高璽廣，王志剛，徐 莉，張 博

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車持有量逐年遞增，導(dǎo)致城市交通狀況日益惡化，為解決不斷加劇的交通擁堵問題，提高交通質(zhì)量和通行能力，20世紀(jì)80年代末90年代初出現(xiàn)了智能運(yùn)輸交通系統(tǒng)[1]（ITS），作為一個(gè)跨學(xué)科、信息化和系統(tǒng)化的綜合研究體系，它是將先進(jìn)的信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、信息與通信技術(shù)及圖像分析處理技術(shù)等有機(jī)結(jié)合起來，并應(yīng)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。而對現(xiàn)場車輛信息的檢測采集是實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)智能控制的基礎(chǔ)，對與路口車流量、車速、車道占有率、等待時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)采集，對交通工程師制定的配時(shí)方案的優(yōu)劣和信號(hào)燈的自適應(yīng)控制效果有重大影響，故車輛檢測器及其檢測技術(shù)水平依然是緩解交通擁堵，提高ITS管理運(yùn)行效果必須解決的首要問題。

車輛檢測器的種類很多，而且都在現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)中起了不可估量的作用，目前國際上常用車輛檢測技術(shù)主要有環(huán)形線圈檢測器、視頻檢測器和微波檢測器[2]。環(huán)形線圈檢測技術(shù)成熟、檢測精度高、可靠性好，但安裝維護(hù)復(fù)雜，破壞路面嚴(yán)重，安裝和維護(hù)費(fèi)用較高。視頻檢測能夠提供大量交通管理信息，可直觀地觀測交通現(xiàn)狀，但檢測精度較低，易受外界環(huán)境影響，存在大型車輛遮擋小型車輛的問題。微波檢測可以側(cè)向檢測多車道的車輛信息，此外還可以檢測靜止車輛，但安裝精度要求高，對于具有鐵質(zhì)隔離帶的道路，檢測精度明顯下降[3]。地磁車輛檢測器是一種新型的車輛檢測技術(shù)，是一種基于磁阻傳感器的車輛檢測技術(shù)，尺寸小、檢測精度高、可靠性好、安裝方便、破路面積小，大大降低了使用費(fèi)用。本系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無需布線，進(jìn)一步減少了對道路的損害和安裝維護(hù)費(fèi)用。

通過在對各種車輛檢測器分析研究的基礎(chǔ)上，筆者提出了這種基于地磁感應(yīng)的車輛信息檢測方法，這種方法采用各向異性磁阻（Anisotropic Magneto Resistive，AMR）傳感器技術(shù)通過對車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的地球磁場的擾動(dòng)進(jìn)行檢測，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得交通流量、車道占有率和車輛類型等交通信息。首先介紹了地磁車輛檢測技術(shù)的原理，然后對無線車輛檢測系統(tǒng)各模塊的結(jié)構(gòu)和車輛檢測算法進(jìn)行了介紹。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與檢測原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線車輛檢測系統(tǒng)由無線檢測器 （wireless detective sensors）、 無線路由器 （wireless access point）和路口協(xié)調(diào)器（coordinator）組成。系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線車輛檢測系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless network diagram of wireless vehicle detecting system

檢測器通過檢測車輛經(jīng)過時(shí)地球磁場的變化得到所需的車輛信息的參數(shù)，并通過無線發(fā)射模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給無線路由模塊或者路口協(xié)調(diào)器。無線路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在系統(tǒng)中起中繼的作用，從而延長通信距離。路口協(xié)調(diào)器對整個(gè)路口的無線車輛檢測系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，接收下端的信息傳輸給控制中心，并將上端的控制命令下發(fā)到各終端。

1.2 檢測原理

筆者設(shè)計(jì)中采用各向異性磁阻傳感器（AMR），該傳感器利用鐵鎳導(dǎo)磁合金的磁阻效應(yīng)來檢測地磁場的變化，即在鐵磁金屬的某個(gè)方向上施加磁場會(huì)改變該鐵磁金屬的電阻值，而且這種改變在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為是線性的，其中能夠引起磁阻效應(yīng)的方向稱為敏感方向或者感應(yīng)方向[4]。在地球磁場的測量范圍內(nèi)，AMR傳感器的輸出可以看做是線性的，并且可以準(zhǔn)確檢測出地球磁場1/12 000的強(qiáng)度和方向的變化，因此AMR傳感器非常適合用于測量地球磁場。

地球磁場強(qiáng)度大約是0.5～0.6高斯，雖然地磁在不同的地方會(huì)不一樣，但在很廣闊的區(qū)域內(nèi)（大約幾公里）基本是恒定的。在測量范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為在沒有擾動(dòng)情況下是恒定的。當(dāng)有車輛進(jìn)入傳感器測量范圍時(shí)，必定會(huì)影響傳感器周圍地球磁場的分布，形成擾動(dòng)，從而測得有無車輛經(jīng)過[5]。檢測器可以同時(shí)采集分別與地磁相關(guān)的X軸、Y軸和Z軸方向的數(shù)據(jù)，其中X軸檢測與車輛行駛方向平行方向的磁場值，Y軸檢測與車輛行駛方向垂直方向的磁場值，Z軸檢測與地面垂直方向的磁場值。

2 系統(tǒng)各模塊硬件結(jié)構(gòu)

2.1 檢測器模塊

檢測器模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，由地磁檢測部件、微處理器、無線發(fā)射模塊組成。地磁信號(hào)檢測部件采用Honeywell公司的三軸磁阻傳感器HMC5843，帶有IIC數(shù)字接口，能夠直接將采集到的磁場信號(hào)傳輸給主控芯片。該傳感器軸向靈敏度高，垂直軸間靈敏度低，用于測量地球磁場方向和磁力，能夠檢測出十萬分之幾高斯到6高斯的地磁場。由于檢測器埋于地下，采用鋰電池供電，必須采取措施降低檢測器的功耗，故本系統(tǒng)中采用低功耗的MSP430F169作為主控芯片。TI公司的MSP430系列的單片機(jī)采用1.8～3.6 V電壓供電[6]。若1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流在200～400 μA左右，等待方式下能耗為0.7 μA，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1 μA，而在5 MHz的工作頻率下，MSP430的功耗大約為1.5 mW。CC2420是Chipcon公司的一款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，使用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，具有很高的集成度，廣泛應(yīng)用于低功耗的無線通信系統(tǒng)中。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)都超過IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到250 kb/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，完全能夠滿足系統(tǒng)的要求。

圖2 檢測器模塊框圖Fig.2 Block diagram of detective sensor

2.2 路由器模塊

路由器模塊起數(shù)據(jù)中繼的作用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，F(xiàn)lash用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，增加射頻放大器CC2591可以延長通信距離。CC2591是TI公司的高性價(jià)比和高性能的2.4 GHz RF前端，適合低功耗低電壓2.4 GHz無線應(yīng)用。CC2591集成了開關(guān)，匹配網(wǎng)絡(luò)和平衡／不平衡電路，電感，功率放大器（PA）以及低噪音放大器（LNA），輸出功率高。

圖3 路由器模塊框圖Fig.3 Block diagram of router

2.3 路口協(xié)調(diào)器模塊

路口協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)機(jī)，信號(hào)機(jī)通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得車輛的特征信息，從而得到所需車速、車道占有率、車型等交通流信息。信號(hào)機(jī)將這些信息發(fā)送到交通控制中心，同時(shí)可根據(jù)這些信息自動(dòng)選擇運(yùn)行不同的配時(shí)方案。路口協(xié)調(diào)器把接收到的控制中心的命令下發(fā)給各個(gè)檢測器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)路口的協(xié)調(diào)工作，如圖4所示。

3 車輛檢測算法

本文采用動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值的車輛檢測算法，在不同時(shí)段動(dòng)態(tài)更新基準(zhǔn)值。由于受外界環(huán)境的影響，檢測器檢測到無車情況下的信號(hào)并不是一個(gè)穩(wěn)定的值，這會(huì)產(chǎn)生基準(zhǔn)線的漂移，從而造成車輛的誤檢，采用動(dòng)態(tài)校正基準(zhǔn)值的方法來解決這個(gè)問題。在無車的情況下，檢測器可在一天中的不同時(shí)段自動(dòng)進(jìn)行基準(zhǔn)值更新，校正次數(shù)可以由上端設(shè)定。動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值的計(jì)算公式為

圖4 路口協(xié)調(diào)器模塊框圖Fig.4 Block diagram of intersection coordinator

其中Bj（i）為一天中第i次校正j軸的基準(zhǔn)值，i的值可有上端設(shè)定，j分別代表X軸、Y軸、Z軸，n為預(yù)設(shè)的計(jì)算基準(zhǔn)值時(shí)的滑動(dòng)窗口長度，jk為j軸的某一個(gè)采樣值。

為提高檢測的準(zhǔn)確度，本文采用差分算法對采集到的車輛信息進(jìn)行處理。其數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 車輛檢測算法示意圖Fig.5 Chart of vehicle detection algorithm

X軸計(jì)算公式為：

其中xi為檢測器采集到的X軸的數(shù)據(jù)，x為X軸動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值。

Y軸的差分計(jì)算公式為：

其中yi為檢測器采集到的Y軸的數(shù)據(jù)，y為Y軸的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值。

Z軸的計(jì)算公式為：

其中zi為檢測器采集到的Z軸的數(shù)據(jù)，z為Z軸的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值。

通過計(jì)算各軸采集的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)值差值的絕對值，便可得到各軸波形的波動(dòng)值，為提高檢測精度，減少外界干擾，采用3個(gè)軸的波動(dòng)值之和作為本次采樣的波動(dòng)值存入緩沖器，波動(dòng)值計(jì)算公式為

當(dāng)緩沖器中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到滑動(dòng)窗口長度N時(shí)，計(jì)算其平均值dave，滑動(dòng)窗口的長度會(huì)根據(jù)實(shí)際的檢測情況自動(dòng)調(diào)節(jié)。與預(yù)先設(shè)定的閾值θ進(jìn)行比較，比較結(jié)果or作為輸出。當(dāng)or=1時(shí)表示有車，or=0時(shí)表示無車 。

3.1 交通流量（traffic volume）測量

單位時(shí)間內(nèi)通過道路某一截面的車輛數(shù)量，此以單車道計(jì)數(shù)即為車流量，計(jì)算公式為

其中tv為單位時(shí)間內(nèi)的交通流量，n為t時(shí)間內(nèi)通過的車輛數(shù)。

3.2 時(shí)間占有率計(jì)算

時(shí)間占有率為道路某檢測截面或檢測區(qū)內(nèi)有車存在的時(shí)間與統(tǒng)計(jì)總時(shí)間之比。假設(shè)車輛占用檢測器的時(shí)間為Ti，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為t，有n輛車經(jīng)過檢測器，各個(gè)車占用時(shí)間分別為T1、T2、T3、…、Tn，則統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)時(shí)間占有率 Qri為：

3.3 車速的檢測

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)中采用各向異性磁阻（AMR）傳感器技術(shù)通過對車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的地球磁場的擾動(dòng)進(jìn)行檢測，從檢測信號(hào)中提取所需的特征參數(shù)，從而計(jì)算出各種交通參數(shù)。利用無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，減少了布線造成的對路面的破壞。筆者設(shè)計(jì)的基于地磁感應(yīng)的無線車輛檢測系統(tǒng)，檢測器尺寸小，靈敏度高，成本低且不易受外界環(huán)境干擾。所使用的算法仍可以進(jìn)一步改進(jìn)，并可增加一些智能算法，這也是進(jìn)一步研究的一個(gè)方向。

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