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】通過介紹巨磁阻傳感器的原理以及車輛引起地球磁場擾動的特性，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；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)社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

傳統(tǒng)的分時(shí)段固定配時(shí)控制交通信號燈的方式已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L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，本文通過分析車輛引起地球磁場擾動的特性，將先進(jìn)的巨磁阻傳感器檢測技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來設(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)由車輛檢測器、無線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配模塊等組成，系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

將車輛檢測器安裝在車道中間，通過巨磁阻傳感器檢測車輛經(jīng)過時(shí)引起的地球磁場變化來判斷是否有車輛經(jīng)過，然后將車輛有無信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將各車道信息匯總后直接輸出RS485信號或者經(jīng)接口適配模塊轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)/TTL信號給路邊的交通信號機(jī)，交通信號機(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。對較大路口還需要添加無線路由模塊，它負(fù)責(zé)信號和命令的轉(zhuǎn)發(fā)。車輛檢測器、無線路由模塊、區(qū)域控制器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，信息可以雙向傳遞，固件可以在線升級。

2.2 巨磁阻效應(yīng)及車輛檢測原理

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作用時(shí)較之無外磁場作用時(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 車輛檢測原理

地球本身就是一個巨大的磁體，會在空間上產(chǎn)生一個磁感應(yīng)強(qiáng)度平均約為0.5GS的矢量磁場，雖然地磁場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，地磁場大小可以認(rèn)為是一定的，可能會因?yàn)闇囟鹊仍蛴胁▌樱▌雍苄。虼嗽跊]有外界因素干擾的情況下，我們可以認(rèn)為地磁場基本保持恒定[4]。

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

而車輛的絕大部分是由金屬部件構(gòu)成，當(dāng)它移動時(shí)，會強(qiáng)烈的干擾地球磁場。這些擾動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤為明顯[6]，如圖3所示[5]。該擾動能很容易的被巨磁阻傳感器探測到，因此可以用巨磁阻傳感器探測車輛存在和通過等信息。

2.3 ZigBee協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee協(xié)議是一種短距離、大容量無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)協(xié)議，主要用于近距離無線連接，以多跳接力的方式實(shí)現(xiàn)無線通信[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)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹型、網(wǎng)狀型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用樹型結(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，是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和運(yùn)行。車輛檢測器是網(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)還需要添加無線路由模塊，無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)由車輛檢測器、無線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配器等組成。

3.1 地磁式車輛檢測器

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

地磁式車輛檢測器由巨磁阻傳感器（GMR）、磁驅(qū)動電路、MCU單元、無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探頭，每個車輛檢測器包含三個磁檢測探頭，分別測量x、y、z三個軸磁場值，其中x、y、z三軸兩兩正交。磁驅(qū)動芯片控制GMR傳感器進(jìn)行磁場采集，并將采集到的模擬量經(jīng)過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)過車輛判別算法處理后得到車輛有無的信息，然后將該信息通過無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，該車輛檢測器采用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)域控制器由無線通信模塊，MCU單元，232電路，485電路，供電電路和各種對外接口組成。

一方面，無線通信模塊接收各車輛檢測器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)， MCU單元對收集到的各車道信息進(jìn)行匯總處理，并經(jīng)485電路轉(zhuǎn)換成485信號輸出。另一方面，可將區(qū)域控制器通過232接口與計(jì)算機(jī)相連，通過計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件對區(qū)域控制器進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)對區(qū)域控制器進(jìn)行區(qū)號更改，對無線路由模塊進(jìn)行區(qū)號和編號更改，對車輛檢測器進(jìn)行區(qū)號、編號更改，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。根據(jù)后端交通信號機(jī)的接口類型，區(qū)域控制器可以直接輸出RS485信號，或者經(jīng)接口適配器輸出開關(guān)信號/TTL電平信號。

3.3 無線路由模塊

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

3.4 接口適配器

當(dāng)后端交通信號機(jī)可以直接接收485信號時(shí)，區(qū)域控制器可以通過485接口將信息直接發(fā)送給信號機(jī)，當(dāng)后端交通信號機(jī)只能識別開關(guān)信號或TTL信號時(shí)，就需要在區(qū)域控制器后增加一級接口適配器。

接口適配器通過485接口，接收區(qū)域控制器匯總的各個車道車輛有無信息，然后將各個車道的車輛有無信息轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號或TTL電平信號給交通信號機(jī)。

4.結(jié)束語

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”問題，必將在世界范圍內(nèi)受到大力推廣。

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作者簡介：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)供職于中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，主要研究方向：測控技術(shù)、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)。