基于地磁傳感器的車流量智能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

田為廣徐海黎*殷戎飛邢 強(qiáng)沈 標(biāo)

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226019；2.南通天承光電科技有限公司，江蘇 南通226100；3.南京藍(lán)泰交通設(shè)施有限責(zé)任公司，江蘇 南京210019)

實(shí)時(shí)的交通流量獲取是提升交通效率，構(gòu)建智慧交通體系的重要基礎(chǔ)，在城市道路建設(shè)、交通管理、交通信號(hào)控制等方面起著越來越重要的作用。車流量檢測器作為智能交通系統(tǒng)的最前端部分，承擔(dān)著相關(guān)信息的采集任務(wù)，其準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性影響著系統(tǒng)的后續(xù)工作[1]。

車輛檢測和識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通場景中，目前主流的車流量檢測方案為視頻、微波雷達(dá)、環(huán)形線圈和地磁檢測器等。 視頻檢測方式安裝簡便，不影響交通，直觀可靠，但受限于數(shù)據(jù)量大，處理復(fù)雜度高，易受惡劣天氣影響。 微波雷達(dá)可檢測交通流量、車速等多項(xiàng)交通流信息，但安裝和調(diào)試的要求較高且價(jià)格昂貴。 環(huán)形線圈檢測技術(shù)成熟，精度高，性能穩(wěn)定，但安裝維護(hù)繁瑣，且易使路面壽命降低[2-4]。 地磁檢測器利用傳感器檢測周圍磁場的變化以判斷車輛的經(jīng)過，可很好地實(shí)現(xiàn)車輛檢測、分類[5-7]。 因其體積小、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性好，在無線車輛檢測的應(yīng)用逐漸增多[8-11]。 但無線檢測系統(tǒng)中，檢測器通常以道釘形式安裝在道路中，供電電池需頻繁更換。 無線通信在戶外復(fù)雜環(huán)境下，信號(hào)會(huì)大幅度衰減，導(dǎo)致通信距離大大縮減，易出現(xiàn)通信異常。

針對(duì)現(xiàn)有地磁檢測器取電難、通信不穩(wěn)定的問題，本文基于南通天承光電科技有限公司生產(chǎn)的道路交通發(fā)光地磚進(jìn)行功能拓展，設(shè)計(jì)一種車流量檢測應(yīng)用系統(tǒng)，具有檢測、展示、數(shù)據(jù)入云等多重功能。檢測器采用RM3100 磁場傳感器，檢測精度高、功耗低。 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通過RS485 總線進(jìn)行傳輸，穩(wěn)定高效。 此外，本系統(tǒng)結(jié)合道路發(fā)光磚，可方便地將檢測器安裝在道路上，供電穩(wěn)定便捷。

道路交通發(fā)光地磚是近期國內(nèi)應(yīng)用的智慧發(fā)光斑馬線系統(tǒng)的組成部分之一。 在惡劣天氣或視線受阻情況下，鋪設(shè)在斑馬線周圍與車道停止線上的發(fā)光磚將交通信號(hào)燈同步映射到地面，不僅能起到提示作用，也為安裝車流量檢測器提供了便利條件。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 車輛檢測原理

地球磁場強(qiáng)度一般在30 至65 微特斯拉左右，不同位置的地球表面磁場強(qiáng)度存在一定的差異，但是在一定的區(qū)域內(nèi)，地磁場強(qiáng)度可以近似為恒定不變。 車輛本身帶有大量的鐵磁質(zhì)，具有很大的磁導(dǎo)率，因此行駛的車輛會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境磁場產(chǎn)生影響[12]。

北京科技大學(xué)相關(guān)研究人員進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)后，分析數(shù)據(jù)得出，當(dāng)傳感器位于車輛下方，采集到的數(shù)據(jù)變化最為明顯[13]。 因此，在相關(guān)區(qū)域安裝傳感器采集磁場信號(hào)，分析信號(hào)的變化便能夠完成過往車輛的檢測。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由前端檢測系統(tǒng)、中繼處理裝置和后臺(tái)管理端三個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 前端檢測系統(tǒng)為嵌入在發(fā)光地磚中的車流量檢測器，主要包括傳感器檢測模塊、主控處理單元和數(shù)據(jù)傳輸模塊。 中繼處理裝置包括嵌入式工控機(jī)、LED 顯示屏和4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊等。

系統(tǒng)工作流程如下:傳感器實(shí)時(shí)采集原始地磁信號(hào)，STM32 獲取數(shù)據(jù)后根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算車流量，然后將數(shù)據(jù)按照協(xié)議進(jìn)行打包并通過485 總線發(fā)送至中繼處理裝置。 中繼處理裝置將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，在LED 信息發(fā)布屏上實(shí)時(shí)顯示已統(tǒng)計(jì)到的車流量，同時(shí)數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器。 后臺(tái)管理中心可根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行決策參考，實(shí)現(xiàn)信號(hào)配時(shí)自適應(yīng)優(yōu)化，以及后續(xù)的拓展應(yīng)用。

圖1 檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

車流量檢測器主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理及傳輸功能，包括電源模塊、STM32 主控、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊，結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示。

圖2 檢測器總體框架圖

2.1 電源模塊

發(fā)光地磚是通過開關(guān)電源進(jìn)行24 h 供電，因此也可以給檢測器提供持續(xù)穩(wěn)定的供電。 檢測器正常工作電壓為5 V，需將12 V 開關(guān)電源作降壓處理?？紤]到檢測器埋在發(fā)光磚中，散熱效率較低，所以選擇發(fā)熱量較小的DC-DC 穩(wěn)壓方案。 本文選用XL7005A 穩(wěn)壓芯片，最高可實(shí)現(xiàn)80 V 輸入電壓轉(zhuǎn)換。 電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊選用PNI 公司的RM3100 傳感器。 RM3100 是由三個(gè)分立的磁感線圈和一個(gè)MAGI2C 驅(qū)動(dòng)芯片組成的磁場傳感器，可提供三軸的磁場強(qiáng)度測量。 該模塊量程為±800 μT，滿足測量范圍要求；分辨率高達(dá)0.015 μT，可以進(jìn)行精確的測量。 RM3100 可以直接通過SPI 總線與MCU 連接，傳輸磁場數(shù)據(jù)，完成采集工作，如圖4 所示。

圖4 傳感器與控制器連接

2.3 通信模塊

本系統(tǒng)通過RS485 進(jìn)行數(shù)據(jù)的高效快速傳輸。由于檢測器埋設(shè)于道路當(dāng)中，工況復(fù)雜，為確保數(shù)據(jù)端口能夠在惡劣環(huán)境中正常工作，需要對(duì)通信接口電路進(jìn)行電氣保護(hù)，相關(guān)電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 RS485 通信保護(hù)電路原理圖

選用TDH541S485H 芯片，這是一款隔離型收發(fā)器，可有效保護(hù)邏輯側(cè)電路不受傳輸總線的影響。

傳輸總線的電路保護(hù)采用氣體放電管GDT＋自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PPTC＋瞬態(tài)抑制二極管TVS 架構(gòu)方案。本系統(tǒng)中TVS 選用SM712，PPTC 選用15 V/0.5 A規(guī)格，GDT 選用3R090 陶瓷氣體放電管。

邏輯側(cè)通過三極管開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)硬件自動(dòng)流向控制，自動(dòng)識(shí)別收發(fā)方向，以節(jié)省單片機(jī)硬件資源，降低軟件編程復(fù)雜度。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測算法設(shè)計(jì)

RM3100 的三個(gè)傳感器線圈能測量以傳感器為中心的三維空間的磁場強(qiáng)度，傳感器X、Y軸中的其中一個(gè)與車輛行駛方向平行，Z軸的方向垂直于地平面，如圖6 所示。 將設(shè)計(jì)的檢測器封裝進(jìn)發(fā)光地磚鋪設(shè)在測試車道中央，駕駛汽車沿傳感器X軸方向從檢測器上方駛過，采集車輛通過前后的磁場強(qiáng)度。

圖6 傳感器測量坐標(biāo)系示意圖

然后采用滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，繪制出磁場強(qiáng)度的變化情況，如圖7 所示。圖7 中三條曲線分別對(duì)應(yīng)RM3100 傳感器的三軸磁感線圈檢測到的磁場強(qiáng)度。

圖7 傳感器三軸磁場強(qiáng)度變化

初步分析傳感器三軸的信號(hào)得出，車輛未通過時(shí)，采樣數(shù)據(jù)在某一基準(zhǔn)值周圍小幅度波動(dòng)。 車輛經(jīng)過時(shí)，各軸的數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生一定程度的變化。 Z軸信號(hào)的變化尤其明顯，遠(yuǎn)超過基準(zhǔn)值的漂移，考慮到安裝位置，這種情況符合實(shí)際。

當(dāng)車輛以不同速度通過檢測器時(shí)，傳感器Z軸的磁場強(qiáng)度均能產(chǎn)生超過基準(zhǔn)值10 μT 以上的變化，如圖8 所示，證明上述磁場強(qiáng)度變化具有普遍性。 因此，可以直接將Z軸的輸出信號(hào)用于車輛特征檢測。

考慮到相鄰車道之間可能產(chǎn)生相互干擾，對(duì)車輛駛過測試車道時(shí)，相鄰車道磁場強(qiáng)度的變化進(jìn)行了測量，如圖9 所示。 結(jié)果表明，車輛正常行駛時(shí)，對(duì)相鄰車道的影響可忽略不計(jì)。

3.1.1 特征波形提取

本文采用雙窗口法提取有效波形，如圖10 所示，以采樣信號(hào)與基準(zhǔn)值的差分?jǐn)?shù)據(jù)ΔBZ作為判斷對(duì)象，步驟如下:①計(jì)算基準(zhǔn)值。 基于基準(zhǔn)值，設(shè)定車輛到來窗口W1與離開窗口W2的高度，即判斷閾值上、下限a與b。 ②當(dāng)采樣點(diǎn)處于閾值下限范圍內(nèi)，則保持等待。 如出現(xiàn)超出范圍的采樣點(diǎn)，說明車輛即將駛?cè)?，開啟窗口W1。 ③當(dāng)采樣點(diǎn)超出W1的邊界即閾值上限a，記錄這些點(diǎn)。 若其達(dá)到一定數(shù)量N，說明車輛駛?cè)?，此時(shí)為進(jìn)入時(shí)刻T1。 ④車輛駛?cè)牒?，?dāng)采樣點(diǎn)開始回歸到閾值下限范圍內(nèi)時(shí)，開啟窗口W2。 若此后所有采樣點(diǎn)都在W2內(nèi)，說明車輛駛出，記錄離去時(shí)刻T2，T1與T2之間即為提取的特征波形。

圖8 不同車速對(duì)傳感器Z 軸磁場強(qiáng)度的影響

圖9 車輛對(duì)相鄰車道磁場的影響

圖10 波形特征提取示意圖

3.1.2 有限狀態(tài)機(jī)算法

在實(shí)際檢測過程中，因周圍環(huán)境干擾，基準(zhǔn)值容易產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，本文通過動(dòng)態(tài)調(diào)整的方法，在無車狀態(tài)下及時(shí)更新基準(zhǔn)。 在此基礎(chǔ)上，設(shè)定閾值，得到用于區(qū)分有無車輛的自適應(yīng)閾值。 在閾值判斷的基礎(chǔ)上引入有限狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行整體判斷。

狀態(tài)機(jī)分為初始化、車輛預(yù)駛?cè)?、有車、車輛預(yù)駛離和無車狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換如圖11 所示，各狀態(tài)描述如下:

圖11 車輛檢測狀態(tài)機(jī)

State 0 系統(tǒng)初始化，測量一組數(shù)據(jù)，計(jì)算其均值作為基準(zhǔn)值。 在該基準(zhǔn)值基礎(chǔ)上設(shè)定初始閾值上下限a、b，并進(jìn)入無車狀態(tài)State 1。

State 1 在無車狀態(tài)下，車輛檢測標(biāo)志flag 置0。 采樣數(shù)據(jù)波動(dòng)不超過閾值下限b時(shí)依舊為無車狀態(tài)。 若超過b但未超過a，則進(jìn)入預(yù)駛?cè)霠顟B(tài)State2。 如果在無車狀態(tài)持續(xù)等待時(shí)間過長，則進(jìn)行基準(zhǔn)值的更新。

State 2 進(jìn)入預(yù)駛?cè)霠顟B(tài)后，對(duì)超過閾值a的檢測值進(jìn)行跟蹤，記錄數(shù)量num＿in，并在預(yù)駛?cè)霠顟B(tài)等待。 若num＿in 超過計(jì)數(shù)閾值N，則進(jìn)入有車狀態(tài)State 3。 若不超過N且持續(xù)等待時(shí)間過長，則為數(shù)據(jù)波動(dòng)，返回?zé)o車狀態(tài)State 1。

State 3 此狀態(tài)下，將車輛檢測標(biāo)志flag 置1，表示有車進(jìn)入。 該狀態(tài)下若檢測值低于閾值下限b，則進(jìn)入車輛預(yù)駛離狀態(tài)State 4，否則保持有車狀態(tài)。

State 4 在該狀態(tài)下，開啟一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。當(dāng)檢測值大于b時(shí)，將定時(shí)器清空關(guān)閉，回到State 3。 若采樣值連續(xù)低于閾值下限，則波形趨于穩(wěn)定，定時(shí)器正常計(jì)數(shù)，等到計(jì)數(shù)溢出，產(chǎn)生中斷信號(hào)后，則車輛離去，回到無車狀態(tài)State 1，車輛計(jì)數(shù)加1，隨后進(jìn)行閾值更新。

3.2 檢測器軟件

檢測系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能:傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集、主控單元的數(shù)據(jù)處理和通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸。 圖12 為檢測系統(tǒng)的軟件功能架構(gòu)，由多個(gè)模塊化子程序組成。

圖12 檢測器軟件架構(gòu)框圖

系統(tǒng)上電后，先初始化各功能外設(shè)。 隨后STM32 通過SPI 訪問RM3100 內(nèi)部寄存器，讀取原始磁場數(shù)據(jù)。 得到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波處理，去除噪聲；然后基于上文的算法思想，編程實(shí)現(xiàn)特征提取和狀態(tài)機(jī)判斷，得到車流量數(shù)據(jù)，存放在內(nèi)部Flash 中。 完成處理工作后，將數(shù)據(jù)按照制定的協(xié)議打包，待接收到中繼處理裝置的查詢命令后上傳，軟件運(yùn)行流程如圖13 所示。

圖13 檢測器軟件工作流程圖

3.3 上位機(jī)軟件

圖14 所示的上位機(jī)程序運(yùn)行在嵌入式工控機(jī)當(dāng)中，主要負(fù)責(zé)匯總檢測器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、上傳等工作。 上位機(jī)可還以查看檢測器運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行設(shè)置，方便在各種現(xiàn)場環(huán)境下安裝調(diào)試。

圖14 上位機(jī)軟件運(yùn)行界面

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，在G228 國道與南通市海門區(qū)民生路交界處進(jìn)行了實(shí)地測試。 該路段為國道匯入口，相比于城市道路，經(jīng)過的車輛較多，類型豐富，非常適合車流量檢測。 圖15 所示為實(shí)際測試場地，地磁檢測地磚鋪設(shè)于兩個(gè)車道中心，在路邊的LED屏顯示工控機(jī)的上位機(jī)程序，觀察測試效果。 同時(shí)，設(shè)置了一臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場視頻監(jiān)控，便于人工標(biāo)定對(duì)比。

測試分別在早高峰、中午平峰、晚高峰三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行3 次。 系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)拍攝現(xiàn)場視頻，然后根據(jù)視頻人工統(tǒng)計(jì)實(shí)際車輛數(shù)。 由于測試的路口之前并未安裝檢測車流量的設(shè)備，因此本文在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比時(shí)，以人工統(tǒng)計(jì)的車輛作為實(shí)際車流量，檢測正確率等于系統(tǒng)檢測車流量/人工計(jì)數(shù)車流量，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

可以看出，在每個(gè)時(shí)段測試中，該系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確率能達(dá)到97%左右。 由此可知，所設(shè)計(jì)的車流量檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度的交通車輛檢測。 但是每次都出現(xiàn)一定的漏檢情況，這是由于交通高峰期間，出現(xiàn)一定的擁堵，車輛的跟車距離遠(yuǎn)小于正常行駛間距，傳感器采集到的波形變化間隔太短，以至于檢測系統(tǒng)將其作為連續(xù)波形，出現(xiàn)誤判。 因此，檢測算法可進(jìn)一步優(yōu)化，降低誤檢率。

圖15 實(shí)驗(yàn)測試場景

表1 不同時(shí)段測試結(jié)果對(duì)比分析

系統(tǒng)自8 月11 日安裝測試起至10 月15 日，連續(xù)運(yùn)行了兩個(gè)月，未出現(xiàn)故障。 在戶外高溫環(huán)境以及雷雨天氣下，也未發(fā)生檢測或通信異常，因此系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性符合實(shí)際的交通現(xiàn)場要求。

5 結(jié)束語

本文基于RM3100 地磁傳感器設(shè)計(jì)了車流量檢測器，并融合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)開發(fā)了一套應(yīng)用系統(tǒng)。 結(jié)合道路交通發(fā)光磚系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的無線地磁檢測系統(tǒng)，具有供電方便、通信穩(wěn)定、功能全面等優(yōu)勢。 實(shí)驗(yàn)測試證明，設(shè)計(jì)的檢測器識(shí)別交通車輛的準(zhǔn)確率可達(dá)97%左右，但仍需進(jìn)行一定優(yōu)化以達(dá)到更好的檢測效果。 同時(shí)，系統(tǒng)硬件也能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，保證穩(wěn)定的工作效率。 因此，本文設(shè)計(jì)的檢測器及系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。