基于磁阻傳感器的車流量檢測系統(tǒng)應用設計

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(jù)各車道車流量來實現(xiàn)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間，那么就可以提高交通系統(tǒng)效率，緩解交通擁堵現(xiàn)象。為獲取車流量相關數(shù)據(jù)必須設計一個道路車流量檢測系統(tǒng)。針對車流量檢測系統(tǒng)的需求，本文介紹了磁阻傳感器車流量檢測原理，采用雙軸磁阻傳感器HMC1022和無線通信模塊技術設計了一種車流量檢測系統(tǒng)。

2.檢測原理

地磁車輛檢測器是基于磁阻傳感器的車輛檢測技術，具有尺寸小、安裝方便、對非鐵磁性物體無反應、可靠性高等特點。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矢量之間的夾角存在一定的函數(shù)關系。

地球磁場強度很弱，在最強的兩極其強度不到1mT,平均強度約為0.06mT.車輛本身含有的鐵磁物質會對車輛存在區(qū)域的地磁信號產(chǎn)生影響，使車輛所在區(qū)域的地球磁力線發(fā)生彎曲。在一個有限的空間里，地球磁場可以看成是均勻的，當這個均勻磁場被鐵磁性材料(如鐵、鋼、鎳、鈷等)擾動時，它的均勻性就會受到破壞。當車輛經(jīng)過傳感器附近，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(jié)點分布式車流量信息采集與控制系統(tǒng)。傳感器節(jié)點由雙軸磁阻傳感器HMC1022、XL02-232AP1無線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，同時減少了周邊電路，節(jié)點最大能量主要消耗在無線發(fā)送與接收數(shù)據(jù)時刻。多個地磁傳感器節(jié)點通過串口無線通信模塊與計算機系統(tǒng)相連，將檢測到的車流信息反饋到上位機，從而實現(xiàn)對整個路口車流量的檢測。該系統(tǒng)包含了信號放大模塊、無線通信模塊、A/D轉換模塊、傳感器置位/復位模塊等。車流量檢測系統(tǒng)硬件的設計框架圖如圖1所示。

3.1 無線通信模塊

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、價格低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。HMC1022靈敏度可達1mV/V/Gs,線性誤差為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，而且磁場信號強度隨著距離增大而線性衰減。實際應用中，我們通常將傳感器置于車道中間。為了不影響交通的正常運行，本文采用XL02-232AP1無線通信模塊，該模塊采用高性能工業(yè)級單片機，其抗干擾性好，通信穩(wěn)定可靠。其通信信道為半雙工，可用于點對點通信，使用簡單，模塊正常工作時默認在數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。本設計使XL02-232AP1模塊工作在一點對多點的通信方式，這種通信方式需設置一個模塊為主站，其余為從站，各個站都預設有一個唯一的地址碼，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(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，主站接收全部從站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)的地址碼判斷是哪個車道檢測點發(fā)送的數(shù)據(jù)，進而進行相應的交通燈信號控制。這些工作通過上層協(xié)議來完成，可保證主站及時接收到從站發(fā)送的數(shù)據(jù)，以免相互干擾，造成丟幀現(xiàn)象。

XL02-232AP1無線通信模塊采用+5V的直流電源供電，最大工作電流不超過60mA,電源可以和其他設備共用，但要注意電源的質量和接地的可靠性。隨著中國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，可以考慮采用太陽能為該系統(tǒng)供電。使用時將無線通信模塊的數(shù)據(jù)輸出端TxD接單片機的數(shù)據(jù)輸入端RxD,模塊的數(shù)據(jù)輸入端RxD接單片機的數(shù)據(jù)輸出端TxD.模塊的SET端為設置參數(shù)狀態(tài)端口，進入設置模式時，需先將此端口拉低，再給模塊上電，此時綠燈長亮，進入設置模式。參數(shù)設置好后，平時正常工作時將該端口懸空即可。[!--empirenews.page--]

3.2 傳感器置位/復位模塊

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

本設計中MOSFET開關管選用增強型高壓場效應管AO4606.由單片機定時器模塊在每隔100ms的高電平后產(chǎn)生一個不小于2us脈寬的低電平時鐘信號，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.算法實現(xiàn)

鑒于該系統(tǒng)要求傳感器節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)能通過無線通信模塊與上位機進行實時通訊，且單片機存儲空間有限，車流量檢測算法不能消耗單片機太多存儲空間和計算時間。Ding等提出多中間狀態(tài)機算法，該算法計算簡單、精度高，并且能在單片機運行過程中得到實時結果。

多中間狀態(tài)機包括5個狀態(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，u(k)=1,當f(k)

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輛何時進入檢測區(qū)，而且增加了判斷車輛離開檢測器的中間狀態(tài)，能夠更好地從時間序列中提取車輛信息，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(tǒng)的實驗結果是在道路現(xiàn)場進行實地測試得到的。根據(jù)檢測點安放位置不同、傳感器敏感軸的安置方向不同等多種情況分別進行測試，采集相應磁場信號變化信息，并進行分類對比與分析。

檢測節(jié)點A和檢測節(jié)點B分別安置于車道中央和車道邊緣，車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，測試來車時該檢測節(jié)點的磁場變化。

對比分析檢測節(jié)點A和檢測節(jié)點B的測試波形，可發(fā)現(xiàn)當車輛從檢測節(jié)點上方通過時，檢測值有著明顯的變化，而車輛從檢測節(jié)點旁邊通過時，檢測值雖有變化，但不明顯。根據(jù)此不同變化特征，可將檢測節(jié)點安置于道路各車道中央，既可以精確地辨別該車道是否有車輛經(jīng)過，又可以有效地防止旁邊車道車輛經(jīng)過時引起的干擾，避免誤檢現(xiàn)象發(fā)生。

6.結束語

實驗證明，該車流量檢測系統(tǒng)對車輛具有很好的檢測效果，同時算法簡單，運行速度快，適合應用于單片機上。檢測系統(tǒng)具備傳感器節(jié)點成本低、體積小、無須布線等特點，可廣泛應用于智能交通領域的車輛檢測。