基于地磁信號(hào)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳虹安，劉智勇，阮太元（1.五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 5900；.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 59000）

基于地磁信號(hào)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳虹安1,2，劉智勇1,2，阮太元2
（1.五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529000）

地磁檢測(cè)是一種新型的車輛檢測(cè)技術(shù)，但是目前市面上的地磁檢測(cè)設(shè)備受到采樣速率和精度的限制，其準(zhǔn)確度仍不能滿足實(shí)際需要.本文研發(fā)了一款基于HMC5983集成模塊的地磁檢測(cè)設(shè)備，它由地磁傳感器、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)及其配套軟件構(gòu)成，能把車輛引起的地磁擾動(dòng)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，通過對(duì)電壓信號(hào)的監(jiān)測(cè)最終實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)檢測(cè).實(shí)際道路驗(yàn)證表明，本系統(tǒng)的采樣 速 率 220 Hz、準(zhǔn)確率 9 8.7%.

地磁檢測(cè)；車流量檢測(cè)；防脈沖干擾平均濾波算法；狀態(tài)機(jī)檢測(cè)算法

車輛檢測(cè)是構(gòu)建交通信號(hào)控制系統(tǒng)和交通信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在使用較為廣泛的車輛檢測(cè)技術(shù)主要包括感應(yīng)線圈、視頻和波頻等［1-2］.作為一種新興的檢測(cè)技術(shù)，地磁車輛檢測(cè)以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)引起了較多的關(guān)注.相對(duì)于其他技術(shù)而言，它具有占用空間更小、安裝更加方便、受環(huán)境限制小及可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).因此，具有巨大的研究價(jià)值與發(fā)展?jié)摿?地磁檢測(cè)的原理是將車輛經(jīng)過時(shí)引起的地磁擾動(dòng)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào).目前，市面上已有不少基于地磁檢測(cè)的車流量檢測(cè)設(shè)備［3-4］，但是受到采樣速率和精度的限制，其準(zhǔn)確度仍不能滿足實(shí)際需要.基于此，本文研發(fā)了一款基于地磁感應(yīng)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)并用于實(shí)踐，以期可以滿足交通信號(hào)控制系統(tǒng)或交通信息系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的需求.

1 地磁車輛檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地球本身是一個(gè)弱磁體，其磁場強(qiáng)度大小在一定范圍內(nèi)可認(rèn)為是均勻分布的.但當(dāng)大型金屬物體如汽車經(jīng)過時(shí)，會(huì)引起地球磁場的擾動(dòng)；當(dāng)?shù)厍虼艌霭l(fā)生變化時(shí)，某些特殊材料的電阻值會(huì)隨之而變化［5］.磁阻傳感器的基礎(chǔ)部分是惠斯通電橋，其4個(gè)橋臂電阻就是由這些特殊材料制成的，當(dāng)?shù)厍虼艌霭l(fā)生變化，輸出電壓會(huì)隨著橋臂阻值的變化而變化，以此實(shí)現(xiàn)從磁場變化到差分電壓變化的轉(zhuǎn)換.

本文設(shè)計(jì)的地磁檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括基于磁阻效應(yīng)的地磁傳感器、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)及其配套軟件等.其中，地磁傳感器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理和無線發(fā)送；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)；上位機(jī)（即PC機(jī)）負(fù)責(zé)記錄結(jié)果.

圖1 地磁車輛檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成及電路設(shè)計(jì)

地磁系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)主要采用HMC5983芯片、CC2530芯片、無線AF通訊電路、電源及相關(guān)電路設(shè)計(jì)而成，其構(gòu)成及裸板如圖2、圖3所示.其中HMC5983主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集地磁變化信號(hào)，CC2530負(fù)責(zé)讀取采集到的信號(hào)并進(jìn)行判斷和結(jié)果發(fā)送，二者之間采用 I2C通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.

圖2 地磁傳感器節(jié)點(diǎn)的組成

圖3 地磁傳感器節(jié)點(diǎn)裸板

HMC5983芯片是利用各向異性磁阻技術(shù)（即AMR技術(shù)）建立起來的一種三軸的磁阻傳感器，能較為準(zhǔn)確地采集到地球磁場的微小變化.其內(nèi)置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、復(fù)位電路及自動(dòng)補(bǔ)償電路等，可直接輸出數(shù)字信號(hào).最為重要的是，該芯片最高可以達(dá)到2 mG的解析度和220 Hz的輸出速率，是Honeywell公司目前所有的低磁傳感器中靈敏度和可靠性最高的傳感器芯片.

CC2530芯片是TI公司研發(fā)的一款可用于建立Zigbee網(wǎng)絡(luò)的片上系統(tǒng)（SOC）芯片.該芯片內(nèi)含增強(qiáng)型的8051CPU，具有128 kb的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8 kb的RAM（可用于數(shù)據(jù)保存），其最高傳輸速率可達(dá)250 kb/s.最重要的是，該芯片適用于2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器，可用于建立無線傳感網(wǎng)絡(luò).

HMC5983與CC2530之間的連接以及AF通訊電路的設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)圖

2.2 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，HMC5983要求的供電范圍是2.16～3.6 V，CC2530要求的供電范圍是2.6～3.6 V.因此，系統(tǒng)用兩節(jié)電壓為3.7 V的鋰電池作為電源，再使用RT8008芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換使得芯片的輸出電壓為3.3 V.電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)如圖5所示.

圖5 電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.3 協(xié)調(diào)器與上位機(jī)

協(xié)調(diào)器是Zigbee網(wǎng)絡(luò)組織中的管理者，在網(wǎng)絡(luò)中主要起到管理和信息中轉(zhuǎn)的作用.在本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)，并且以串口的方式發(fā)送至上位機(jī).

上位機(jī)在實(shí)驗(yàn)時(shí)可采用PC機(jī)，而在實(shí)際應(yīng)用中可采用工控機(jī).上位機(jī)主要負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至交通控制中心.

3 地磁系統(tǒng)在車流量檢測(cè)中的應(yīng)用研究

3.1 地磁數(shù)據(jù)的采集

地磁車輛檢測(cè)系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)的功能是通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集到實(shí)時(shí)的地磁數(shù)據(jù)，圖6為實(shí)際測(cè)試中采集到的連續(xù)33 s內(nèi)從檢測(cè)器上方和旁邊車道經(jīng)過的車輛引起的地磁擾動(dòng)波形.

由圖6可以看出：1）當(dāng)車輛從傳感器上方經(jīng)過時(shí)，X、Y和Z三個(gè)方向上的地磁強(qiáng)度均會(huì)發(fā)生變化；2）有的車輛引起的波動(dòng)幅度較高且持續(xù)時(shí)間長，而有的車輛引起的波動(dòng)幅度相對(duì)小且持續(xù)時(shí)間短（這是由于車輛的長度、體積以及含有的鐵性物質(zhì)不同所造成的.雖然它們的波形不一，但其波動(dòng)的時(shí)間長度及幅度足夠我們進(jìn)行有無車輛的判斷）；3）在26.1～27.0 s，X、Y、Z三個(gè)方向上均有較為微小的波動(dòng)，這是一輛小汽車從旁邊車道經(jīng)過時(shí)引起的擾動(dòng)（該擾動(dòng)波形幅度小且時(shí)間短，只要算法設(shè)置恰當(dāng)，可以避免）.

圖6 地磁車輛檢測(cè)系統(tǒng)采集的實(shí)際波形圖

總而言之，當(dāng)汽車經(jīng)過傳感器上方時(shí)，地磁信號(hào)急劇變化，這可作為車輛到來的判斷依據(jù).但是檢測(cè)到的信號(hào)中包括了背景磁場信號(hào)和旁邊車道引起的干擾等信號(hào)，為了更加準(zhǔn)確地進(jìn)行車輛存在性的判斷，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理.

3.2 地磁信號(hào)預(yù)處理

防脈沖干擾平均濾波算法不僅能很好地濾除隨機(jī)干擾的影響，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，所以其在數(shù)字濾波中使用廣泛.其工作原理是先用中位值濾波算法濾除信號(hào)中的隨機(jī)干擾，再將余下的采樣值進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波.具體算法如下：將N個(gè)連續(xù)采樣值按大小排列，然后把采樣值中的最大值和最小值去掉，最后計(jì)算余下的 2N- 個(gè)采樣值的平均值作為當(dāng)前采樣值.公式如下：

圖7-a是一輛小汽車以30 km/h的速度行駛時(shí)采集到的未經(jīng)濾波處理的地磁信號(hào)：原始信號(hào)中存在一些毛刺；而當(dāng)車輛到來時(shí)，波形迅速變化，又存在著隨機(jī)干擾.在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，防脈沖干擾平均濾波算法不僅能較好地濾除毛刺和隨機(jī)干擾使信號(hào)波形更加平滑，而且能很好地保留波形的變化.濾波后的地磁信號(hào)波形如圖7-b所示.

圖7 地磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)濾波處理前后

3.3 狀態(tài)機(jī)檢測(cè)算法

本系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)判斷，故要求單片機(jī)能快速地完成車輛檢測(cè).這也就要求車輛檢測(cè)算法必須簡單、精確度高、實(shí)時(shí)性能好、占用內(nèi)存小，且能避免車輛從旁邊車道經(jīng)過時(shí)引起的誤判.圖8為三輛汽車先后從旁邊車道經(jīng)過時(shí)引起的擾動(dòng)波形.

本文設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)檢測(cè)算法將車輛檢測(cè)過程分為3個(gè)狀態(tài)：沒車、有車、車輛離開.這三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖9所示，其中，α（ k ）表示第k次測(cè)得的數(shù)據(jù)；g（ I）表示第I次更新的背景磁場；ρ表示閾值的取值范圍；x表示連續(xù)超出閾值范圍的次數(shù)；y表示連續(xù)進(jìn)入閾值范圍的次數(shù)；M和K分別表示連續(xù)M次和K次超出閾值范圍且K＜M ；N和H表示連續(xù)N次和H次進(jìn)入閾值范圍且H ＞ N .

圖8 旁邊車道車輛引起的擾動(dòng)波形

在無車的狀態(tài)下，采集到的地磁場強(qiáng)度一般會(huì)在閾值范圍內(nèi)有微小的波動(dòng).若在連續(xù)H次采樣中，磁場強(qiáng)度均沒超出閾值范圍，則取H次采樣數(shù)據(jù)的平均值作為新的背景磁場強(qiáng)度 g （ I）.而在算法中，閾值的取值為g（ I ）- ρ * g（ I），這樣就達(dá)到了自動(dòng)更新閾值的效果.實(shí)驗(yàn)表明，ρ的取值為 ± 5 %時(shí)，能夠較好地把背景磁場的波動(dòng)囊括進(jìn)去.

圖9 車輛檢測(cè)過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

當(dāng)車輛到來時(shí)，會(huì)引起地磁場的劇烈變化，其強(qiáng)度會(huì)迅速超出閾值范圍.當(dāng)?shù)卮艌鰪?qiáng)度連續(xù)M次超出閾值范圍時(shí)，則確認(rèn)車輛已經(jīng)到來.

當(dāng)磁場強(qiáng)度重新進(jìn)入閾值范圍時(shí)，并不能就此認(rèn)定車輛已經(jīng)離開，必須是連續(xù)N次進(jìn)入閾值內(nèi)，才可以確認(rèn)車輛離開.只要N設(shè)置合理，就能準(zhǔn)確地分辨出車輛是否離開，而且不影響對(duì)后續(xù)到來車輛的判斷.

圖9的具體轉(zhuǎn)換如下：

1）當(dāng) α （k ）- g （ I） ＜ ρ * g（ I ）時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)x置0和y自動(dòng)加1，y記錄著連續(xù)進(jìn)入閾值范圍的次數(shù)，作為判斷車輛是否離開的依據(jù)；

2）當(dāng) α （k ）- g （ I） ＞ ρ * g（ I）時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)y置0和x自動(dòng)加1，x記錄著連續(xù)超出閾值范圍的次數(shù)，作為判斷是否有車輛到來的依據(jù)；

3）當(dāng)α（k ）- g （ I） ＜ ρ * g（ I） &&y ＞ H 時(shí)，即連續(xù)H次進(jìn)入閾值內(nèi)，則通過更新背景磁場來間接更新閾值；

4）當(dāng)（α（k ）- g （ I） ＜ ρ *g（ I） && y ＞ N ） ||（α（k ）- g （ I） ＞ ρ *g（ I） && x ＜K）時(shí)，即當(dāng)連續(xù)N次進(jìn)入閾值內(nèi)或連續(xù)超出閾值范圍少于K次，則認(rèn)為無車；

5）當(dāng)α（k ）- g （ I） ＞ ρ * g（ I） &&x ＞ M 時(shí)，即連續(xù)M次超出閾值，則確認(rèn)有車輛經(jīng)過；

6）當(dāng)α（k ）- g （ I） ＜ ρ * g（ I） &&y ＞ N 時(shí)，即連續(xù)N次進(jìn)入閾值內(nèi)，則認(rèn)為車輛離開.

從圖8可以看出，當(dāng)旁邊車道車輛引起的擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間不長且幅值較小時(shí)，只要M值和閾值范圍取值恰當(dāng)，就可以很好地避免干擾.

3.4 算法驗(yàn)證

選擇市區(qū)潮連大道某一路段進(jìn)行測(cè)試.由于經(jīng)過此路段的車輛速度不一且車型豐富，所以該測(cè)試能反映實(shí)際交通狀況并能獲得不同車輛在不同速度下的地磁擾動(dòng)波形.為了防止雨水損壞傳感器，使用防水塑料盒將其裝好置于車道中心；用雪糕桶把此路段的車道分隔開，防止車輛變道壓壞傳感器.測(cè)試時(shí)間為2015年5月18日，天氣晴朗，氣溫25 C°，傳感器的采樣頻率設(shè)為220 Hz.

本系統(tǒng)對(duì)300輛不同的車進(jìn)行了檢測(cè)，其中135輛小汽車、71輛中型汽車、56輛公交車和38輛大貨車，系統(tǒng)檢測(cè)出133輛小汽車、70輛中型汽車、56輛公交車和39輛大貨車.剔除漏檢的2輛小汽車和1輛中型汽車以及1輛誤檢的大貨車，系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測(cè)到了296輛車，準(zhǔn)確率為98.7%.具體數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 車輛檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)在車流量檢測(cè)方面取得了一定的進(jìn)展，可用于實(shí)時(shí)車流量的無線檢測(cè).通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的檢測(cè)效果，其準(zhǔn)確率可達(dá)98.7%，說明本文研發(fā)的系統(tǒng)是可行的.這為交通信號(hào)控制系統(tǒng)和交通信息系統(tǒng)的車流量檢測(cè)提供了一種新穎且高效的方法.下一階段將研究如何利用檢測(cè)到的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行車型分類.

［1］杜宏川.我國智能交通系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析與對(duì)策分析［J］.吉林交通科技，2009（1）：60-63.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Design of a Vehicle Detection System Based on Geomagnetic Signals

CHEN Hong-an,LIU Zhi-yong,RUAN Tai-yuan
(1.School of Information Engineering,Wuyi University,Jiangmen 529020,China; 2.Jiangmen Polytechnic,Jiangmen 529000,China)

Geomagnetic detecting is a new type of vehicle detecting technology.But the geomagnetic detection equipment available on the market is limited by the sampling rate and accuracy which cannot meet the actual needs.This paper develops a geomagnetic detection system based on the HMC5983 integrated module,which consists of a magnetic sensor,a wireless transmission network,a principal computer and the supporting software.It can change the geomagnetic disturbance caused by passing cars into dynamic voltage signals and can realize real time monitoring of vehicles by monitoring of the voltage signals.Actual road tests show that the sampling rate of the system is 220 Hzand the accuracy rate is 98.7%.

geomagnetic detecting;traffic flow detection;anti-pulse interference averaging filtering algorithm;state machine detection algorithm

TP212

A

1006-7302（2016）03-0055-06

2016-03-29

陳虹安（1989—），男，廣東茂名人，在讀碩士生，主要從事工程測(cè)試、信號(hào)處理及交通控制方面的研究；劉智勇，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事智能交通控制方面的研究.