傳感器通過分區(qū)地磁車輛檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)集中處理，分區(qū)地磁車輛檢測(cè)器與傳感器之間通過電源線與網(wǎng)絡(luò)總線連接，電源供電為直流，網(wǎng)絡(luò)采用2線制現(xiàn)場(chǎng)總線，如圖2所示。

2 系統(tǒng)平臺(tái)搭建

2.1 檢測(cè)終端模塊的設(shè)計(jì)

2.1.1 檢測(cè)原理

地球表面存在著約0.6Gs的磁場(chǎng)。車輛可以看成一個(gè)大的鐵磁物質(zhì)，當(dāng)車輛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，可以看成是一個(gè)磁偶極子模型，如圖3所示:

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)布局

圖3 車輛周圍磁場(chǎng)的磁偶極子模型

圖3中，將車輛看成一對(duì)點(diǎn)電荷，相距2d，傳感器位于原點(diǎn)，設(shè)點(diǎn)電荷相對(duì)不變，在原點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)為:

偶極子在原點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨位置的改變而有規(guī)律的變化，根據(jù)此原理，可通過檢測(cè)車輛行駛時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度來獲得交通流信息。

2.1.2 檢測(cè)終端設(shè)計(jì)

由于采樣所得信號(hào)較小，所以本文設(shè)計(jì)了一個(gè)前置放大電路，放大電路采用的是精密、高輸入阻抗的儀表放大器AD620構(gòu)成的差動(dòng)放大器，如圖4所示:

檢測(cè)模塊通過正負(fù)15V的直流供電，而傳感器是使用5V直流供電，檢測(cè)的信號(hào)量通過一個(gè)運(yùn)放將信號(hào)放大，然后傳入MCU的AD1。

圖4 檢測(cè)終端原理圖

2.2 車道網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

車道網(wǎng)關(guān)需要負(fù)責(zé)一個(gè)出車道3排和右邊入車道1排共4排檢測(cè)終端的數(shù)據(jù)接收、數(shù)字濾波、融合并發(fā)送給路口路由器的工作，選用的是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器。模塊硬件框圖如圖5所示:

圖5 道路網(wǎng)關(guān)模塊框圖

2.3 路口路由設(shè)計(jì)

路口路由需要接收整個(gè)路口共4個(gè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過光纖傳給交通控制中心。路由器需要解析控制中心的調(diào)度指令，對(duì)路口的紅綠燈進(jìn)行控制，同時(shí)也可根據(jù)獲取的信息自主選擇運(yùn)行不同的時(shí)間分配方案。模塊硬件框圖如圖6所示:

圖6 路由器模塊框圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與傳送，系統(tǒng)在開始時(shí)傳感器進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，然后對(duì)檢測(cè)環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)，接著一直檢測(cè)周圍磁場(chǎng)狀況，并通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值到達(dá)20時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)，并將計(jì)數(shù)器清零。檢測(cè)終端軟件流程如圖7所示:

圖7 軟件流程圖

3 結(jié)束語

基于地磁的車檢對(duì)環(huán)境的依賴小，可以通過與視頻類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，以獲取更加準(zhǔn)確的交通狀態(tài)信息，從而在智能交通上提供更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。

［1］ Baillieul B J，Antsaklis P J.Research on Intelligent Transportation Systems in Taiwan［C］.Kunming:Proceedings Of the 27th Chinese Control Conference，2007:9 －28.

［2］ 高飛燕.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2005:128－129.

［3］ 劉軍.例說STM32［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:1－28.

［4］ Neil White.Intelligent Sensors［M］.Shanghai:Sensor Review，1997:97 －98.

［5］ 徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:2－32.

［6］ 王澤民，胡波.坡莫合金磁阻傳感器的應(yīng)用探討［M］.北京:科學(xué)出版社，2005:47－49.