基于壓力傳感器的混合交通道路流量采集系統

張錚 楊弈棟 杭州職業技術學院 信息工程學院 浙江杭州 310018

目前我國不少城市存在著機動車和自行車混行現象，增加了交通事故隱患，降低了道路通行能力。及時獲取可靠的混合交通流數據,在城市交通管理規劃中起著關鍵作用。而現有的交通流采集方法，大部分是以機動車交通流為主，不太適應這種混合的交通環境。

目前常用的交通檢測技術有視頻、超聲波、微波、環形線圈、地磁影像以及橡膠氣壓管檢測技術。其中，橡膠氣壓管是基于氣壓脈沖原理的，車輛分型較為精確而成本較低的檢測技術，可以較好地區分車型及行人。本設計采用該項技術采集機動車和自行車混合交通流參數。

2．系統組成框圖

本系統硬件主要由橡膠氣壓管、壓力傳感器、信號處理單元、存儲單元、實時時鐘單元、主控單元、無線通信單元、監控中心組成。

3．系統實現

3.1 信號采集單元

信號采集單元主要是壓力變送器，完成車輛軋過氣壓管時對壓力信號的轉換,把采集的壓力信號轉換為電壓信號,然后通過A/D轉換器把電信號轉變成數字信號,傳送給主控單元處理。

壓力變送器由壓力傳感器、放大電路、信號調理變換電路等組成，其選型的合適與否影響整個系統的性能。

因壓力變送器常遇到遇到塵土掩埋，雨水浸泡，外力破壞等，因此要求其有較高的靈敏度、精度、堅固耐用、抗腐蝕性好并盡可能無源等特性。經現場測試，本文選擇具有此優點，量程為20KPa的擴散硅壓力變送器，并采用寶塔嘴接口，可有效防止與橡膠氣壓管接口處漏氣并方便更換新的橡膠管。

壓力變送器連接主控芯片S3C44BOX，由其自帶的10位A/D轉換器進行模數轉換，以精簡電路。

3.2 單片機主控單元

主控芯片采用基于ARM7內核、自帶10位A/D轉換器的S3C44BOX。其功能強大，功耗低，為應用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。

3.3 實時時鐘單元

本系統采用時鐘芯片DS1302來進行時間管理。其性能高、功耗低，只需一紐扣電池供電，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能；采用串行數據傳輸，占用口線少，遇閏年自動修正，適合本系統的設計要求。

3.4 無線通信單元

S3C44BOX 控制 CDMA 碼分多址無線通信技術實現無線網絡鏈接和數據發送。首先 CDMA 與監控中心建立數據鏈路，當監控中心收到鏈路信息后就能接收主控單片機采集的數據，同時經過中心處理，將反饋的信息發送到主控單片機。

3.5 信息儲存單元

本系統采用SD卡存儲流量數據，使用CLK、CMD、DATA0~DATA3與主控芯片進行數據通信。

3.7 軟件設計

本系統軟件分為數據采集系統和交通數據分析系統兩部分。

在數據采集系統中，通過大量實驗分析自行車和機動車分別軋過氣壓管時產生的壓力信號波形,本系統主要有兩種干擾,一種是不規則的小鋸齒波干擾,一種是突然凸起的尖峰干擾。鋸齒形干擾與信號波形相比要小得多,且很均勻地分布在采集信號的每個時刻。為了防止小信號與其他干擾充當有用數據,進行了必要的軟件濾波。

軟件濾波中,對于第一種不規則的小鋸齒波干擾,需要設定一個門限值,當采集數據小于這個門限值時,都粗略認為是干擾引起的,通過程序濾除。對于第二種尖峰干擾,設定了采集常數,只有當采集的壓力信號大于門限值并且達到一定次數時,才認為不是尖峰干擾而是有車輛通過。對于門限值的確定,采用了加權求平均的方法。另外由于大氣壓會隨著溫度的變化而變化,封閉的橡膠管中氣壓也會受大氣壓的影響而變化,所以門限值不能是一個固定值。通過實驗得出了實際橡膠管內氣壓隨日常大氣壓變化的規律,根據這種規律系統自動定時更新門限值。

在交通數據分析系統中，現場采集數據后,無線上傳至監控中心,此時數據為文本格式（也同時兼容excel格式）,內容為車輛車軸時間標和車軸壓力值。在導入原始數據后,系統將原始數據處理為車輛數據。具體的處理程序流程如下：

（1）根據壓力大小,將氣壓管上的車軸數據分為非機動車數據與機動車數據,并依據時間排序。

（2）針對機動車,假設鋪設在路上的兩根氣壓管之間距離為L,當車輛第一軸通過傳感器M1時，記錄計時時間T1，在第一軸經過傳感器M2時，記錄計時時間T2，依次類推,可以得到后軸通過M1和M2的時間T3和T4。這樣可以方便地算出車輛的速度V和1、2軸之間的軸距D。從而根據國家建設部或交通部的標準,判斷車輛的車型。計算公式如下：

4．總結

針對目前我國城市道路交通中存在的混合交通現狀，本文提出了一種基于壓力傳感器的混合交通流采集方法，開發了檢測混合交通流參數的交通數據采集系統，該系統在檢測原理及數據處理算法上均做了相應的改進，實現了一種低成本、便攜式的單車道混合交通流參數采集系統。