基于磁阻傳感器的無線車輛檢測器的設計

孔俊麗，周重陽，朱雨婷

（中國礦業(yè)大學 機電與信息工程學院，北京 100083）

車輛檢測技術作為智能交通系統(tǒng)研究的關鍵技術之一，通過獲取交通流量、車輛行駛速度等交通參數(shù)，為路面監(jiān)控和管理提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的車輛檢測技術包括感應線圈檢測器、視頻檢測器和超聲波檢測器等。感應線圈檢測器在安裝過程中會對路面造成破壞，影響公路的使用壽命；視頻檢測器的數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響；超聲波檢測器維護和安裝成本較高[1]。

針對傳統(tǒng)車輛檢測技術存在的各種缺點，基于各向異性磁阻（ARM）傳感器，并結合 ZigBee技術，設計了一款安裝方便、受環(huán)境影響小、穩(wěn)定性高且成本低廉的無線車輛檢測器。

1 各向異性磁阻（ARM）傳感器的基本原理

各向異性磁阻效應是指鐵磁金屬或合金的電阻隨磁化方向和電流方向夾角的變化而變化，當夾角為0°時，電阻最大。ARM傳感器用4個磁電阻組成惠斯通電橋實現(xiàn)輸出電壓隨電阻的變化而變化[2]，如圖1所示。設偏置磁場 H與 R1夾角為 θ，則H與R2夾角為（90°-θ）。磁電阻的變化服從式（1）：

其中，R⊥為磁化方向與電流方向垂直時的電阻值；R∥為磁化方向與電流方向平行時的電阻值。

圖1 ARM傳感器的惠斯通電橋

由圖1可知：輸出電壓Uout為：

由式（4）可知，被測磁場引起 θ的變化，從而轉化為輸出電壓而表現(xiàn)出來，這樣就將磁信號轉變成了電信號。

2 無線車輛檢測器的硬件系統(tǒng)總體結構

2.1 無線車輛檢測器網(wǎng)絡

無線車輛檢測器網(wǎng)絡由檢測節(jié)點、匯聚節(jié)點及上位機組成，采用ZigBee星形網(wǎng)絡拓撲結構，如圖2所示。

圖2 無線車輛檢測器網(wǎng)絡

圖2中，檢測節(jié)點（A1、A2）可檢測并傳遞數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點（B）負責收集兩個檢測節(jié)點檢測到的數(shù)據(jù)，上位機控制中心處理、顯示上傳的數(shù)據(jù)并對匯聚節(jié)點下達操作指令，匯聚節(jié)點再將指令發(fā)送到檢測節(jié)點執(zhí)行。

2.2 無線車輛檢測器檢測節(jié)點的硬件框圖

無線車輛檢測器節(jié)點主要包括傳感器模塊、信號調理模塊、處理器模塊、ZigBee無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲和電源管理模塊，硬件框圖如圖3所示。

圖3 無線車輛檢測器檢測節(jié)點硬件框圖

3 無線車輛檢測器檢測節(jié)點硬件設計

3.1 磁阻傳感器

磁阻傳感器負責檢測車輛信號，采用霍尼韋爾磁阻傳感器 HMC2003。HMC2003為三軸 AMR傳感器，由3個相互垂直的惠斯通電橋組成，能測量空間三維方向的磁場，提供豐富的磁場信息。具有±2 Gs的較寬測量范圍，40 μGs的高分辨率，1.0 V/Gs的高靈敏度，溫度特性好、可靠性高且體積小。它自帶偏置和置位/復位管腳，在遇到強磁場干擾時，在其置位管腳上加強的脈沖電流，可以使電阻磁疇排列有序地統(tǒng)一到一個方向，保證HMC2003最佳的工作特性，確保讀數(shù)的可重復性和測量結果的準確性。

3.2 置位/復位電路

將在微處理器控制下生成的 3～4 A、40 ns的置位/復位脈沖施加到HMC2003的SR+管腳上，如圖4所示。在微處理器控制下生成的置位/復位脈沖控制P和N通道驅動器 （IRF7106）。此電路可以確保一個IRF7106開通之前另一個已被斷開[3]。

3.3 信號調理電路

圖4 置位復位電路

HMC2003的 X、Y、Z軸輸出的電壓范圍是 0～+5 V。當磁場值為0 Gs時，輸出2.5 V電壓；當?shù)厍虼艌鲋禐?.5～0.6 Gs，輸出模擬量可在 2.5～4.5 V范圍內變化。因此，HMC2003的輸出信號不需要經(jīng)過放大環(huán)節(jié)。由于HMC2003的輸出信號中有來自如車載電子設備等的干擾信號，因此需要將信號進行濾波。本設計采用巴特沃斯五階低通濾波器MAX7414。其是一種開關電容式濾波器，功耗低（工作模式只需 1.2 mA，休眠模式為 0.2 μA，2.7 V～3.6 V電源供電），體積小。只需一個電容就可以控制時鐘周期，從而設置濾波截止頻率，令Cosc=10 000 pF，使其截止頻率為 30 Hz。

3.4 數(shù)據(jù)處理、存儲和發(fā)射模塊

CC2430結合了一個高性能的2.4 GHz直接序列擴頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的增強型8051控制器。單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，包含8～14 bit的模數(shù)轉換器（ADC）、定時器、掉電檢測電路等，只需很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。

進行交通量數(shù)據(jù)檢測的時間要求精度為毫秒級，CC2430的 A/D轉換時間在 14 bit時為 132 μs，能夠滿足要求。為節(jié)省電能和減小體積，可以使用CC2430本身的ADC進行數(shù)據(jù)檢測。另外，由于單個無線車輛檢測器檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)量不大，可直接用CC2430中的存儲器，而不外加存儲芯片。

因此，可以使用CC2430芯片實現(xiàn)A/D轉換功能、微處理器功能以及ZigBee無線發(fā)射功能，降低了電路設計的復雜性。

3.5 電源模塊

電源模塊負責調理電壓、分配能量。HMC2003與置位/復位電路的工作電壓為 6～15 V，從降低功耗和產(chǎn)生有效的置位/復位脈沖的角度考慮，這兩個模塊采用12 V供電。信號調理模塊采用的MAX7414工作電壓為2.7～3.6 V，數(shù)據(jù)處理、存儲和發(fā)射模塊采用的CC2430的工作電壓為2.0～3.6 V，可選用3.3 V為二者的工作電壓。為滿足檢測節(jié)點中各模塊的工作電壓需要，電源模塊應提供12 V和3.3 V兩組電壓。

12 V的直流直接由干電池提供，通過低壓差線性穩(wěn)壓器MAX8881將12 V轉換成MAX7414和CC2430工作所需的3.3 V。

MAX8881具有2.5～12 V的電壓輸入范圍，可固定輸出3.3 V電壓，具有電流限制和熱保護功能，功耗低（工作時電流損耗為 3.5 μA，睡眠狀態(tài)下電流損耗為1.5 μA）。在空閑時，通過簡單的管腳連接，使其進入關斷狀態(tài)，從而減少電池損耗，增強電池壽命。

4 實驗測試

在實驗中，HMC2003的X軸指南，Y軸指西，Z軸豎直向上。將兩個檢測節(jié)點相隔100 m水平放置在實驗路面上。一輛出租車由北向南從檢測節(jié)點正上方以20 km/h的速度勻速通過，其中一個節(jié)點X、Y、Z三軸的檢測結果在上位機顯示，如圖5所示。

圖5 上位機顯示的電壓信號

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在出租車開始行使到經(jīng)過檢測節(jié)點，再到離開檢測節(jié)點的過程中，X、Y、X三軸的電壓均發(fā)生波動，因此，該無線車輛檢測器可以判斷車輛的有無，進而判斷車流量。

當車輛正向行駛時，磁場先減弱后增強[4]，X軸的電壓變化準確地反映了車輛的行駛方向。車輛行駛過程中，車輪中的鐵磁性物質對地磁場的干擾引起Y軸電壓的變化。分析Z軸電壓的變化，第一個波峰值較小且持續(xù)時間較短，可能是外界環(huán)境中的電磁干擾造成的。第二、第三個電壓波峰值分別來自出租車前軸和后軸中大量鐵磁性物質的干擾。第三個電壓波峰值較大，是出租車后備箱中放置的鐵磁性物質所致。

實驗中設置了兩個檢測節(jié)點，它們都會記錄出租車前軸到達的時間，上位機通過固定算法[5]計算得到出租車速度為 19.7 km/h，車長為 4 m，因此，該無線車輛檢測器具有一定的準確性。

由于根據(jù)車輛的速度與長度可以對車輛進行分類，所以此檢測器具備對車輛進行分類的功能。

本文提出了一種基于各向異性磁阻傳感器的無線車輛檢測器，其具有安裝方便、不對路面造成破壞以及測量結果準確的優(yōu)點。為了提高車輛分類的準確性，應進一步優(yōu)化對數(shù)據(jù)進行處理的算法。

[1]彭春華，劉建業(yè)，劉岳峰，等.車輛檢測傳感器綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（6）：4-8.

[2]裴軼，虞南方，劉奇，等.各向異性磁阻傳感器的原理及其應用[J].儀表技術與傳感器，2004（8）：26-28.

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[4]馬飛，李娜，呂玉祥.基于各向異性磁阻傳感器的車輛監(jiān)測系統(tǒng)設計 [J].微型機與應用，2011，30（5）：118-120.

[5]SEBASTIA J P， LLUCH J A， VIZCAINO J R L.Signal conditioning for GMR magnetic sensors applied to traffic speed monitoring GMR sensors[J].Sensors and Actuators A：Physical， 2007， 137（2）：230-235.