郭乙薇

(國(guó)糧武漢科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430079)

當(dāng)今社會(huì),隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,加劇了城市化進(jìn)程,交通堵塞現(xiàn)象也成為各大城市普遍面臨的問(wèn)題[1-3]。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度落后于車(chē)輛增長(zhǎng)速度,對(duì)交通車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè),提高道路通行效率,是解決交通堵塞問(wèn)題的重要途徑[4-5]。傳統(tǒng)的交通車(chē)輛檢測(cè)方法存在對(duì)道路產(chǎn)生影響,容易受到環(huán)境干擾,安裝復(fù)雜,維護(hù)代價(jià)大等缺點(diǎn)。相比之下,磁阻傳感器安裝方便、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng),在交通車(chē)輛檢測(cè)中具有良好的發(fā)展前景[6-8]。

本文采用磁阻傳感器HMC5883L檢測(cè)道路的地磁場(chǎng),然后利用CC2530芯片通過(guò)I2C串口接收處理磁傳感器HMC5883L采集的數(shù)據(jù),通過(guò)UAT串口將數(shù)據(jù)傳送給筆記本電腦[9-10]。首先搭建交通車(chē)輛磁信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng),在此基礎(chǔ)上,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際道路實(shí)驗(yàn),分析了不同道路交通環(huán)境條件下,交通車(chē)輛磁信號(hào)的性質(zhì)和特點(diǎn),為實(shí)際道路交通車(chē)輛磁信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)奠定基礎(chǔ)[11-12]。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示,系統(tǒng)由磁阻傳感器、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)構(gòu)成。其中,磁阻傳感器是用三軸磁阻傳感器HMC5883L作為感知元件,實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)感知；終端節(jié)點(diǎn)利用CC2530模塊實(shí)現(xiàn),輸入相應(yīng)的代碼,連接相應(yīng)的電路,從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)包以無(wú)線形式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的目的；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也是利用CC2530模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),只是輸入不同的代碼,連接與之相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)匯集數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后通過(guò)串口發(fā)送到電腦端的目的；上位機(jī)由普通的筆記本電腦構(gòu)成,它裝有IAR和MATLAB軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和繪制地磁信號(hào)圖的作用。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)組成部分

2.1 磁阻傳感器HMC5883L

霍尼韋爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊,并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片,應(yīng)用于低成本羅盤(pán)和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。HMC5883L內(nèi)置RC濾波電路、12位AD轉(zhuǎn)換器、I2C總線接口,能夠在±8高斯的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)5毫高斯分辨率。HMC5883L采用I2C總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,最大輸出頻率可達(dá)160 Hz。將HMC5883L模塊焊接在萬(wàn)用板加以固定,用排針的方式引出SDA、SCL兩個(gè)接口和電源線兩根,方便與節(jié)點(diǎn)相連接,它由CC2530模塊進(jìn)行供電。

2.2 CC2530節(jié)點(diǎn)

CC2530結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧Z-Stack,用于組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)成員分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)三類(lèi)。不同節(jié)點(diǎn)雖外形相似,但實(shí)現(xiàn)的功能不同。終端節(jié)點(diǎn)以75 Hz的速率采集傳感器數(shù)據(jù)并無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后通過(guò)串口傳輸至上位機(jī)。由于節(jié)點(diǎn)間通信距離較短,未使用到路由節(jié)點(diǎn)。

2.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)即一臺(tái)個(gè)人筆記本電腦,使用MATLAB軟件對(duì)應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和保存。上位機(jī)軟件包含了IAR7.51和MATLAB 7以上版本的軟件?？梢岳肐AR傳輸節(jié)點(diǎn)代碼,用MATLAB對(duì)搜集到的信號(hào)進(jìn)行處理,如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下,利用手機(jī)、移動(dòng)電源和茶葉盒分別進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),得到的磁信號(hào)如圖3～圖5所示。

圖3 手機(jī)5次通過(guò)磁阻傳感器時(shí)的檢測(cè)信號(hào)

圖4 移動(dòng)電源5次通過(guò)磁阻傳感器時(shí)的檢測(cè)信號(hào)

圖5 餅干盒5次通過(guò)磁阻傳感器時(shí)的檢測(cè)信號(hào)

3.2 實(shí)際簡(jiǎn)單道路系統(tǒng)測(cè)試

選取武漢市洪山區(qū)的華元路與濟(jì)學(xué)路交匯路口南公交站臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),此路段為典型的四車(chē)道,路面平整,車(chē)道寬度較大,為直線路段,并且車(chē)流量較少,所通行的車(chē)輛以公交車(chē)為主,方便進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn),實(shí)際道路環(huán)境如圖6所示。

在實(shí)際道路交通道路條件下,分別對(duì)不同車(chē)道進(jìn)行磁信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境場(chǎng)景——華元路227省道檢測(cè)地點(diǎn)

圖7 1車(chē)道小車(chē)通過(guò)時(shí)的檢測(cè)信號(hào)

圖8 2車(chē)道小車(chē)通過(guò)時(shí)的檢測(cè)信號(hào)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),利用該系統(tǒng)進(jìn)行交通車(chē)輛磁信號(hào)檢測(cè),可以獲取較好的磁信號(hào)特征。

3.3 實(shí)際復(fù)雜道路系統(tǒng)測(cè)試

實(shí)際道路交通條件下,更為復(fù)雜的路況主要體現(xiàn)出如下特征:

1)車(chē)道數(shù)量更多；

2)通行車(chē)輛數(shù)量更多；

3)通行車(chē)輛的類(lèi)型更多。

在此實(shí)際復(fù)雜交通道路條件下,地磁信號(hào)將受到氣候變化的影響,以及交通道路中其他交通車(chē)輛的影響。地磁信號(hào)是否可靠,是否穩(wěn)定,是利用地磁信號(hào)進(jìn)行交通車(chē)輛檢測(cè)與識(shí)別的關(guān)鍵。

為了進(jìn)一步測(cè)試該地磁車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和有效性,考慮了兩種實(shí)際復(fù)雜道路狀況:

1)雨天狀況；

2)車(chē)流量較大。

雨天狀況車(chē)流量較大的測(cè)試環(huán)境,如圖9所示；持續(xù)15 min內(nèi)利用地磁檢測(cè)系統(tǒng)所獲得的地磁檢測(cè)信號(hào)圖,如圖10所示。測(cè)試時(shí),所選擇的路段車(chē)流量很大,可以達(dá)到每分鐘100輛。通過(guò)測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn):

1)在雨天狀況條件下,本文設(shè)計(jì)的地磁檢測(cè)系統(tǒng)也可以檢測(cè)得到比較明顯的地磁信號(hào),可以用于后期的交通車(chē)輛檢測(cè)與識(shí)別；

2)本文設(shè)計(jì)的地磁檢測(cè)系統(tǒng),惡劣氣候環(huán)境對(duì)其影響較大,但信號(hào)的穩(wěn)定性表現(xiàn)比較好；

3)本文設(shè)計(jì)的地磁檢測(cè)系統(tǒng),持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間工作,所得到的信號(hào)的穩(wěn)定性較強(qiáng),系統(tǒng)可靠性一定程度上可以得到保證。

圖9 雨天狀況測(cè)試環(huán)境

圖10 雨天連續(xù)車(chē)流狀況條件下地磁信號(hào)測(cè)試結(jié)果

較復(fù)雜實(shí)際道路情況下的地磁信號(hào)結(jié)果,為進(jìn)一步改進(jìn)和提高本文設(shè)計(jì)的地磁檢測(cè)系統(tǒng)的性能,為其將來(lái)應(yīng)用于實(shí)際道路車(chē)輛檢測(cè),奠定了比較好的基礎(chǔ)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了交通車(chē)輛檢測(cè)的背景和研究的意義,重點(diǎn)研究了利用磁阻傳感器HMC5883L檢測(cè)地磁信號(hào),通過(guò)CC2530模塊構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議的交通車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。在所構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用磁阻傳感器進(jìn)行交通車(chē)輛檢測(cè),可以達(dá)到較好的檢測(cè)效果,可以應(yīng)用于實(shí)際道路交通條件下的交通車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測(cè)。

該研究可以在如下方面繼續(xù)研究和探索:

1)將磁傳感器檢測(cè)方法的研究成果應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),解決前端傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸量較高的問(wèn)題；

2)采用稀疏編碼方法,傳輸有效而且較低的數(shù)據(jù)量；

3)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將單車(chē)道的車(chē)輛檢測(cè)方法推廣到雙車(chē)道以及更為普遍的道路；

4)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,增強(qiáng)在復(fù)雜道路環(huán)境下的車(chē)輛檢測(cè)的準(zhǔn)確性。