InSb磁阻傳感器在智能交通應(yīng)用

丁加春

摘 要 種車輛信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而為交通監(jiān)管部門提供實(shí)時(shí)交通信息，構(gòu)建智能交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文介磁阻式傳感器通過對(duì)汽車經(jīng)過時(shí)引起的地磁擾動(dòng)精確地轉(zhuǎn)換為清晰的電壓信號(hào)，利用該信號(hào)可對(duì)車長(zhǎng)、車速等多紹一種利用磁阻式傳感器構(gòu)建的無線智能系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 傳感器 智能 交通

0引言

隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的飛速增長(zhǎng)，越來越多的城市開始面對(duì)嚴(yán)峻的交通擁堵問題，如北京、上海及各省會(huì)城市，尤其是北京目前為緩解交通壓力已實(shí)施尾號(hào)限行政策。如何及時(shí)的監(jiān)測(cè)各個(gè)路網(wǎng)的交通流量，并對(duì)車輛進(jìn)行疏導(dǎo)，成為智能交通的重點(diǎn)研究問題。目前國(guó)際上通常使用的車輛監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有環(huán)形線圈法、視頻和微波雷達(dá)。

（1）測(cè)速不準(zhǔn)。線圈是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，與速度有關(guān)系，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，低速無法正確識(shí)別；

（2）漏拍率高。線圈之間互相串?dāng)_，高底盤車無法正常檢測(cè)；

（3）靈敏度低。無法檢測(cè)高底盤車，容易漏掉小型車輛（如：摩托車）；

（4）誤報(bào)。車輛在線圈分界線檢測(cè)，會(huì)造成同一輛車測(cè)試有兩條記錄；

（5）測(cè)量超速和逆行 單線圈沒法測(cè)量，需要雙線圈而且保持一定距離，占地面積大 。

本公司利用InSb磁阻原理制成的磁阻傳感器在智能交通監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究發(fā)展較快?；谠搨鞲衅鞯慕煌ūO(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有尺寸小、安裝方便、造價(jià)低廉、對(duì)非鐵磁性物體無反應(yīng)、可靠性高等特點(diǎn)，同時(shí)可以避免地感線圈的相關(guān)技術(shù)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明將磁阻式傳感器用于交通監(jiān)測(cè)，對(duì)車輛的車長(zhǎng)進(jìn)行估計(jì)、車型進(jìn)行分類有較好的效果。利用AD公司的ARM 芯片以及WiFi設(shè)計(jì)了基于磁阻式傳感器的無線W iFi智能交通監(jiān)測(cè)設(shè)備。該系統(tǒng)前端采用ADHC7026來采集磁阻式傳感器在車輛通過時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，之后通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送給安置在附近的信息收集節(jié)點(diǎn)，最后由信息收集節(jié)點(diǎn)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和過濾后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給交通部門的實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的智能監(jiān)控。本文首先介紹了基于地磁車輛監(jiān)測(cè)的工作原理，之后闡述了WiST的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，之后從硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行了分析。最后通過半實(shí)物仿真對(duì)wiST系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1基于磁阻式傳感器對(duì)車輛監(jiān)測(cè)的原理

（1）磁阻式傳感器。其阻值隨著磁場(chǎng)變化而改變。磁阻式傳感器的基礎(chǔ)元件是惠斯通電橋，組成電橋的電阻是InSb薄膜沉積于硅晶片表面制成，惠斯通電橋?qū)⒋艌?chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為差分電壓的形式輸出是同一種結(jié)構(gòu)，則所有4只電阻器的電阻是相同的。正交施加磁場(chǎng)使2只反向放置的電阻，目標(biāo)物通過電阻的先后順序，使電阻有一個(gè)增量△尺。在剩下的2只反向放置的電阻器中，導(dǎo)致電阻減少△R。電橋輸出為Vout= （△R/R ）Vb 。

（2）車輛通過時(shí)磁阻式傳感器的電壓變化當(dāng)車輛通過具有磁阻式傳感器監(jiān)溯地區(qū)時(shí)，地磁傳感器將收到汽車車體鐵質(zhì)材料干擾引起磁通量變化從而引起磁阻測(cè)量值的變化。地磁傳感器一般置于車輛行駛的道路中央，基本出于汽車通過時(shí)的正下方。對(duì)于多車道的公路，則需要置放多個(gè)地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備并需對(duì)車道問的干擾進(jìn)行有效的濾波， 以提高測(cè)量的精度性。

2 WiST的總體設(shè)計(jì)

其中地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備作為整個(gè)系統(tǒng)中最重要的前端設(shè)備，其采用短距離43 3MHZ的載波頻率與道路信息中轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信，其可接收道路信息中轉(zhuǎn)設(shè)備的控制命令，如：何時(shí)休眠、對(duì)敏感車型的重點(diǎn)監(jiān)鍘、隔多長(zhǎng)周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)匯報(bào)等。道路信息中轉(zhuǎn)中心在WiST系統(tǒng)中主要起信息中轉(zhuǎn)作用，其由太陽能供電，定期通過GPRS模塊向交管部門的數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)，道路信息中轉(zhuǎn)中心也可接收交管部門下發(fā)的控制信息，對(duì)前端的各地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行配置 位于交管部門的道路數(shù)據(jù)處理中心， 其是WiST 系統(tǒng)的后端設(shè)備， 其主要由道路數(shù)據(jù)信息庫， 專家知識(shí)庫、道路決策中心三部分組成，負(fù)責(zé)對(duì)前端地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析與處理。

2.1基于地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)InSb磁阻芯片作為道路磁場(chǎng)測(cè)量傳感器，該傳感器為一維磁阻微電路傳感器，，磁阻式傳感器可在無外部線圈輔助的情況下，達(dá)到30 Gauss的監(jiān)測(cè)分辨率。處理器選用AD 公司的ADuc7026，選用該款傳感器芯片，主要因?yàn)樵撔酒瑑?yōu)良的AD 采集處理能力，該處理器具有40M 的主頻ARM7處理器，16路1 2位AD 采樣通道，采樣速率可達(dá)lMIPS。為了能夠提高地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)算與處理能力，硬件設(shè)計(jì)時(shí)外擴(kuò)了數(shù)據(jù)帶寬為16bit的兩塊256KB的RAM。此外，系統(tǒng)采用微網(wǎng)高通的w i—M433MUA0l無線模塊，該模塊內(nèi)置TCP協(xié)議棧，使用433MHZ的載波頻率，最高能夠達(dá)到38.4Kbps的無線數(shù)據(jù)傳輸速率，對(duì)于車輛通過時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸要求，該模塊足可勝任。地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備主要可劃分為配置管理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、無線收發(fā)模塊。v=（ loo）/（f 3600） （1）。

2.2基于地磁傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的軟件編寫，主要包括監(jiān)測(cè)設(shè)備上信息數(shù)據(jù)的采集， 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值提取，無線數(shù)據(jù)發(fā)送三個(gè)模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊較為簡(jiǎn)單，只要通過設(shè)置ADuc7026的相關(guān)寄存器，便可對(duì)數(shù)據(jù)采樣率進(jìn)行控制。由上節(jié)最后一段敘述可知，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)特征值點(diǎn)所在時(shí)間點(diǎn)精確的提取，將有助于精確的測(cè)量車速與車長(zhǎng)。地磁傳感器監(jiān)溯設(shè)備一般采用蓄電池供電， 因此，在硬件上實(shí)現(xiàn)濾波一方面會(huì)增加設(shè)備的成本，另一方面則會(huì)增加設(shè)備能耗， 降低設(shè)備生存期。因此本文采取軟件濾波與平滑的策略。

2.3基于地磁傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

處理模塊設(shè)計(jì)地磁傳感器設(shè)備上電后，會(huì)首先設(shè)置復(fù)位并讀取設(shè)備上存儲(chǔ)的配置信息，對(duì)AD 采集模塊、無線收發(fā)模塊等模塊進(jìn)行配置。最后，地磁傳感器設(shè)備進(jìn)入AD 數(shù)據(jù)的采集處理循環(huán)程序，對(duì)數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行濾波處理。由于大地磁場(chǎng)隨著環(huán)境，如：天氣，溫度、時(shí)間會(huì)有一定的變化，并不會(huì)如圖3中X軸那樣的平穩(wěn)， 因此本文設(shè)計(jì)，當(dāng)AD數(shù)據(jù)采集，濾波完成后，將會(huì)判斷波形是否發(fā)生了較大變化，若沒有，則將此波形對(duì)沒有車輛通過時(shí)的波形進(jìn)行記錄。

3結(jié)語

本文敘述了一種基于InSb磁阻式傳感器的無線只能交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 并著重介紹了其中最重要的設(shè)備一無線磁阻式傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案以及軟硬件實(shí)現(xiàn)。