【摘要】通過介紹巨磁阻傳感器的原理以及車輛引起地球磁場擾動的特性，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種準(zhǔn)確可靠的交通流量采集系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)內(nèi)各部分的組成及功能。

【關(guān)鍵詞】巨磁阻傳感器；地磁檢測；物聯(lián)網(wǎng)；交通流量采集系統(tǒng)；智能交通

1.引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，路網(wǎng)通行能力日益滿足不了快速增長的交通需求，交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

傳統(tǒng)的分時段固定配時控制交通信號燈的方式已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的交通需求，為了有效緩解城市交通壓力，提高交通系統(tǒng)運行效率，很多國家都在研究智能化的交通控制方案，即基于交通流量智能調(diào)節(jié)交通信號燈時間[1]。因此，交通流量信息采集的準(zhǔn)確與否就成為了智能交通系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵[2]。鑒于此，本文通過分析車輛引起地球磁場擾動的特性，將先進的巨磁阻傳感器檢測技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計了一種交通流量采集系統(tǒng)。

2.交通流量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 交通流量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交通流量采集系統(tǒng)由車輛檢測器、無線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配模塊等組成，系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

將車輛檢測器安裝在車道中間，通過巨磁阻傳感器檢測車輛經(jīng)過時引起的地球磁場變化來判斷是否有車輛經(jīng)過，然后將車輛有無信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將各車道信息匯總后直接輸出RS485信號或者經(jīng)接口適配模塊轉(zhuǎn)換成觸點/TTL信號給路邊的交通信號機，交通信號機再根據(jù)預(yù)設(shè)的算法智能地調(diào)節(jié)紅綠燈時間。對較大路口還需要添加無線路由模塊，它負責(zé)信號和命令的轉(zhuǎn)發(fā)。車輛檢測器、無線路由模塊、區(qū)域控制器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，信息可以雙向傳遞，固件可以在線升級。

2.2 巨磁阻效應(yīng)及車輛檢測原理

2.2.1 巨磁阻效應(yīng)

所謂巨磁阻效應(yīng)[3]，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大。

利用該效應(yīng)可以制作巨磁阻傳感器。

2.2.2 車輛檢測原理

地球本身就是一個巨大的磁體，會在空間上產(chǎn)生一個磁感應(yīng)強度平均約為0.5GS的矢量磁場，雖然地磁場隨著地域的不同而有所變化，但是在幾公里內(nèi)的區(qū)域里，地磁場大小可以認為是一定的，可能會因為溫度等原因有波動，但波動很小，因此在沒有外界因素干擾的情況下，我們可以認為地磁場基本保持恒定[4]。

大的鐵磁物質(zhì)會強烈的干擾地球磁場，引起地球磁場的畸變[5]，如圖2所示。

而車輛的絕大部分是由金屬部件構(gòu)成，當(dāng)它移動時，會強烈的干擾地球磁場。這些擾動在汽車發(fā)動機和車輪處尤為明顯[6]，如圖3所示[5]。該擾動能很容易的被巨磁阻傳感器探測到，因此可以用巨磁阻傳感器探測車輛存在和通過等信息。

2.3 ZigBee協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee協(xié)議是一種短距離、大容量無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)協(xié)議，主要用于近距離無線連接，以多跳接力的方式實現(xiàn)無線通信[7]。其低功耗、短時延、大容量、自組網(wǎng)等特點使得ZigBee協(xié)議通信技術(shù)非常適合應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域[8]。

ZigBee協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹型、網(wǎng)狀型等拓撲結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用樹型結(jié)構(gòu)，區(qū)域控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和運行。車輛檢測器是網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點。為了保證通信質(zhì)量，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點距離較遠時還需要添加無線路由模塊，無線路由模塊屬于中繼節(jié)點，負責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.系統(tǒng)各部分組成及功能

交通流量采集系統(tǒng)由車輛檢測器、無線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配器等組成。

3.1 地磁式車輛檢測器

目前，國際上常用的車輛檢測技術(shù)主要基于視頻、微波、環(huán)形線圈等，其中視頻檢測成本高且在夜間及惡劣天氣條件下檢測準(zhǔn)確率低，微波多應(yīng)用于高速路段的車速檢測，安裝方便，但易受周圍環(huán)境影響，不易推廣，環(huán)形線圈精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但安裝及更換需要大面積開鑿路面且線圈受車輛碾壓極易損壞，也無法推廣[9][10]。鑒于此，本文采用國際上最先進的GMR傳感器，結(jié)合微功耗技術(shù)設(shè)計了地磁式車輛檢測器。該車輛檢測器體積小，檢測精度達92%以上，且檢測精度不受環(huán)境影響，防護等級滿足IP68，另外，使用時將該傳感器地埋式安裝在車道下方，不影響市容市貌。

地磁式車輛檢測器由巨磁阻傳感器（GMR）、磁驅(qū)動電路、MCU單元、無線通信模塊和電池組成。如圖4所示。

采用巨磁阻傳感器作為磁檢測探頭，每個車輛檢測器包含三個磁檢測探頭，分別測量x、y、z三個軸磁場值，其中x、y、z三軸兩兩正交。磁驅(qū)動芯片控制GMR傳感器進行磁場采集，并將采集到的模擬量經(jīng)過一定的處理后輸出數(shù)字量給MCU單元，MCU單元將得到的數(shù)字量經(jīng)過車輛判別算法處理后得到車輛有無的信息，然后將該信息通過無線通信模塊傳輸至上層系統(tǒng)，通信頻段為2.4Ghz。

為了避免采用外部供電，該車輛檢測器采用MSP430等超低功耗單片機作為處理器，硬件上優(yōu)化電路設(shè)計，軟件上通過休眠、I/O配置操作及節(jié)能算法等實現(xiàn)微功耗。功耗可以降到uA級別，采用小容量鋰電池供電即可工作7～10年。

3.2 區(qū)域控制器

區(qū)域控制器由無線通信模塊，MCU單元，232電路，485電路，供電電路和各種對外接口組成。

一方面，無線通信模塊接收各車輛檢測器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)， MCU單元對收集到的各車道信息進行匯總處理，并經(jīng)485電路轉(zhuǎn)換成485信號輸出。另一方面，可將區(qū)域控制器通過232接口與計算機相連，通過計算機上的上位機軟件對區(qū)域控制器進行操作，從而實現(xiàn)對區(qū)域控制器進行區(qū)號更改，對無線路由模塊進行區(qū)號和編號更改，對車輛檢測器進行區(qū)號、編號更改，閾值更改，采樣頻率更改等操作，實現(xiàn)固件的在線更新升級。根據(jù)后端交通信號機的接口類型，區(qū)域控制器可以直接輸出RS485信號，或者經(jīng)接口適配器輸出開關(guān)信號/TTL電平信號。

3.3 無線路由模塊

為了擴展無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量和無線通信的可靠性，有時需要根據(jù)路口實際情況，增加一定數(shù)量的無線路由模塊，一般增加1～2個即可。無線路由模塊作為無線通信網(wǎng)絡(luò)的中繼，可以與車輛檢測器，區(qū)域控制器以及其他無線路由模塊進行無線通信，實現(xiàn)車輛檢測信息的轉(zhuǎn)發(fā)和無線命令的轉(zhuǎn)發(fā)。

3.4 接口適配器

當(dāng)后端交通信號機可以直接接收485信號時，區(qū)域控制器可以通過485接口將信息直接發(fā)送給信號機，當(dāng)后端交通信號機只能識別開關(guān)信號或TTL信號時，就需要在區(qū)域控制器后增加一級接口適配器。

接口適配器通過485接口，接收區(qū)域控制器匯總的各個車道車輛有無信息，然后將各個車道的車輛有無信息轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號或TTL電平信號給交通信號機。

4.結(jié)束語

本文結(jié)合巨磁阻傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究出一套準(zhǔn)確可靠的交通流量采集系統(tǒng)，將其應(yīng)用于實際交通路口，將大大提高城市交通系統(tǒng)運行效率，解決城市日趨嚴(yán)重的“出行難”問題，必將在世界范圍內(nèi)受到大力推廣。

參考文獻

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作者簡介：李坤（1987—），男， 2012年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士，助理工程師，現(xiàn)供職于中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，主要研究方向：測控技術(shù)、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)。