地磁傳感器在交通數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用研究?

祁海祿

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著機動車保有量的快速增長，城市交通“停車難、行車難”的問題日益凸顯。提高城市交通管理的指揮調(diào)度效率，提升交通管理的科學(xué)技術(shù)水平，建立和完善交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，實時發(fā)布各種動態(tài)交通信息、停車信息，合理引導(dǎo)出行和停車，減少道路無效占用時間，已成為緩解城市交通擁堵問題的有效措施［1］。其中，車輛檢測是交通參數(shù)獲取的最前端，為智能交通系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)度和管理提供實時可靠的參考數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)的重要組成部分［2］。

目前，用于車輛檢測的傳感器較多，如視頻圖像傳感器、環(huán)形地感線圈、微波傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、地磁傳感器［3］等，視頻圖像傳感器成本高，對天氣條件較為敏感；環(huán)形地感線圈檢測準(zhǔn)確率高，但安裝施工耗時費力，會影響安裝路面和自身的使用壽命；微波傳感器容易受金屬和相同波段頻率的微波干擾，影響檢測精度；超聲波傳感器成本低，但易受氣候影響，檢測精度受限；紅外傳感器對環(huán)境溫度變化較敏感，也存在一定的輻射污染；地磁傳感器檢測準(zhǔn)確率與環(huán)形地感線圈相近，安裝施工便捷，對氣候變化不敏感，環(huán)境適應(yīng)性較好，已廣泛應(yīng)用于車輛檢測設(shè)備中［4～8］。本文在對兩種常見地磁傳感器的性能特點進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，基于性能更優(yōu)的各向異性磁阻傳感器設(shè)計了一種交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于獲取城市道路固定斷面的交通數(shù)據(jù)。

2 地磁傳感器車輛檢測原理

地球磁場強度大約0.5Oe～0.6Oe，在一定區(qū)域內(nèi)的磁場強度基本是恒定的。當(dāng)任何具備導(dǎo)磁能力的鐵磁性物質(zhì)擾動時，該區(qū)域的磁場強度將會發(fā)生變化。汽車可看作多個雙極性磁鐵組成的模型，當(dāng)車輛進(jìn)入地磁傳感器的檢測范圍時，車輛前端發(fā)動機和車輪以及車輛內(nèi)部其它鐵磁性物體會對地磁場產(chǎn)生扭曲和畸變，從而擾動周圍地磁場的分布情況。

圖1說明了一輛小汽車擾動地球磁場的情況，不管它的狀態(tài)是運動的還是靜止的，由于車輛內(nèi)部鐵磁性物質(zhì)的存在，必定會影響原分布均勻的地磁場。當(dāng)車輛處于地磁傳感器檢測范圍內(nèi)時，地磁傳感器能夠靈敏感知到地磁信號的變化，經(jīng)信號分析可以得到檢測目標(biāo)的相關(guān)信息。

圖1 普通小汽車對車輛所在區(qū)域產(chǎn)生的磁場擾動示意圖

3 兩種常見地磁傳感器的性能特點

地磁傳感器可分為磁通門傳感器、電感式傳感器和磁阻式傳感器［9］。磁通門傳感器的體積較大［9～10］，在車輛檢測中應(yīng)用于交通參數(shù)獲取的案例尚未見到，此處不做贅述。

3.1 電感式傳感器

電感式傳感器的原理是利用電磁感應(yīng)把被測環(huán)境磁場的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再用電路轉(zhuǎn)換為電壓值輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式地磁傳感器應(yīng)用較多的是美國PNI公司研發(fā)的RM3100套件，一般由兩個X/Y軸磁傳感器Sen-XY-f（13104）、1個Z軸磁傳感器Sen-Z-f（13101）和1個ASIC控制器MagI2C配套使用［11］?；诖鸥袘?yīng)技術(shù)的PNI傳感器不僅具備超低噪音下的高分辨率和重復(fù)性數(shù)據(jù)輸出，而且采樣率高、無磁滯現(xiàn)象，也不需要進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，測量范圍±11Oe，自帶SPI數(shù)字接口，在車輛檢測中廣泛應(yīng)用于停車位占用/空閑狀態(tài)的判別。

3.2 磁阻式傳感器

磁阻式傳感器的原理是磁阻效應(yīng)，即鐵、鈷、鎳等金屬或一些半導(dǎo)體在變化的磁場中，電阻值隨磁場變化的現(xiàn)象。磁阻式傳感器有各向異性磁阻傳感器（AMR）、巨磁電阻傳感器（GMR）、巨磁阻抗傳感器（GMI）、隧道磁阻傳感器（TMR）等。磁阻式地磁傳感器應(yīng)用較多的是Honeywell公司出品的AMR各向異性磁阻傳感器，AMR傳感器的典型代表是HMC5983三軸磁阻傳感器［12］，該傳感器具有軸向高靈敏度和線性高精度的特點，內(nèi)置溫度校準(zhǔn)，對于溫度變化的環(huán)境適應(yīng)性較強；測量范圍±8Oe，自帶I2C/SPI數(shù)字接口，在車輛檢測中廣泛應(yīng)用于車流量檢測和停車位占用/空閑狀態(tài)的判別［8～9］。

3.3 兩種常見地磁傳感器的性能特點比較

PNI公司的RM3100配合PNI12927驅(qū)動芯片構(gòu)成的三軸電感式地磁傳感器，與Honeywell公司的HMC5983三軸磁阻式地磁傳感器相比，電感式地磁傳感器雖然測量范圍更大，但是抗噪聲性能弱，數(shù)據(jù)抖動頻繁且抖動幅度大；磁阻式地磁傳感器噪聲較少，且HMC5983內(nèi)置溫度校準(zhǔn)，對于溫度變化的環(huán)境適應(yīng)性較強［9］。另外，磁阻式地磁傳感器的價格相對更低。綜合以上原因，本文選擇集成三軸磁阻傳感器HMC5983進(jìn)行交通數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計開發(fā)。

4 交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備設(shè)計

4.1 設(shè)備組成及工作原理

交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備由交通數(shù)據(jù)采集器、中繼器和網(wǎng)關(guān)組成。交通數(shù)據(jù)采集器用于實時檢測道路斷面車輛通過信息，并直接傳輸至網(wǎng)關(guān)。當(dāng)交通數(shù)據(jù)采集器與網(wǎng)關(guān)的距離超過一定的范圍時，為了保證二者之間的可靠通訊，交通數(shù)據(jù)采集器也可經(jīng)由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)接收到交通數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的車輛通過信息以后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚處理，得到被檢測道路斷面的交通數(shù)據(jù)，包括車流量、速度、時間占有率、有效車身長度等，然后通過有線（光纖以太網(wǎng)）或無線（4G）的方式實時傳輸至服務(wù)器端云平臺。

4.2 交通數(shù)據(jù)采集器電路設(shè)計

基于HMC5983的交通數(shù)據(jù)采集器電路包括地磁傳感器電路、無線通信電路、微控制器MCU和電源管理單元等，如圖2所示。

三軸磁阻式傳感器HMC5983實時采集交通數(shù)據(jù)采集器所在位置的磁場信息，并通過SPI數(shù)字接口將采集到的磁場信息發(fā)送至MCU，如圖3所示。

圖2 交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 HMC5983通過SPI向MCU發(fā)送磁場信息數(shù)據(jù)

MCU微控制器選用TI超低功耗微控制器MSP430G2553［13］。MSP430G2553 具有一個強大的16位精簡指令集（RISC）CPU、16位寄存器和有助于獲得最大編碼效率的常數(shù)發(fā)生器，數(shù)字控制振蕩器（DCO）可在不到1 μs的時間里完成從低功耗模式至運行模式的喚醒。MCU微控制器根據(jù)磁場信息的變化來判別有無車輛經(jīng)過，并通過電源管理單元控制各部分電路的工作。

無線通信模塊選用基于SX1278設(shè)計開發(fā)的安美通APC340模塊。APC340無線通信模塊基于LoRa擴頻調(diào)制技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，支持420MHz～510MHz頻譜范圍內(nèi)的可靠通信，覆蓋433MHz、470MHz、490MHz等免費頻段，體積小、功耗低，性能高，適合集成于交通數(shù)據(jù)采集器電路中。APC340模塊通過TTL串口與MCU進(jìn)行連接，實時向網(wǎng)關(guān)發(fā)送車輛通過信息。

4.3 交通數(shù)據(jù)采集器嵌入式軟件設(shè)計

按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想，將系統(tǒng)功能分解成各個可執(zhí)行的最小功能模塊，每個可執(zhí)行的最小模塊由一個封裝函數(shù)來完成，再通過主函數(shù)的調(diào)用，完成既定的系統(tǒng)功能。根據(jù)城市道路固定斷面交通數(shù)據(jù)采集器的功能要求，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)以下功能：

1）實時采集交通數(shù)據(jù)采集器所在位置的磁場信息；

2）在對采集的磁場信息進(jìn)行計算分析時，與當(dāng)前設(shè)定的閾值比較，進(jìn)而判別是否有車輛通過。如果采集到的磁場信息超過設(shè)定的閾值，表明有車輛通過；反之，表明無車輛通過。

3）當(dāng)有車輛通過時，MCU控制無線通信模塊及時向網(wǎng)關(guān)無線發(fā)送當(dāng)前車輛通過信息。

4）特別地，當(dāng)交通數(shù)據(jù)采集器檢測到無車輛通過且持續(xù)時間超過設(shè)定的時間窗口閾值時，則自適應(yīng)校正更新地磁檢測基準(zhǔn)值，以抵消交通數(shù)據(jù)采集器周圍背景磁場的變化。

交通數(shù)據(jù)采集器主程序流程圖如圖4所示。整個程序可分為系統(tǒng)初始化程序、磁場信息采集程序、車輛通過判別程序、TTL串口通訊程序等。

圖4 交通數(shù)據(jù)采集器主程序流程圖

4.4 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件電路包括供電電源單元、MCU綜合處理單元、無線通信電路和接口轉(zhuǎn)換電路等，其組成框圖如圖5所示。

網(wǎng)關(guān)可以安裝在路燈桿或監(jiān)控設(shè)備安裝桿上，采用AC220V供電，具備以下功能：

1）無線接收交通數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的車輛通過信息或設(shè)備狀態(tài)信息。

2）對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚處理，得到被檢測道路斷面的交通數(shù)據(jù)，包括車流量、速度、時間占有率、有效車身長度等。

3）通過有線（光纖以太網(wǎng)）或無線（4G）的方式實時傳輸數(shù)據(jù)至服務(wù)器端云平臺。

圖5 網(wǎng)關(guān)硬件電路組成框圖

中繼器實現(xiàn)的是無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，與網(wǎng)關(guān)相比，無需接口轉(zhuǎn)換電路，即中繼器只需將接收到的車輛通過信息無線轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，此處不做進(jìn)一步贅述。

5 測試結(jié)果

本次實裝測試環(huán)境位于某測試路段距離路口約100m處的道路斷面上，單向三車道安裝4個交通數(shù)據(jù)采集器，中間車道上安裝2個交通數(shù)據(jù)采集器，其他兩車道各安裝1個交通數(shù)據(jù)采集器，如圖6所示。所安裝的交通數(shù)據(jù)采集器用于采集道路斷面車輛通過信息，中間車道上安裝的2個交通數(shù)據(jù)采集器相距3m，用于獲取車輛通過時的平均速度。網(wǎng)關(guān)安裝于路燈桿上，通過光纖以太網(wǎng)向服務(wù)器端云平臺傳輸交通數(shù)據(jù)。經(jīng)觀測統(tǒng)計與數(shù)據(jù)分析，車流量檢測精度高于96%，速度檢測精度高于80%，基本能夠滿足城市道路固定斷面交通數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用需求。

圖6 交通數(shù)據(jù)采集器及網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場安裝布置示意圖

6 結(jié)語

當(dāng)前，基于AMR磁阻傳感器的車輛檢測技術(shù)以其具有低成本、低功耗、小體積等特性而備受青睞，是現(xiàn)階段車輛檢測的研究重點［2］。本文基于三軸磁阻式傳感器HMC5983所設(shè)計的交通數(shù)據(jù)采集器體積小、安裝方便、維護(hù)簡單，基本能夠滿足城市道路固定斷面交通數(shù)據(jù)采集的實際應(yīng)用需求。交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取的車流量、車速等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對提升城市交通管理的科技水平和智能交通管理的建設(shè)發(fā)展具有重要的支撐意義。