基于磁阻傳感器的車流量檢測系統(tǒng)的設(shè)計

(中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

據(jù)中經(jīng)未來產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)庫顯示：截至2016年底，全國機(jī)動車保有量達(dá)2.9億輛，其中汽車1.94億輛[1]，且仍在迅速增長。道路資源已難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的交通需求，發(fā)展智能交通迫在眉睫[2-3]。

車流量檢測系統(tǒng)是發(fā)展智能交通的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的車流量檢測方式主要是地感線圈、視頻等方式[4]。地感線圈檢測精度高，但是安裝需要大面積破壞路面，且線圈容易損壞，使用壽命短。視頻檢測的方式易受天氣影響，雨雪霧霾及光線較差時檢測精度低，環(huán)境適應(yīng)性差[6-7]。近年來，已有很多公司開始研發(fā)地磁式車輛檢測系統(tǒng)，但大都存在通信穩(wěn)定性差、壽命不如預(yù)期、整體可靠性不夠的問題。鑒于此，本文采用磁阻傳感器，結(jié)合無線自組網(wǎng)技術(shù)和低功耗技術(shù)，設(shè)計了一種新型的車流量檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及車輛檢測原理

1.1 系統(tǒng)組成

地磁式動態(tài)車流量檢測系統(tǒng)由車輛檢測器、區(qū)域控制器、無線路由模塊和接口適配器等組成，如圖1所示。

圖1 車流量檢測系統(tǒng)組成

車輛檢測器實(shí)時檢測各車道車輛狀態(tài)信息，通過ZigBee-Mesh架構(gòu)無線自組織網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將各車道車輛有無信息匯總后發(fā)送給接口適配器，接口適配器輸出開關(guān)量信號給交通信號機(jī)，交通信號機(jī)再根據(jù)統(tǒng)計的流量信息對路口進(jìn)行自適應(yīng)紅綠燈調(diào)節(jié)。

1.2 車輛檢測原理

地球本身是一個巨大的磁體，會在空間上產(chǎn)生一個磁感應(yīng)強(qiáng)度平均約為0.5 GS的矢量磁場，雖然地磁場隨著季節(jié)溫度等原因會有所波動，但波動很緩慢，因此一段時間內(nèi)一定區(qū)域內(nèi)的地磁場在沒有外界因素干擾的情況下，可以認(rèn)為基本保持恒定[8-9]。

大的鐵磁物質(zhì)會強(qiáng)烈干擾地磁場，引起地磁場的畸變[10]。而車輛的絕大部分是由金屬部件構(gòu)成，當(dāng)它移動時，就會強(qiáng)烈干擾地球磁場。汽車發(fā)動機(jī)和車輪處鐵磁結(jié)構(gòu)件較多，在這些部位磁場擾動尤為明顯[11]，如圖2所示。

圖2 車輛引起的地磁場畸變

在車道下方部署磁阻傳感器，該磁場擾動將會導(dǎo)致磁阻傳感器阻值的變化，從而引起電路中電壓電流的變化，通過采集傳感器兩端電壓變化，可以檢測出相應(yīng)區(qū)域的車輛存在和通過等信息。圖3為某車輛經(jīng)過檢測區(qū)域時得到的磁場擾動三軸解算值。

圖3 車輛引起的磁場擾動三軸解算折線圖

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計

2.1 地磁式車輛檢測器

地磁式車輛檢測器由三軸磁阻傳感器、磁采集驅(qū)動電路、MCU、無線通信單元和供電單元組成，如圖4所示。其中三軸磁阻傳感器兩兩正交，x軸平行于車輛前進(jìn)方向，y軸平行于路面與車輛前進(jìn)方向垂直，z軸垂直于路面。磁采集驅(qū)動電路與MCU之間通過SPI口連接，MCU與無線通信單元之間通過SCI口連接。

圖4 車輛檢測器框圖

MCU定時開啟磁采集驅(qū)動芯片工作，獲取三軸磁場值，然后與背景磁場值做差，計算出三軸磁場差值的均方根值，即三軸解算值，與設(shè)定的閾值比較，大于等于閾值認(rèn)定為有車，小于閾值認(rèn)定為無車，其中背景磁場值會隨著時間的變化緩慢平滑。MCU通過上述算法判斷出車輛狀態(tài)有變化時，會立即通過SCI口將狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給無線通信單元，最后由無線通信單元將數(shù)據(jù)直接或間接發(fā)送給區(qū)域控制器。如果長時間沒有車輛狀態(tài)變化，車輛檢測器也會定時發(fā)送心跳包。

該車輛檢測器功耗低，檢測精度高，體積小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，防護(hù)等級高，使用時地埋式安裝在車道下方，不易被人為破壞且不影響市容市貌。

2.2 區(qū)域控制器

區(qū)域控制器主要由無線通信單元、MCU、RS485電路、RS232電路和供電單元等組成。如圖5所示。

圖5 區(qū)域控制器框圖

區(qū)域控制器、車輛檢測器、無線路由模塊組成基于ZigBee協(xié)議的樹狀無線網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域控制器是無線網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、監(jiān)聽，無線數(shù)據(jù)的接收匯總及無線命令的下達(dá)。同一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的區(qū)域控制器、車輛檢測器和無線路由模塊具備相同的PANID。

一方面，各車輛檢測器將車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)直接或間接(由無線路由模塊轉(zhuǎn)發(fā))發(fā)送給區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將各車道狀態(tài)數(shù)據(jù)匯總后打包為一條數(shù)據(jù)幀，通過RS485電路發(fā)送給接口適配器，發(fā)送頻率為20 Hz。另一方面，區(qū)域控制器通過RS232接口與PC機(jī)相連，通過部署在PC機(jī)上的上位機(jī)軟件，可以對系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)固件的在線升級。

2.3 無線路由模塊

無線路由模塊主要由無線通信單元、MCU和供電單元組成。無線路由模塊起到擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，延長通信距離和增加網(wǎng)絡(luò)可靠性的作用。

2.4 接口適配器

接口適配器由RS485電路、MCU、移位寄存器、多路信號轉(zhuǎn)換電路和供電單元組成,如圖6所示。

圖6 接口適配器框圖

區(qū)域控制器通過RS485接口將匯總的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給接口適配器，接口適配器將各車道車輛有無狀態(tài)一一解析，并通過移位寄存電路和信號轉(zhuǎn)換電路，輸出一路路開關(guān)量信號，接入交通信號機(jī)。本接口適配器最大可輸出24路開關(guān)量信號。

3 車流量檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

目前該車流量檢測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于宜昌、杭州、寧波、嘉興、東莞等多個城市。下面以某路口為例具體說明。在該路口，車流量檢測系統(tǒng)與SCATS信號機(jī)配合使用。圖7和圖8均來源于交警監(jiān)控中心。其中圖7為車流量檢測曲線圖，圖8為信號機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)曲線圖。

圖7橫坐標(biāo)為時間點(diǎn)，縱坐標(biāo)為各車道車流量數(shù)據(jù)，圖譜顯示為某工作日一天24 h內(nèi)(15 min統(tǒng)計一次)路口各車道的車流量?？梢钥闯觯燔嚵髁扛叩头遐厔莘浅Ｃ黠@。即上下班時間段車流量很大，其他時間段車流量較少，凌晨只有零星少數(shù)車輛?？梢钥闯雠c實(shí)際情況十分一致。

圖8橫坐標(biāo)為時間點(diǎn)，縱坐標(biāo)為信號燈自適應(yīng)調(diào)節(jié)時間周期曲線，從圖中可以看出，低峰時流量少，無需加時，高峰時，流量大，加時明顯。

圖7 車流量檢測曲線圖

圖8 信號機(jī)自適應(yīng)調(diào)節(jié)曲線圖

應(yīng)用該系統(tǒng)可以減少車輛在交叉口的停歇，實(shí)現(xiàn)主干道上的車流優(yōu)先快速通行，提高平均行車速度和單位時間內(nèi)的通行能力。經(jīng)測算，應(yīng)用該系統(tǒng)后路口通行效率提高約27%。

4 結(jié)束語

地磁式車流量檢測系統(tǒng)檢測精度高，安裝維護(hù)方便，使用壽命長，已在多個城市成功應(yīng)用，為緩解“交通難”做出了重大貢獻(xiàn)，必將得到大力推廣應(yīng)用，推動城市智能交通的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的社會效益。