基于磁阻傳感器的車(chē)流量檢測系統應用設計

　導讀：本文介紹了一種基于磁阻傳感器的車(chē)流量檢測系統，磁阻傳感器能將車(chē)輛引起的地磁擾動(dòng)轉換為清晰的電壓信號輸出。該系統包含了信號放大模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊等，多個(gè)地磁傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與計算機系統相連，將檢測到的車(chē)流信息反饋到上位機，從而實(shí)現對整個(gè)路口車(chē)流的檢測。

　　1.引言

　　如何緩解城市交通擁堵、提高道路通行能力已經(jīng)成為當前迫切需要研究解決的課題。如果可以根據各車(chē)道車(chē)流量來(lái)實(shí)現對交通信號燈的智能化控制，合理地分配交通信號燈控制時(shí)間，那么就可以提高交通系統效率，緩解交通擁堵現象。為獲取車(chē)流量相關(guān)數據必須設計一個(gè)道路車(chē)流量檢測系統。針對車(chē)流量檢測系統的需求，本文介紹了磁阻傳感器車(chē)流量檢測原理，采用雙軸磁阻傳感器HMC1022和無(wú)線(xiàn)通信模塊技術(shù)設計了一種車(chē)流量檢測系統。

　　2.檢測原理

　　地磁車(chē)輛檢測器是基于磁阻傳感器的車(chē)輛檢測技術(shù)，具有尺寸小、安裝方便、對非鐵磁性物體無(wú)反應、可靠性高等特點(diǎn)。磁阻傳感器主要利用鎳鐵導磁合金的磁阻效應。磁阻傳感器的基礎元件是惠斯通電橋，組成電橋的電阻由鎳鐵導磁合金材料制成，該電阻的電阻值與偏置電流和磁場(chǎng)矢量之間的夾角存在一定的函數關(guān)系。

　　地球磁場(chǎng)強度很弱，在最強的兩極其強度不到1mT,平均強度約為0.06mT.車(chē)輛本身含有的鐵磁物質(zhì)會(huì )對車(chē)輛存在區域的地磁信號產(chǎn)生影響，使車(chē)輛所在區域的地球磁力線(xiàn)發(fā)生彎曲。在一個(gè)有限的空間里，地球磁場(chǎng)可以看成是均勻的，當這個(gè)均勻磁場(chǎng)被鐵磁性材料（如鐵、鋼、鎳、鈷等）擾動(dòng)時(shí)，它的均勻性就會(huì )受到破壞。當車(chē)輛經(jīng)過(guò)傳感器附近，傳感器能夠靈敏感知到信號的變化，經(jīng)信號分析就可以得到檢測路面的車(chē)流信息。

　　3.硬件設計

　　本設計是以STC12C5A60S2單片機為控制基礎，以HMC1022為信息采集傳感器的單節點(diǎn)分布式車(chē)流量信息采集與控制系統。傳感器節點(diǎn)由雙軸磁阻傳感器HMC1022、XL02-232AP1無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源組成。與HMC1001/1002、其他三軸磁阻傳感器相比，HMC1022具有更低功耗，同時(shí)減少了周邊電路，節點(diǎn)最大能量主要消耗在無(wú)線(xiàn)發(fā)送與接收數據時(shí)刻。多個(gè)地磁傳感器節點(diǎn)通過(guò)串口無(wú)線(xiàn)通信模塊與計算機系統相連，將檢測到的車(chē)流信息反饋到上位機，從而實(shí)現對整個(gè)路口車(chē)流量的檢測。該系統包含了信號放大模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、A/D轉換模塊、傳感器置位/復位模塊等。車(chē)流量檢測系統硬件的設計框架圖如圖1所示。

　　3.1 無(wú)線(xiàn)通信模塊

　　本文選用Honeywell生產(chǎn)的一種雙軸磁阻傳感器HMC1022,其具有體積小、靈敏度高、價(jià)格低、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。HMC1022靈敏度可達1mV/V/Gs,線(xiàn)性誤差為0.1%,滯后誤差和可重復性誤差也都很小，可以達到0.05%.

　　由于磁阻傳感器大約僅有幾米的檢測范圍，而且磁場(chǎng)信號強度隨著(zhù)距離增大而線(xiàn)性衰減。實(shí)際應用中，我們通常將傳感器置于車(chē)道中間。為了不影響交通的正常運行，本文采用XL02-232AP1無(wú)線(xiàn)通信模塊，該模塊采用高性能工業(yè)級單片機，其抗干擾性好，通信穩定可靠。其通信信道為半雙工，可用于點(diǎn)對點(diǎn)通信，使用簡(jiǎn)單，模塊正常工作時(shí)默認在數據接收狀態(tài)。本設計使XL02-232AP1模塊工作在一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式，這種通信方式需設置一個(gè)模塊為主站，其余為從站，各個(gè)站都預設有一個(gè)唯一的地址碼，并且主站默認處于接收狀態(tài)，所有的從站默認都處于發(fā)送狀態(tài)。各從站皆采用帶地址碼的數據幀發(fā)送數據或命令，主站接收全部從站發(fā)送的數據幀，并根據接收到的數據的地址碼判斷是哪個(gè)車(chē)道檢測點(diǎn)發(fā)送的數據，進(jìn)而進(jìn)行相應的交通燈信號控制。這些工作通過(guò)上層協(xié)議來(lái)完成，可保證主站及時(shí)接收到從站發(fā)送的數據，以免相互干擾，造成丟幀現象。

　　XL02-232AP1無(wú)線(xiàn)通信模塊采用+5V的直流電源供電，最大工作電流不超過(guò)60mA,電源可以和其他設備共用，但要注意電源的質(zhì)量和接地的可靠性。隨著(zhù)中國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，可以考慮采用太陽(yáng)能為該系統供電。使用時(shí)將無(wú)線(xiàn)通信模塊的數據輸出端TxD接單片機的數據輸入端RxD,模塊的數據輸入端RxD接單片機的數據輸出端TxD.模塊的SET端為設置參數狀態(tài)端口，進(jìn)入設置模式時(shí)，需先將此端口拉低，再給模塊上電，此時(shí)綠燈長(cháng)亮，進(jìn)入設置模式。參數設置好后，平時(shí)正常工作時(shí)將該端口懸空即可。

　　3.2 傳感器置位/復位模塊

　　當磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中，容易受到大磁場(chǎng)的干擾影響。當磁阻傳感器的檢測磁場(chǎng)超出±6Gs范圍，傳感器的輸出將不再保持線(xiàn)性關(guān)系，其靈敏度也將隨之降低，從而引起輸出信號的衰變，將無(wú)法準確檢測弱信號磁場(chǎng)。為避免這種情況出現，影響檢測精度，將脈沖信號施加到HMC1022芯片自帶的內集成置位/復位電流帶，以恢復其原來(lái)的高靈敏度。

　　本設計中MOSFET開(kāi)關(guān)管選用增強型高壓場(chǎng)效應管AO4606.由單片機定時(shí)器模塊在每隔100ms的高電平后產(chǎn)生一個(gè)不小于2us脈寬的低電平時(shí)鐘信號，從而切換MOS管的導通和截止，產(chǎn)生可控制置位/復位電流帶的脈沖信號。

　　4.算法實(shí)現

　　鑒于該系統要求傳感器節點(diǎn)的檢測數據能通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，且單片機存儲空間有限，車(chē)流量檢測算法不能消耗單片機太多存儲空間和計算時(shí)間。Ding等提出多中間狀態(tài)機算法，該算法計算簡(jiǎn)單、精度高，并且能在單片機運行過(guò)程中得到實(shí)時(shí)結果。

　　多中間狀態(tài)機包括5個(gè)狀態(tài)：nocar、car、count0、count00以及count1.輸入為u（k），中間狀態(tài)為count0、count00,輸出為car、nocar.

　　首先，將磁阻傳感器HMC1022檢測到的信號通過(guò)平均處理算法處理后得到f（k），再將f（k）轉換為二值化信號u（k）作為狀態(tài)機輸入，并設定閥值T（k），當f（k）≥T（k）時(shí)，u（k）=1,當f（k）T（k）時(shí)，u（k）=0.狀態(tài)機中的有車(chē)計數器count1、干擾計數器count0和車(chē)輛離開(kāi)計數器count00分別設置有一個(gè)計數器，并設定其閥值分別為N、M、M,當計數小于M時(shí)為干擾，大于M時(shí)表示車(chē)輛離開(kāi)，此時(shí)為避免由于外界磁場(chǎng)環(huán)境變化或磁阻傳感器溫度變化引起輸出信號漂移，將所有計數器的值均置0.改進(jìn)后的狀態(tài)機算法如圖4所示。

　　與單中間狀態(tài)機算法相比，多中間狀態(tài)機算法不僅可以判斷車(chē)輛何時(shí)進(jìn)入檢測區，而且增加了判斷車(chē)輛離開(kāi)檢測器的中間狀態(tài)，能夠更好地從時(shí)間序列中提取車(chē)輛信息，因此，能有效避免由于干擾造成的誤判。

　　5.測試與結論

　　本檢測系統的實(shí)驗結果是在道路現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測試得到的。根據檢測點(diǎn)安放位置不同、傳感器敏感軸的安置方向不同等多種情況分別進(jìn)行測試，采集相應磁場(chǎng)信號變化信息，并進(jìn)行分類(lèi)對比與分析。

　　檢測節點(diǎn)A和檢測節點(diǎn)B分別安置于車(chē)道中央和車(chē)道邊緣，車(chē)輛行駛方向為從西至東，如圖2所示。改變磁阻傳感器敏感軸X軸的方向，以X軸正方向為標志，使其分別朝向東、西、南、北方位，測試來(lái)車(chē)時(shí)該檢測節點(diǎn)的磁場(chǎng)變化。

　　對比分析檢測節點(diǎn)A和檢測節點(diǎn)B的測試波形，可發(fā)現當車(chē)輛從檢測節點(diǎn)上方通過(guò)時(shí)，檢測值有著(zhù)明顯的變化，而車(chē)輛從檢測節點(diǎn)旁邊通過(guò)時(shí)，檢測值雖有變化，但不明顯。根據此不同變化特征，可將檢測節點(diǎn)安置于道路各車(chē)道中央，既可以精確地辨別該車(chē)道是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，又可以有效地防止旁邊車(chē)道車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)引起的干擾，避免誤檢現象發(fā)生。

　　6.結束語(yǔ)

　　實(shí)驗證明，該車(chē)流量檢測系統對車(chē)輛具有很好的檢測效果，同時(shí)算法簡(jiǎn)單，運行速度快，適合應用于單片機上。檢測系統具備傳感器節點(diǎn)成本低、體積小、無(wú)須布線(xiàn)等特點(diǎn)，可廣泛應用于智能交通領(lǐng)域的車(chē)輛檢測。