王 瑋，沈繼忠*，董利達(dá)

(1.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州310027;2.杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，杭州310012)

車輛檢測器可用于采集車流量、車速、道路占有率等交通信息，是智能交通系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一［1］。常用的檢測器有視頻、感應(yīng)線圈、微波雷達(dá)、紅外、超聲波等類型，其中線圈檢測技術(shù)成熟且應(yīng)用最廣泛，但是存在安裝維護復(fù)雜、對道路破壞大等缺點［2］，其他檢測手段由于成本較高、易受環(huán)境影響而限制了大規(guī)模應(yīng)用。磁阻傳感器利用鐵、鈷、鎳等金屬的磁阻效應(yīng)可以檢測到車輛經(jīng)過時對環(huán)境磁場的擾動，與線圈檢測相比具有安裝維護方便，可靠性高和耗能少等優(yōu)點，有望成為線圈檢測的替代方式［3］。

磁阻檢測器埋于路面下工作，節(jié)點一般采用電池供電，由于壽命受電源限制，已有設(shè)計難以支持較高的采樣率和無線通信負(fù)荷，無法滿足高準(zhǔn)確率和高實時性檢測的要求，因此磁阻車檢技術(shù)的應(yīng)用范圍集中在停車位或低速少車路段。目前對于磁阻車檢技術(shù)研究主要集中在檢測算法上［4－5］，而對節(jié)點壽命問題缺乏有效解決方法。E.Sifuentes等人［6］提出以功耗極低的光學(xué)檢測來觸發(fā)磁阻檢測，節(jié)點僅在疑似車輛到來時才喚醒工作，不足之處是光學(xué)傳感易受干擾且車流量對節(jié)點功耗影響大。郭鵬等［7］采用電源動態(tài)管理的方法一定程度上降低了傳感能耗，但數(shù)據(jù)采集較慢使工作占空比較大，能量利用效率仍較低。此外上述方案均沒有對節(jié)點的無線通信進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。近年來太陽能道釘技術(shù)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用［8］，受其啟發(fā)可將低功耗設(shè)計與太陽能道釘?shù)淖怨╇娂夹g(shù)結(jié)合來解決磁阻車輛檢測節(jié)點的壽命限制問題。為此本文從功耗控制和能量采集兩方面入手，設(shè)計了一種基于磁阻傳感器的自供電車輛檢測節(jié)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用于采集道路車輛信息的檢測網(wǎng)絡(luò)是由一個匯聚節(jié)點AP(Access Point)和若干個傳感節(jié)點SN(Sensor Node)組成的星型網(wǎng)絡(luò)。圖1是采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。帶有太陽能電池板的SN節(jié)點安裝在車道中央，為避免妨礙行車，可借用地埋式道釘燈的安裝方式，即節(jié)點表面與路面平齊，并用高強度透明殼體加以保護。SN節(jié)點對車輛信號進(jìn)行實時處理檢測，并將結(jié)果上傳路旁的AP節(jié)點匯總，每個車道設(shè)置兩個SN節(jié)點可以實現(xiàn)兩點測速。AP節(jié)點采用有線供電，為替代線圈并兼容已有設(shè)備，AP可以使用RS232，RS485等接口和現(xiàn)場交通控制器通信。

圖1 車輛信息采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 硬件設(shè)計

SN節(jié)點主要由信號采集模塊、處理模塊、無線收發(fā)模塊以及能量管理模塊四部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中MCU對采集模塊的傳感器及信號調(diào)理電路采用間歇供電，避免采集空閑時功耗浪費。能量管理模塊自動切換供電源并控制太陽能充電。

2.1 處理和無線收發(fā)

處理模塊MCU選用16 bit單片機MSP430F149。MSP430F149具有多種低功耗工作模式，睡眠到喚醒用時極短［9］，很適合周期喚醒工作的應(yīng)用，自帶12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC轉(zhuǎn)換速率超過200 ksample/s，有助于實現(xiàn)快速信號采集。無線收發(fā)模塊使用2.4 GHz射頻芯片nRF24L01P，支持最高2 Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率［10］，而選用較高傳輸速率有助于降低功耗和減少通信沖突。MSP430F149使用SPI接口與nRF24L01P通信，完成工作模式設(shè)定和數(shù)據(jù)讀寫。

圖2 SN節(jié)點組成框圖

2.2 信號采集

信號采集模塊由傳感器，信號調(diào)理電路和消磁電路組成，采用兩個AMR磁阻傳感器HMC1021［11］進(jìn)行檢測。節(jié)點采用3.3 V供電，車輛磁擾動范圍為±2 Gauss，傳感器輸出差分信號范圍約±6.6 mV，為便于AD轉(zhuǎn)換信號還需經(jīng)調(diào)理電路放大約200倍。單軸信號采集電路如圖3所示。其中調(diào)理電路的前級放大采用 AD623儀表放大器［12］，可提供高輸入阻抗和高共模抑制比，后級使用 OP262運放［13］在放大同時構(gòu)成有源濾波器，兩個放大器都具有μV級輸入失調(diào)電壓及溫漂，噪聲密度較低，能夠有效抑制信號漂移和噪聲。傳感器和調(diào)理電路的電源由MCU控制，間歇供電時長包括信號建立時間和模數(shù)轉(zhuǎn)換時間兩部分，其中MCU模數(shù)轉(zhuǎn)換時間已確定，為最小化信號建立時間，需要保證調(diào)理電路帶寬足夠大。設(shè)置前級放大5倍時可保證AD623帶寬200 kHz，后級放大40倍時OP262帶寬約300 kHz，而傳感器的帶寬高達(dá)5 MHz，因此整個信號鏈路帶寬為200 kHz，理論上5 μs即可完成信號建立?？紤]到上電時間及濾波電容影響，實際時間應(yīng)適當(dāng)增加以確保信號完全建立。

圖3 傳感器及調(diào)理電路

磁阻傳感器存在磁滯現(xiàn)象，通過對傳感器置位/復(fù)位帶阻施加瞬間強電流可恢復(fù)或保持傳感器特性。電源電壓無法提供足夠大電流，因此設(shè)計了H橋電路［14］實現(xiàn)雙倍電壓放電效果，如圖4所示。

圖4 傳感器置位/復(fù)位電路

2.3 能量管理模塊

超級電容充電快且充放電次數(shù)無限，鋰電池能量密度高漏電少［15］，因此采用超級電容加鋰電池的兩級能量存儲方案，工作原理如圖5所示。夜間或陰雨天光照不足時，超級電容與鋰電池并聯(lián)為節(jié)供電;光照充足時太陽能充電使電容電壓升高，二極管截止降時，轉(zhuǎn)為電容單獨供電。選用的太陽能電池板標(biāo)準(zhǔn)電壓為5 V，最大功率0.5 W，鋰電池額定電壓為 3.7 V，充電電壓 4.2 V。選用 5.5 V、1.5 F 的小容量電容，漏電流小且足以支撐節(jié)點白天的工作。SS34是肖特基二極管，100 mA下正向壓降僅為0.2 V ～ 0.3 V［16］。XC6206 線性低壓差穩(wěn)壓器 LDO(Low Drop-Out Regulator)實現(xiàn)3.3 V穩(wěn)壓供電，LDO輸出紋波小，能夠降低電源對傳感信號的干擾。二極管和LDO上會有一定的能量損耗，當(dāng)鋰電池工作電壓為4 V時，根據(jù)LDO轉(zhuǎn)換效率計算公式［17］鋰電池電源利用效率可達(dá)到82%。

圖5 能量管理模塊原理框圖

LDO輸入端經(jīng)分壓后輸入到MCU的ADC，實時監(jiān)測該處電壓可獲知超級電容或鋰電池電量信息。需對鋰電池充電時，MCU控制IRF7105接通充電電路。充電管理芯片CN3063有效充電輸入電壓為4.35 V～6 V，與太陽能電池板輸出匹配，能自動控制鋰電池的預(yù)充、恒流以及恒壓充電［18］。

3 無線通信協(xié)議設(shè)計

3.1 TDMA和時間同步

基于TDMA的MAC協(xié)議不存在數(shù)據(jù)碰撞，空閑時隙能夠及時進(jìn)入睡眠［19］，滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)能需求的同時還可提供測速所需的時間同步，非常適合車輛信息采集系統(tǒng)。所有節(jié)點以AP為時鐘基準(zhǔn)，信道在時間上劃分為周期1.25 s的超幀，每個超幀又劃分S0～S127共128個時隙。S0為管理時隙，允許AP向SN節(jié)點廣播命令包;S1～S127被分配給各SN節(jié)點向AP上傳數(shù)據(jù)，AP在此期間始終處于監(jiān)聽狀態(tài)。AP對SN發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行確認(rèn)，SN收到ACK確認(rèn)包后執(zhí)行傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法［20］TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Network)計算同步偏差:

式(1)中T1和T4分別是SN發(fā)送數(shù)據(jù)和收到ACK的時間戳，保存在SN節(jié)點上;T2和T3是AP收到數(shù)據(jù)和發(fā)送ACK的時間戳，包含在ACK包中。SN定時發(fā)送同步包來維持時間同步，由于發(fā)送其他數(shù)據(jù)包時也能實現(xiàn)同步，因此可減少冗余的同步包發(fā)送。

3.2 跳頻與節(jié)點加入

為提高通信可靠性，降低同頻干擾影響，引入循環(huán)跳頻機制。同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用相同的信道表和跳頻方法，S1～S127時隙的信道由時隙號計算得到:

式(2)中Nchannel表示信道編號，Nslot為當(dāng)前時隙號，Nnode是SN節(jié)點總數(shù)。S0時隙也跳頻，但信道號由超幀號所決定，采用與其他時隙不同的信道表。根據(jù)式(2)，信道總數(shù)為Nnode+1，AP會周期跳至特定信道，因此SN搜索網(wǎng)絡(luò)時可以嘗試在某一信道上不斷發(fā)送加入請求，若收到ACK則可實現(xiàn)同步并加入，否則隨機退避后再嘗試。信道數(shù)大于節(jié)點數(shù)，節(jié)點可從不同信道同時請求接入從而避免競爭，有助于在系統(tǒng)重啟或睡眠喚醒時快速組網(wǎng)。

4 軟件設(shè)計

4.1 總體軟件設(shè)計

由于SN節(jié)點資源及功耗限制不宜采用操作系統(tǒng)，考慮到應(yīng)用特點以及降耗需要，程序使用時隙驅(qū)動的運行方式。SN節(jié)點劃分為 WORK、JOIN和SLEEP 3個狀態(tài)，每個時隙開始節(jié)點喚醒并根據(jù)工作狀態(tài)進(jìn)入不同任務(wù)處理模塊，處理完成后又進(jìn)入睡眠。WORK狀態(tài)是正常工作狀態(tài)，SN與AP保持時間同步，根據(jù)時隙號執(zhí)行不同的任務(wù)。SN丟失同步后進(jìn)入JOIN狀態(tài)，執(zhí)行請求加入流程。需要關(guān)閉節(jié)點時，AP向SN發(fā)出定時睡眠命令使其進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，喚醒后節(jié)點進(jìn)入JOIN狀態(tài)執(zhí)行重新加入。

在WORK狀態(tài)下節(jié)點在每個時隙首先執(zhí)行采樣及算法檢測，然后根據(jù)需要執(zhí)行通信任務(wù)。由于采樣間隔與通信時隙長度一致，因此采樣頻率為102.4 Hz，而車輛信號頻率范圍一般小于 10 Hz［21］，較高的采樣率便于獲取更多信息用于測速或車輛分類。SN節(jié)點采用了基于狀態(tài)機的在線檢測算法［22］，算法中時間相關(guān)參數(shù)均可根據(jù)采樣率進(jìn)行調(diào)整，且算法可實時將每輛車到來和離開時間分別上傳AP。

4.2 能量管理策略

硬件中已實現(xiàn)供電源的自動切換，軟件中能量管理僅需完成電源監(jiān)測和鋰電池充電控制。為避免鋰電池深充深放縮減壽命，設(shè)定電量低于70%時進(jìn)行充電。為充分利用太陽能，充電時需控制太陽能板輸出電壓在其最大功率區(qū)內(nèi)［15］，根據(jù)所選太陽能板及充電芯片參數(shù)，設(shè)定控制窗口為4.7 V～5.5 V。充電控制算法用圖6的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖描述。電池電量低于70%即電池電壓低于3.9 V時，LDO的輸入ULDO低于3.7 V，進(jìn)入待充電狀態(tài)。在待充電狀態(tài)下，若ULDO大于5.3 V說明此時電容電量充足且光照較好，進(jìn)入充電狀態(tài)。充電中若ULDO降低到4.5 V以下，表明充電條件較差，返回待充電狀態(tài)。鋰電池充電到截止電壓4.25 V時，充電芯片輸出DONE信號，停止充電進(jìn)入滿電量狀態(tài)。

圖6 充電管理算法

5 實驗和結(jié)果

5.1 功耗評估

功耗測量方法是在對應(yīng)模塊的電源端串聯(lián)精度1%的10 Ω電阻，用示波器觀察電阻壓降來間接獲取電流波形。以單軸傳感器和信號調(diào)理電路為例，單軸間歇供電時間設(shè)置為40 μs，電阻上的壓降波形如圖7所示，電壓最大值約50 mV對應(yīng)最大電流約5 mA。相同方法可測得其他主要模塊功耗。

節(jié)點實際功耗與工作模式和車流量相關(guān)，評估時設(shè)定工作負(fù)荷為:采樣頻率102.4 Hz，節(jié)點每1 s向AP發(fā)送一次，即模擬車流量達(dá)到1 800輛/h，能夠滿足大多數(shù)路況。在此條件下，經(jīng)過測量和計算將節(jié)點各模塊工作情況以及電流消耗統(tǒng)計如表1所示。電路中一些元件會產(chǎn)生漏電流，這部分功耗極小因此沒有考慮在內(nèi)。由于采集一次數(shù)據(jù)工作占空比僅為0.4%，其他能耗較高的模塊工作占空比均小于2%，因此平均電流很小，節(jié)點總電流約89 μA。若采用200 mAh容量的電池單獨供電，電源利用效率為80%時可支撐節(jié)點連續(xù)工作74 d。文獻(xiàn)［6］節(jié)點在車流量180輛/h條件下的功耗為0.39 mW，相同條件下本文節(jié)點功耗為0.26 mW。文獻(xiàn)［6］節(jié)點在無車時功耗極低，但其功耗隨車輛數(shù)顯著增加，在1 800輛/h條件下其功耗高達(dá)3.9 mW，而本文節(jié)點功耗僅為0.29 mW，受車流量影響很小。

圖7 傳感器和信號調(diào)理電路的功耗波形

表1 SN節(jié)點各模塊的電流消耗

5.2 能量狀態(tài)評估

采用超大容量電池雖然可以延長節(jié)點壽命，但會使成本增加，體積變大，為此引入太陽能供電，節(jié)點實物如圖8所示。用于測試的太陽能板由10片0.5 V光伏電池串聯(lián)組成，總面積僅40 cm2，保證了節(jié)點小型化。車輛經(jīng)過雖會短暫遮住節(jié)點上方，但總遮蓋時間比例較小并且太陽能板也可利用散射光轉(zhuǎn)換能量，因此太陽能的獲取受車輛影響小。由于灰塵，雨雪，磨損等因素影響可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降，甚至一段時間內(nèi)無法充電，為避免效率過低采用轉(zhuǎn)換效率達(dá)15%的單晶硅電池，適當(dāng)增加電池容量來降低節(jié)點因長時間無法充電而失效的概率。

圖8 節(jié)點實物圖

將節(jié)點放在朝北的陽臺上測試白天模擬運行時的能量狀況，節(jié)點工作負(fù)荷與5.1相同，實驗時間為2013年4月15日，天氣為陰轉(zhuǎn)多云。圖9記錄了能量管理模塊中主要元件的狀態(tài)。早上8:00光伏電池開路電壓為4.3 V，高于鋰電池電壓，節(jié)點接上太陽能板后開始充電。16:00之前電容曲線大都處于上升或平穩(wěn)狀態(tài)，且太陽能板電壓多曲線位于電容曲線之上，表明電容大部分時間處在充電或充電飽和狀態(tài)。16:00之后光照逐漸變差，但仍可收集太陽能，電容隨太陽能板電壓緩慢下降。17:30左右光照急劇下降，無法收集太陽能，依靠電容剩余電量維持。19:00后電容電壓下降到4.05 V并一直保持，說明已切換為鋰電池供電。實驗雖在模擬負(fù)荷下進(jìn)行，但節(jié)點的采樣和處理活動都與實際應(yīng)用時相同，在整個白天運行期間都保持了穩(wěn)定。實驗中白天依靠收集太陽能工作的時長達(dá)到11 h，雖然實際該時長可能受天氣、季節(jié)、地域以及車輛等因素影響，但節(jié)點在弱光照條件下顯示出較強的適應(yīng)能力，對鋰電池的依賴程度極大降低。

圖9 節(jié)點運行時的能量狀況

查閱相關(guān)氣象數(shù)據(jù)［23］，哈爾濱等東北城市冬季正午時水平面上的平均太陽輻照度超過400 W/m2，假設(shè)實際太陽能轉(zhuǎn)換效率為7%，充電效率和電源利用效率按80%計算，可獲得有效功率71.68 mW;節(jié)點功耗為0.29 mW時，一個晴天內(nèi)充電2 h即可滿足至少20 d工作所需能量，由此看出節(jié)點工作具有很好的可持續(xù)性。

5.3 在線車輛檢測

用節(jié)點在不同地方進(jìn)行實地測試，地點1在浙江大學(xué)玉泉校區(qū)正門出口，地點2在杭州玉古路南段，測試時車輛從SN節(jié)點上方駛過，AP收到SN發(fā)送的檢測結(jié)果并用串口上傳筆記本電腦實時顯示，檢測結(jié)果如表2所示。結(jié)果中虛檢是影響準(zhǔn)確率的主要原因，而虛檢車輛是車速低且車速不均引起的誤判，地點一車速較低因此虛檢率也比地點二而高。由于檢測算法的參數(shù)適用于一定的速度區(qū)間，后續(xù)工作還需要對算法改進(jìn)來增強適用性。

表2 實地車輛檢測結(jié)果

6 結(jié)論

本文提出了一種利用太陽能自供電的磁阻車輛檢測節(jié)點設(shè)計方法。針對傳感能耗設(shè)計了快速信號采集電路來提高能量利用效率，針對通信能耗采用專門定制的無線通信協(xié)議來減少通信次數(shù)和避免數(shù)據(jù)碰撞，車流量達(dá)到1 800輛/h時節(jié)點平均功耗可以控制在0.29 mW以內(nèi)。加入太陽能自供電模塊后的評估表明節(jié)點可依靠外部能量持續(xù)工作，解決了節(jié)點壽命受電源限制的問題。由于功耗低且能量供給較充裕，采樣頻率、通信數(shù)據(jù)量以及檢測算法復(fù)雜度仍有進(jìn)一步提高的余地，節(jié)點經(jīng)過進(jìn)一步小型化和工程化還可以用于超速檢測以及車輛分類檢測等復(fù)雜應(yīng)用，在智能交通信息采集方面具有很高的實用性和可擴展性。

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