高天龍， 章　偉

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816)

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基于AMR傳感器和Zig Bee技術(shù)的車輛檢測器設(shè)計(jì)

高天龍， 章偉

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211816)

摘要:根據(jù)車輛經(jīng)過而引起地球磁場擾動(dòng)這一現(xiàn)象，應(yīng)用AMR傳感器和Zig Bee技術(shù)，設(shè)計(jì)一種放置于交通路口的車輛檢測器，該車輛檢測器具有安裝簡便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)給出磁阻傳感器檢測原理、測量電路的設(shè)計(jì)、無線收發(fā)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：該車輛檢測器可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲得各種交通數(shù)據(jù)(包括車流量、車速度、車輛密度、車頭距離、占有率等)，是智能交通系統(tǒng)(ITS)中最重要的交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一。

關(guān)鍵詞：車輛檢測器； AMR傳感器； CC2530； HMC1052L

0引言

智能交通系統(tǒng)(intelligent traffic system,ITS)[1]是解決日益嚴(yán)重的道路交通問題的有效辦法，而車輛檢測器則是智能交通系統(tǒng)中最重要的交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一。采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)檢測手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信息參數(shù)有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測，是智能交通系統(tǒng)優(yōu)化交通組織、解決城市交通問題的關(guān)鍵所在。目前，車輛檢測傳感器可以分為感應(yīng)線圈式檢測器、脈沖超聲檢測器、雷達(dá)檢測器、光電檢測器和視頻檢測器等[2]。地感線圈因其較低的價(jià)格，成為應(yīng)用最為廣泛的檢測器,然而其安裝、修理過程卻很繁瑣，且會(huì)對(duì)道路造成一定的破壞,同時(shí)實(shí)時(shí)性弱、檢測精度低等缺點(diǎn)是地感線圈檢測方案最大的不足。視頻檢測器其檢測精度受天氣、光線的影響比較大，鏡頭容易受灰塵的影響?；诟飨虍愋源抛? AMR) 傳感器[3]的車輛檢測器具有尺寸小、安裝方便、對(duì)非鐵性物體沒有反應(yīng)、可靠性高等特點(diǎn)，并且,實(shí)驗(yàn)證明磁阻傳感器用于動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的車輛檢測，以及估計(jì)車速、車長、車型分類等都有很好的效果。

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)應(yīng)用到車輛檢測中，利用Honeywell 公司生產(chǎn)的AMR傳感器HMC1052L，設(shè)計(jì)出一種無線車輛檢測器。

1車輛檢測原理

地球可以被看成個(gè)南北方向的巨大磁體，其磁場強(qiáng)度大約為0.5～0.6 Gs，方向指向地磁北極。圖1所示為地磁場模型，由圖可見，在地球上任一點(diǎn)地磁場的方向都指向地磁北極。

地球磁場強(qiáng)度為0.5～0.6 Gs[4]，在一個(gè)相對(duì)廣闊的區(qū)域內(nèi)磁場強(qiáng)度基本是恒定的。對(duì)于車輛檢測來說，檢測范圍在10 m以內(nèi)，此范圍內(nèi)的地磁場可視為恒定不變的。當(dāng)有鐵磁物體進(jìn)入傳感器測量的地磁場范圍內(nèi)時(shí)，一定會(huì)擾動(dòng)周圍的地磁場分布情況。汽車可以看作多個(gè)雙極性磁鐵組成的模型，由進(jìn)入的車輛前端發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪以及車輛內(nèi)部其它鐵磁性物體對(duì)地磁場產(chǎn)生扭曲和畸變。圖2說明了一輛汽車是擾動(dòng)地球磁場情況[5]，無論它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何，是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的，由于車輛內(nèi)部鐵磁性物質(zhì)的存在，必定會(huì)影響原本分布均勻的地磁場，當(dāng)車輛處于AMR傳感器檢測的區(qū)域時(shí)，AMR傳感器就能檢測出這種影響。如圖2所示，車輛不同部位對(duì)地磁場的擾動(dòng)也不相同，這說明車輛的不同部分對(duì)地磁場的影響也不盡相同。一般來說，普通車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪是車輛上對(duì)地磁場影響最大的兩個(gè)部位。

圖1　地磁場模型Fig 1　Model for the Earth’s magnetic field

圖2　汽車產(chǎn)生的磁場的擾動(dòng)Fig 2　Disturbance of the Earth’s magnetic fieldcaused by vehicle

磁阻傳感器可以感應(yīng)到磁場分布的微小變化，引起內(nèi)部電路阻值發(fā)生變化，從而輸出電路中的電壓將產(chǎn)生變化，通過一系列信號(hào)處理后將電壓值經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出到控制器?？刂破鲗⒂涗涍B續(xù)的電壓，通過信號(hào)的分析得出該區(qū)域的車輛信息，當(dāng)然，該信號(hào)經(jīng)放大也可獲取其他交通信息量，比如：該區(qū)域車輛的車速、車流量等。

2車輛檢測器電路設(shè)計(jì)

磁阻車輛檢測傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括磁阻傳感器模塊(magnetic sensor module)、微控制器模塊(MCU module)、電源模塊(power module)和無線收發(fā)模塊(wireless transmit—receive module)。磁阻傳感器模塊采用HMC1052L傳感器和放大電路組成，通過測量磁阻傳感器電壓的變化來采集車輛通過時(shí)磁場的變化情況。微控制器模塊采用具有智能控制功能的低功耗單片機(jī)STC12C5202AD，并管理和協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作；無線收發(fā)模塊CC2530 用于與外界通信，發(fā)送檢測到的相關(guān)信息。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3　Structure diagram of system

2.1磁阻傳感器模塊設(shè)計(jì)

磁阻傳感器模塊主要由信號(hào)調(diào)理電路、置位/復(fù)位電流帶電路組成。

HMC1052L電路如圖4所示，外接+5 V的電源， 由高效率的+/-5 V開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行提供。S/R引腳接CMOS開關(guān)管IRF7509 的置位/復(fù)位管腳。信號(hào)輸出腳3,10,14,16 作為信號(hào)輸出。由于信號(hào)很小，一般只有幾毫伏， 需分別與信號(hào)放大芯片AD8572相接，進(jìn)行放大處理后才能進(jìn)入單片機(jī)AD采樣，放大電路如圖5所示。

圖4　HMC1052L傳感器電路圖Fig 4　Circuit diagram of HMC1052L sensor

圖5　差分放大電路Fig 5　Differential amplifier circuit

磁阻傳感器在制造過程中，選定沿著薄膜長度的方向?yàn)檩S，當(dāng)合金薄膜受到強(qiáng)磁場干擾時(shí)(大于20 Gs)，薄膜的磁化極性會(huì)受到破壞，需要對(duì)傳感器施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)磁場來恢復(fù)或保持傳感器的特性，該過程需要一個(gè)置位或復(fù)位脈沖。圖6所示為置位/復(fù)位的脈沖電路圖，其中，使用IRF7509互補(bǔ)型雙重MOSFET 置位/ 復(fù)位電路。200 Ω的電阻器會(huì)給1 μF的電流儲(chǔ)存電容器，以點(diǎn)滴式充電方式充電到VCC電平，并將電池與電容器和MOSFET 開關(guān)的高動(dòng)作電流隔離。在傳統(tǒng)邏輯狀態(tài)下，當(dāng)其它開關(guān)給電容器反向節(jié)點(diǎn)充電到VCC電平時(shí)，一個(gè)“圖騰柱”型開關(guān)使0.1 μF電容器的一個(gè)節(jié)點(diǎn)保持低位。在第一個(gè)邏輯狀態(tài)改變時(shí)，電容器幾乎兩次轉(zhuǎn)換VCC的極性，給串聯(lián)的置位/ 復(fù)位帶負(fù)載許多脈沖電流?；謴?fù)邏輯狀態(tài)的觸發(fā)電路使用0.1 μF的電容器保存能量，以便通過置位/ 復(fù)位帶另外產(chǎn)生一個(gè)幾乎相等但極性相反的電流脈沖。

圖6　置位/復(fù)位脈沖電路Fig 6　Set / reset pulse circuit

2.2微控制器模塊設(shè)計(jì)

本文使用的STC12C5202AD單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度提高8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換。

2.3無線收發(fā)模塊

本文使用的ZAuZx_T系列Zig Bee串口透傳模塊是由廈門卓萬科技有限公司開發(fā)的基于Zig Bee 2007/PRO協(xié)議棧的2.4 G Zig Bee[6]無線串口透明傳輸通信模塊。模塊基于TI高性能低功耗的2.4 G射頻收發(fā)芯片CC2530，實(shí)現(xiàn)極易使用、全透明、高穩(wěn)定、超低功耗、超遠(yuǎn)距離、超大規(guī)模Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。

3軟件設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，將系統(tǒng)功能分解成各個(gè)可執(zhí)行的最小模塊，每個(gè)可執(zhí)行的最小模塊由一個(gè)子程序來完成，再通過主程序的調(diào)用，完成系統(tǒng)功能。根據(jù)車輛檢測傳感器的功能要求，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)實(shí)時(shí)檢測和處理AMR傳感器HMC1052L傳入的磁場改變(由于車輛通過)的信息，并通過固定的算法來確定是否有車輛通過和車輛通過的方向等。

2)由于檢測信號(hào)常受基準(zhǔn)值漂移因素的影響。文中采用的方法是當(dāng)磁場漂移時(shí)給置位或復(fù)位脈沖，對(duì)傳感器施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)磁場來恢復(fù)和保持傳感器特性。

3)配置無線發(fā)射接收模塊，定義好發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀格式。

軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。整個(gè)程序可分為系統(tǒng)初始化程序、磁場檢測及處理程序、通信程序等。系統(tǒng)初始化主要包括通訊端口的設(shè)置、AD采樣的設(shè)置等。系統(tǒng)相關(guān)配置程序包含了時(shí)鐘的設(shè)置程序、無線接收端數(shù)據(jù)同步及通信處理等部分。磁場檢測程序?qū)崟r(shí)檢測和處理磁場改變(由于車輛通過)的數(shù)據(jù)，通過固定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。文中將自適應(yīng)閾值車輛檢測算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制算法[7]相結(jié)合，提高了檢測的精度和靈敏度。

圖7　主程序流程圖Fig 7　Flow chart of main program

4實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

將硬件部分和軟件部分連接安裝好之后，將待測試的無線車輛檢測傳感器的無線節(jié)點(diǎn)埋入橋梁預(yù)留的地縫中，對(duì)過往的車輛進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。圖8所示為一輛轎車經(jīng)過時(shí)的檢測結(jié)果?？梢钥闯霎?dāng)有車輛通過時(shí)，檢測信號(hào)發(fā)生了明顯的變化。該系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性。如果在實(shí)際的交通道路上大規(guī)模地安裝此系統(tǒng)，同時(shí)提高軟件算法的精度，就能獲得各種交通數(shù)據(jù)，為交通方面的分析和研究提供真實(shí)數(shù)據(jù)支持。

圖8　磁阻傳感器采集信號(hào)Fig 8　Acquisition signal of magnetic resistance sensor

5結(jié)論

本文提出了一種基于AMR傳感器的無線車輛檢測器設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)簡單，功耗低，不受氣候的影響，具有較高的檢測精度、較穩(wěn)定可靠的性能以及較好的擴(kuò)展性，并且由于采用電源控制和充電控制芯片構(gòu)成電源模塊，大幅度地延長了傳感器的使用壽命而且簡化了管理。場地實(shí)驗(yàn)表明:該檢測器可以靈敏地感知到車輛對(duì)地磁場的擾動(dòng)，并從擾動(dòng)中提取車輛信息，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。該設(shè)計(jì)還具有體積小、安裝方便、對(duì)路面破壞小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。如果在實(shí)際道路中大規(guī)模地安裝該系統(tǒng)，可以采集大量的真實(shí)交通數(shù)據(jù)，為道路交通微觀和宏觀方面的分析，交通流特性的研究，道路交通事故的預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

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Design of vehicle detector based on AMR sensor and Zig Bee technology

GAO Tian-long， ZHANG Wei

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

Abstract:According to phenomenon of disturbance of Earth’s magnetic field caused by vehicle passing，a kind of vehicle detector which is based on AMR sensor and Zig Bee technology is designed to place in traffic intersection,and the vehicle detector has features of easy installation and high reliability,etc.Principle of magnetic resistance sensor detection,design of measuring circuit,software and hardware design of wireless transceiver module and experimental results are given.It is proved by experiment that the vehicle detector can accurately and get all kinds of traffic data including flow of vehicles,vehicle speed,vehicle density and headway,share,etc in real-time,it is one of the most important traffic data collection equipment in intelligent traffic system(ITS).

Key words:vehicle detector; AMR sensor; CC2530; HMC1052L

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0096—03

收稿日期：2015—07—20

中圖分類號(hào)：TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)03—0096—03

作者簡介:

高天龍(1989-)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c控制工程，智能交通控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

章偉，通訊作者，E—mail:davidzhang0520@gmail.com。