基于巨磁阻傳感器的交通流量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

【摘要】通過(guò)介紹巨磁阻傳感器的原理以及車(chē)輛引起地球磁場(chǎng)擾動(dòng)的特性，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)確可靠的交通流量采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)內(nèi)各部分的組成及功能。

【關(guān)鍵詞】巨磁阻傳感器；地磁檢測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；交通流量采集系統(tǒng)；智能交通

1.引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，路網(wǎng)通行能力日益滿足不了快速增長(zhǎng)的交通需求，交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

傳統(tǒng)的分時(shí)段固定配時(shí)控制交通信號(hào)燈的方式已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的交通需求，為了有效緩解城市交通壓力，提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率，很多國(guó)家都在研究智能化的交通控制方案，即基于交通流量智能調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈時(shí)間[1]。因此，交通流量信息采集的準(zhǔn)確與否就成為了智能交通系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵[2]。鑒于此，本文通過(guò)分析車(chē)輛引起地球磁場(chǎng)擾動(dòng)的特性，將先進(jìn)的巨磁阻傳感器檢測(cè)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)了一種交通流量采集系統(tǒng)。

2.交通流量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 交通流量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交通流量采集系統(tǒng)由車(chē)輛檢測(cè)器、無(wú)線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配模塊等組成，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

將車(chē)輛檢測(cè)器安裝在車(chē)道中間，通過(guò)巨磁阻傳感器檢測(cè)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)引起的地球磁場(chǎng)變化來(lái)判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，然后將車(chē)輛有無(wú)信息通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將各車(chē)道信息匯總后直接輸出RS485信號(hào)或者經(jīng)接口適配模塊轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)/TTL信號(hào)給路邊的交通信號(hào)機(jī)，交通信號(hào)機(jī)再根據(jù)預(yù)設(shè)的算法智能地調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間。對(duì)較大路口還需要添加無(wú)線路由模塊，它負(fù)責(zé)信號(hào)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)。車(chē)輛檢測(cè)器、無(wú)線路由模塊、區(qū)域控制器組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，信息可以雙向傳遞，固件可以在線升級(jí)。

2.2 巨磁阻效應(yīng)及車(chē)輛檢測(cè)原理

2.2.1 巨磁阻效應(yīng)

所謂巨磁阻效應(yīng)[3]，是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。

利用該效應(yīng)可以制作巨磁阻傳感器。

2.2.2 車(chē)輛檢測(cè)原理

地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，會(huì)在空間上產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度平均約為0.5GS的矢量磁場(chǎng)，雖然地磁場(chǎng)隨著地域的不同而有所變化，但是在幾公里內(nèi)的區(qū)域里，地磁場(chǎng)大小可以認(rèn)為是一定的，可能會(huì)因?yàn)闇囟鹊仍蛴胁▌?dòng)，但波動(dòng)很小，因此在沒(méi)有外界因素干擾的情況下，我們可以認(rèn)為地磁場(chǎng)基本保持恒定[4]。

大的鐵磁物質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈的干擾地球磁場(chǎng)，引起地球磁場(chǎng)的畸變[5]，如圖2所示。

而車(chē)輛的絕大部分是由金屬部件構(gòu)成，當(dāng)它移動(dòng)時(shí)，會(huì)強(qiáng)烈的干擾地球磁場(chǎng)。這些擾動(dòng)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輪處尤為明顯[6]，如圖3所示[5]。該擾動(dòng)能很容易的被巨磁阻傳感器探測(cè)到，因此可以用巨磁阻傳感器探測(cè)車(chē)輛存在和通過(guò)等信息。

2.3 ZigBee協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee協(xié)議是一種短距離、大容量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)協(xié)議，主要用于近距離無(wú)線連接，以多跳接力的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信[7]。其低功耗、短時(shí)延、大容量、自組網(wǎng)等特點(diǎn)使得ZigBee協(xié)議通信技術(shù)非常適合應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域[8]。

ZigBee協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，區(qū)域控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和運(yùn)行。車(chē)輛檢測(cè)器是網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。為了保證通信質(zhì)量，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)還需要添加無(wú)線路由模塊，無(wú)線路由模塊屬于中繼節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.系統(tǒng)各部分組成及功能

交通流量采集系統(tǒng)由車(chē)輛檢測(cè)器、無(wú)線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配器等組成。

3.1 地磁式車(chē)輛檢測(cè)器

目前，國(guó)際上常用的車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)主要基于視頻、微波、環(huán)形線圈等，其中視頻檢測(cè)成本高且在夜間及惡劣天氣條件下檢測(cè)準(zhǔn)確率低，微波多應(yīng)用于高速路段的車(chē)速檢測(cè)，安裝方便，但易受周?chē)h(huán)境影響，不易推廣，環(huán)形線圈精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但安裝及更換需要大面積開(kāi)鑿路面且線圈受車(chē)輛碾壓極易損壞，也無(wú)法推廣[9][10]。鑒于此，本文采用國(guó)際上最先進(jìn)的GMR傳感器，結(jié)合微功耗技術(shù)設(shè)計(jì)了地磁式車(chē)輛檢測(cè)器。該車(chē)輛檢測(cè)器體積小，檢測(cè)精度達(dá)92%以上，且檢測(cè)精度不受環(huán)境影響，防護(hù)等級(jí)滿足IP68，另外，使用時(shí)將該傳感器地埋式安裝在車(chē)道下方，不影響市容市貌。

地磁式車(chē)輛檢測(cè)器由巨磁阻傳感器（GMR）、磁驅(qū)動(dòng)電路、MCU單元、無(wú)線通信模塊和電池組成。如圖4所示。

采用巨磁阻傳感器作為磁檢測(cè)探頭，每個(gè)車(chē)輛檢測(cè)器包含三個(gè)磁檢測(cè)探頭，分別測(cè)量x、y、z三個(gè)軸磁場(chǎng)值，其中x、y、z三軸兩兩正交。磁驅(qū)動(dòng)芯片控制GMR傳感器進(jìn)行磁場(chǎng)采集，并將采集到的模擬量經(jīng)過(guò)一定的處理后輸出數(shù)字量給MCU單元，MCU單元將得到的數(shù)字量經(jīng)過(guò)車(chē)輛判別算法處理后得到車(chē)輛有無(wú)的信息，然后將該信息通過(guò)無(wú)線通信模塊傳輸至上層系統(tǒng)，通信頻段為2.4Ghz。

為了避免采用外部供電，該車(chē)輛檢測(cè)器采用MSP430等超低功耗單片機(jī)作為處理器，硬件上優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，軟件上通過(guò)休眠、I/O配置操作及節(jié)能算法等實(shí)現(xiàn)微功耗。功耗可以降到uA級(jí)別，采用小容量鋰電池供電即可工作7～10年。

3.2 區(qū)域控制器

區(qū)域控制器由無(wú)線通信模塊，MCU單元，232電路，485電路，供電電路和各種對(duì)外接口組成。

一方面，無(wú)線通信模塊接收各車(chē)輛檢測(cè)器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)， MCU單元對(duì)收集到的各車(chē)道信息進(jìn)行匯總處理，并經(jīng)485電路轉(zhuǎn)換成485信號(hào)輸出。另一方面，可將區(qū)域控制器通過(guò)232接口與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件對(duì)區(qū)域控制器進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域控制器進(jìn)行區(qū)號(hào)更改，對(duì)無(wú)線路由模塊進(jìn)行區(qū)號(hào)和編號(hào)更改，對(duì)車(chē)輛檢測(cè)器進(jìn)行區(qū)號(hào)、編號(hào)更改，閾值更改，采樣頻率更改等操作，實(shí)現(xiàn)固件的在線更新升級(jí)。根據(jù)后端交通信號(hào)機(jī)的接口類(lèi)型，區(qū)域控制器可以直接輸出RS485信號(hào)，或者經(jīng)接口適配器輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)/TTL電平信號(hào)。

3.3 無(wú)線路由模塊

為了擴(kuò)展無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的容量和無(wú)線通信的可靠性，有時(shí)需要根據(jù)路口實(shí)際情況，增加一定數(shù)量的無(wú)線路由模塊，一般增加1～2個(gè)即可。無(wú)線路由模塊作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的中繼，可以與車(chē)輛檢測(cè)器，區(qū)域控制器以及其他無(wú)線路由模塊進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛檢測(cè)信息的轉(zhuǎn)發(fā)和無(wú)線命令的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.4 接口適配器

當(dāng)后端交通信號(hào)機(jī)可以直接接收485信號(hào)時(shí)，區(qū)域控制器可以通過(guò)485接口將信息直接發(fā)送給信號(hào)機(jī)，當(dāng)后端交通信號(hào)機(jī)只能識(shí)別開(kāi)關(guān)信號(hào)或TTL信號(hào)時(shí)，就需要在區(qū)域控制器后增加一級(jí)接口適配器。

接口適配器通過(guò)485接口，接收區(qū)域控制器匯總的各個(gè)車(chē)道車(chē)輛有無(wú)信息，然后將各個(gè)車(chē)道的車(chē)輛有無(wú)信息轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)或TTL電平信號(hào)給交通信號(hào)機(jī)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合巨磁阻傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究出一套準(zhǔn)確可靠的交通流量采集系統(tǒng)，將其應(yīng)用于實(shí)際交通路口，將大大提高城市交通系統(tǒng)運(yùn)行效率，解決城市日趨嚴(yán)重的“出行難”問(wèn)題，必將在世界范圍內(nèi)受到大力推廣。

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作者簡(jiǎn)介：李坤（1987—），男， 2012年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士，助理工程師，現(xiàn)供職于中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，主要研究方向：測(cè)控技術(shù)、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)。