磁阻傳感器在車流檢測(cè)中的應(yīng)用

【摘要】為了緩解城市交通擁堵，研究了一種基于磁阻傳感器的車流量檢測(cè)系統(tǒng)，磁阻傳感器能將車輛引起的地磁擾動(dòng)轉(zhuǎn)換為清晰的電壓信號(hào)輸出。該系統(tǒng)包含了信號(hào)放大模塊、無(wú)線通信模塊等，多個(gè)地磁傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信模塊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，將檢測(cè)到的車流信息反饋到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)路口車流的檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】磁阻傳感器；車流量檢測(cè)

1.引言

如何緩解城市交通擁堵、提高道路通行能力已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要研究解決的課題。如果可以根據(jù)各車道車流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈的智能化控制，合理地分配交通信號(hào)燈控制時(shí)間，那么就可以提高交通系統(tǒng)效率，緩解交通擁堵現(xiàn)象。為獲取車流量相關(guān)數(shù)據(jù)必須設(shè)計(jì)一個(gè)道路車流量檢測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)車流量檢測(cè)系統(tǒng)的需求，本文介紹了磁阻傳感器車流量檢測(cè)原理，采用雙軸磁阻傳感器HMC1022和無(wú)線通信模塊技術(shù)設(shè)計(jì)了一種車流量檢測(cè)系統(tǒng)。

2.檢測(cè)原理

地磁車輛檢測(cè)器是基于磁阻傳感器的車輛檢測(cè)技術(shù)，具有尺寸小、安裝方便、對(duì)非鐵磁性物體無(wú)反應(yīng)、可靠性高等特點(diǎn)。磁阻傳感器主要利用鎳鐵導(dǎo)磁合金的磁阻效應(yīng)。磁阻傳感器的基礎(chǔ)元件是惠斯通電橋，組成電橋的電阻由鎳鐵導(dǎo)磁合金材料制成，該電阻的電阻值與偏置電流和磁場(chǎng)矢量之間的夾角存在一定的函數(shù)關(guān)系。

地球磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱，在最強(qiáng)的兩極其強(qiáng)度不到1mT，平均強(qiáng)度約為0.06mT。車輛本身含有的鐵磁物質(zhì)會(huì)對(duì)車輛存在區(qū)域的地磁信號(hào)產(chǎn)生影響，使車輛所在區(qū)域的地球磁力線發(fā)生彎曲。在一個(gè)有限的空間里，地球磁場(chǎng)可以看成是均勻的，當(dāng)這個(gè)均勻磁場(chǎng)被鐵磁性材料（如鐵、鋼、鎳、鈷等）擾動(dòng)時(shí)，它的均勻性就會(huì)受到破壞。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)傳感器附近，傳感器能夠靈敏感知到信號(hào)的變化，經(jīng)信號(hào)分析就可以得到檢測(cè)路面的車流信息。

3.硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制基礎(chǔ)，以HMC1022為信息采集傳感器的單節(jié)點(diǎn)分布式車流量信息采集與控制系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)由雙軸磁阻傳感器HMC1022、XL02-232AP1無(wú)線通信模塊和電源組成。與HMC1001/1002、其他三軸磁阻傳感器相比，HMC1022具有更低功耗，同時(shí)減少了周邊電路，節(jié)點(diǎn)最大能量主要消耗在無(wú)線發(fā)送與接收數(shù)據(jù)時(shí)刻。多個(gè)地磁傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口無(wú)線通信模塊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連，將檢測(cè)到的車流信息反饋到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)路口車流量的檢測(cè)。該系統(tǒng)包含了信號(hào)放大模塊、無(wú)線通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳感器置位/復(fù)位模塊等。車流量檢測(cè)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

3.1 無(wú)線通信模塊

本文選用Honeywell生產(chǎn)的一種雙軸磁阻傳感器HMC1022，其具有體積小、靈敏度高、價(jià)格低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。HMC1022靈敏度可達(dá)1mV/V/Gs，線性誤差為0.1%，滯后誤差和可重復(fù)性誤差也都很小，可以達(dá)到0.05%。

由于磁阻傳感器大約僅有幾米的檢測(cè)范圍，而且磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度隨著距離增大而線性衰減。實(shí)際應(yīng)用中，我們通常將傳感器置于車道中間。為了不影響交通的正常運(yùn)行，本文采用XL02-232AP1無(wú)線通信模塊，該模塊采用高性能工業(yè)級(jí)單片機(jī)，其抗干擾性好，通信穩(wěn)定可靠。其通信信道為半雙工，可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，使用簡(jiǎn)單，模塊正常工作時(shí)默認(rèn)在數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。本設(shè)計(jì)使XL02-232AP1模塊工作在一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，這種通信方式需設(shè)置一個(gè)模塊為主站，其余為從站，各個(gè)站都預(yù)設(shè)有一個(gè)唯一的地址碼，并且主站默認(rèn)處于接收狀態(tài)，所有的從站默認(rèn)都處于發(fā)送狀態(tài)。各從站皆采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，主站接收全部從站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)的地址碼判斷是哪個(gè)車道檢測(cè)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的交通燈信號(hào)控制。這些工作通過(guò)上層協(xié)議來(lái)完成，可保證主站及時(shí)接收到從站發(fā)送的數(shù)據(jù)，以免相互干擾，造成丟幀現(xiàn)象。

XL02-232AP1無(wú)線通信模塊采用+5V的直流電源供電，最大工作電流不超過(guò)60mA，電源可以和其他設(shè)備共用，但要注意電源的質(zhì)量和接地的可靠性。隨著中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，可以考慮采用太陽(yáng)能為該系統(tǒng)供電。使用時(shí)將無(wú)線通信模塊的數(shù)據(jù)輸出端TxD接單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端RxD，模塊的數(shù)據(jù)輸入端RxD接單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端TxD。模塊的SET端為設(shè)置參數(shù)狀態(tài)端口，進(jìn)入設(shè)置模式時(shí)，需先將此端口拉低，再給模塊上電，此時(shí)綠燈長(zhǎng)亮，進(jìn)入設(shè)置模式。參數(shù)設(shè)置好后，平時(shí)正常工作時(shí)將該端口懸空即可。

3.2 傳感器置位/復(fù)位模塊

當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中，容易受到大磁場(chǎng)的干擾影響。當(dāng)磁阻傳感器的檢測(cè)磁場(chǎng)超出±6Gs范圍，傳感器的輸出將不再保持線性關(guān)系，其靈敏度也將隨之降低，從而引起輸出信號(hào)的衰變，將無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)弱信號(hào)磁場(chǎng)。為避免這種情況出現(xiàn)，影響檢測(cè)精度，將脈沖信號(hào)施加到HMC1022芯片自帶的內(nèi)集成置位/復(fù)位電流帶，以恢復(fù)其原來(lái)的高靈敏度。本設(shè)計(jì)中MOSFET開(kāi)關(guān)管選用增強(qiáng)型高壓場(chǎng)效應(yīng)管AO4606。由單片機(jī)定時(shí)器模塊在每隔100ms的高電平后產(chǎn)生一個(gè)不小于2us脈寬的低電平時(shí)鐘信號(hào)，從而切換MOS管的導(dǎo)通和截止，產(chǎn)生可控制置位/復(fù)位電流帶的脈沖信號(hào)。

4.算法實(shí)現(xiàn)

鑒于該系統(tǒng)要求傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)能通過(guò)無(wú)線通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，且單片機(jī)存儲(chǔ)空間有限，車流量檢測(cè)算法不能消耗單片機(jī)太多存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間。Ding等提出多中間狀態(tài)機(jī)算法，該算法計(jì)算簡(jiǎn)單、精度高，并且能在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中得到實(shí)時(shí)結(jié)果。

多中間狀態(tài)機(jī)包括5個(gè)狀態(tài)：nocar、car、count0、count00以及count1。輸入為u（k），中間狀態(tài)為count0、count00，輸出為car、nocar。首先，將磁阻傳感器HMC1022檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)平均處理算法處理后得到f（k），再將f（k）轉(zhuǎn)換為二值化信號(hào)u（k）作為狀態(tài)機(jī)輸入，并設(shè)定閥值T（k），當(dāng)f（k）≥T（k）時(shí)，u（k）=1，當(dāng)f（k）

與單中間狀態(tài)機(jī)算法相比，多中間狀態(tài)機(jī)算法不僅可以判斷車輛何時(shí)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，而且增加了判斷車輛離開(kāi)檢測(cè)器的中間狀態(tài)，能夠更好地從時(shí)間序列中提取車輛信息，因此，能有效避免由于干擾造成的誤判。

5.測(cè)試與結(jié)論

本檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在道路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試得到的。根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)安放位置不同、傳感器敏感軸的安置方向不同等多種情況分別進(jìn)行測(cè)試，采集相應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)變化信息，并進(jìn)行分類對(duì)比與分析。

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)A和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)B分別安置于車道中央和車道邊緣，車輛行駛方向?yàn)閺奈髦翓|，如圖2所示。改變磁阻傳感器敏感軸X軸的方向，以X軸正方向?yàn)闃?biāo)志，使其分別朝向東、西、南、北方位，測(cè)試來(lái)車時(shí)該檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的磁場(chǎng)變化。

對(duì)比分析檢測(cè)節(jié)點(diǎn)A和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)B的測(cè)試波形，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上方通過(guò)時(shí)，檢測(cè)值有著明顯的變化，而車輛從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)旁邊通過(guò)時(shí)，檢測(cè)值雖有變化，但不明顯。根據(jù)此不同變化特征，可將檢測(cè)節(jié)點(diǎn)安置于道路各車道中央，既可以精確地辨別該車道是否有車輛經(jīng)過(guò)，又可以有效地防止旁邊車道車輛經(jīng)過(guò)時(shí)引起的干擾，避免誤檢現(xiàn)象發(fā)生。

6.結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，該車流量檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛具有很好的檢測(cè)效果，同時(shí)算法簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，適合應(yīng)用于單片機(jī)上。檢測(cè)系統(tǒng)具備傳感器節(jié)點(diǎn)成本低、體積小、無(wú)須布線等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域的車輛檢測(cè)。

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