WiST:磁阻式传感器设备构建的无线智能交通监测系统:磁阻传感器

　　摘要:磁阻式传感器通过对汽车经过时引起的地磁扰动精确地转换为清晰的电压信号,利用该信号可对车长、车速等多种车辆信息进行监测,从而为交通监管部门提供实时交通信息,构建智能交通监测系统。本文介绍一种利用磁阻式传感器构建的无线智能交通监测系统WiST的系统构成、设计细节,并对此系统中的主要设备磁阻式传感器设备做了详细的介绍。 半实物仿真以及实地测试证明,此系统可较好的识别汽车在时速40km/h-80km/h时的车速与车长。
　　关键词: 磁阻式传感器 无线WiFi 车辆监测
　　中图法分类号: TP301.6文献标识码: A
　　
　　WiST: Wireless smart-traffic monitoring system using devices of magneto-resistive sensor
　　Haohui Zhou
　　(1. Dept. of Information, Changsha Business Travel College Changsha Hunan 410004, China; 2)
　　
　　Abstract: When vehicle passes a magneto-resistive sensor, the produced massive magnetic changes caused by this vehicle will be detected by a magneto-resistive sensor precisely and changed into voltage signal. By using this signal to monitor vehicle information such as length and speed, real-time traffic information can be used by traffic monitor administration and a Smart-traffic monitoring system can be realized. This paper introduces design details, and system construction of a wireless smart-traffic monitoring system using devices of magneto-resistive sensor which named WiST. System simulation and tests on the spot proves that this system can detects the speed and length of a vehicle whose speed range between 40km/h-80km/h.
　　
　　1 引言
　　随着我国机动车保有量的飞速增长,越来越多的城市开始面对严峻的交通拥堵问题,如北京、上海及各省会城市,尤其是北京目前为缓解交通压力已实施尾号限行政策。如何及时的监测各个路网的交通流量,并对车辆进行疏导,成为智能交通的重点研究问题。目前国际上通常使用的车辆监测技术主要有环形线圈法、视频和微波雷达。环形线圈法通过在城市交通路口、高速路路上埋入线圈实现对来往车辆的监测,但此方法随测量精确,但安装维护复杂且安装过程中破坏路面。而视频与微波雷达监测则对天气、光线等自然环境影响较大且造价相对较高。
　　近年来,国内外科研院所和高技术公司利用磁阻式传感器在智能交通监测方面的应用研究发展较快。基于该传感器的交通监测系统具有尺寸小、安装方便、造价低廉、对非铁磁性物体无反应、可靠性高等特点。实验证明将磁阻式传感器用于交通监测,对车辆的车长进行估计、车型进行分类有较好的效果。本文利用AD公司的ARM芯片以及WiFi设计了基于磁阻式传感器的无线WiFi智能交通监测设备。
　　该系统前端采用ADuc7026来采集磁阻式传感器在车辆通过时产生的电压信号,之后通过无线WiFi网络传送给安置在附近的信息收集节点,最后由信息收集节点经过数据分析和过滤后,通过GPRS网络传送给交通部门的实时监控中心,最终实现对交通的智能监控。
　　 本文首先介绍了基于地磁车辆监测的工作原理,之后阐述了WiST的总体架构设计,之后从硬件节点设计与软件设计上进行了分析。最后通过半实物仿真对WiST系统的性能进行了实验。
　　
　　2 基于磁阻式传感器对车辆监测的原理
　　2.1 磁阻式传感器
　　磁阻式传感器应用了镍铁导磁合金的磁阻效应。镍铁导磁合金的电阻值与偏置电流(I)和磁场矢量(M)之间的夹角()存在函数关系(如图1),其阻值随着磁场矢量变化而改变。磁阻式传感器的基础元件是惠斯通电桥,组成电桥的电阻是由镍铁合金的薄膜片沉积于硅晶片表面制成,惠斯通电桥将磁场的变化转换为差分电压的形式输出[1]。
　　2.2 车辆通过时磁阻式传感器的电压变化
　　当车辆通过具有磁阻式传感器监测地区时,地磁传感器将收到汽车车体铁质材料干扰引起测量值的变化[2,3],如图2所示。
　　地磁传感器一般置于车辆行驶的道路中央,基本出于汽车通过时的正下方。对于多车道的公路,则需要置放多个地磁传感器监测设备并需对车道间的干扰进行有效的滤波,以提高测量的精度。
　　
　　3 WiST的总体设计
　　WiST系统主要由安置在行车道上的地磁传感器监测设备、放置在监测设备周边,利用太阳能供电的道路信息中转设备。以及位于交管部门的道路数据处理中心。具体构成如图3所示。
　　其中地磁传感器监测设备作为整个系统中最重要的前端设备,其采用短距离433MHz的载波频率与道路信息中转设备进行无线数据通信,其可接收道路信息中转设备的控制命令,如:何时休眠、对敏感车型的重点监测、隔多长周期进行一次数据汇报等。道路信息中转中心在WiST系统中主要起信息中转作用,其由太阳能供电,定期通过GPRS模块向交管部门的数据处理中心发送数据。同时,道路信息中转中心也可接收交管部门下发的控制信息,对前端的各地磁传感器监测设备进行配置。位于交管部门的道路数据处理中心,其是WiST系统的后端设备,其主要由道路数据信息库,专家知识库、道路决策中心三部分组成,负责对前端地磁传感器监测设备采集到的数据信息进行分析与处理。
　　3.1 基于地磁传感器监测设备的硬件设计
　　地磁传感器监测设备,处在前端进行信息采集,此设备的设计好坏,将直接影响整套系统的监测精度。本文设计的地磁传感器系统如图4所示。本系统选用霍尼韦尔1001磁阻芯片作为道路磁场测量传感器,该传感器为一维磁阻微电路传感器,是一个单边封装,能够感应与管脚方向平行的磁场[4]。霍尼韦尔1001磁阻式传感器可在无外部线圈辅助的情况下,达到30μGauss的监测分辨率。处理器选用AD 公司的ADuc7026,选用该款传感器芯片,主要因为该芯片优良的AD采集处理能力,该处理器具有40M的主频ARM7处理器, 16路12位AD采样通道,采样速率可达1MIPS。为了能够提高地磁传感器监测设备的运算与处理能力,硬件设计时外扩了数据带宽为16bit的两块256KB的RAM。此外,系统采用微网高通的Wi-M433MUA01无线模块,该模块内置TCP协议栈,使用433MHz的载波频率,最高能够达到38.4Kbps的无线数据传输速率,对于车辆通过时产生的数据传输要求,该模块足可胜任。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　地磁传感器监测设备主要可划分为配置管理模块、数据采集处理模块、无线收发模块,如图5所示。
　　为了能够精确的测量车长,ADuc7026分别利用两路AD与两个霍尼韦尔磁阻式传感器相连。两个传感器按汽车行驶方向排列,相聚距离为一个常值固定为厘米。当汽车通过地磁传感器监测设备时,ADuc7026可采集到2组具有一定时间差的波形信号,信号形状如图2所示。若设这两组信号的时间差秒,设车速为,则车速的计算公式为:
　　(1)
　　此设备需要达到的车速车辆指标为:40km/h-80km/h,而为了能够是设备安置方便,两个传感器之间的距离一般不会超过20cm,因此这就要求对于两个传感器信号波形之间的时间差有较好的精度,否则将导致车长测量误差精度过大,因此为了能够使设备能够达到一定精度,必须需要软件上的支持,利用滤波和平滑来寻找传感器采集到的特征值点,之后根据特征值点间的时间差对两组信号的时间差进行测算。此外还需对地磁传感器采集到车辆到达时的时间以及离开时的时间进行测算,以便能够较准确的计算车长。
　　若设车长为,设地磁传感器设备采集到的信号持续时间长度为,则车长的计算公式为:
　　(2)
　　3.2 基于地磁传感器监测设备的软件设计
　　磁场传感器监测设备的软件编写,主要包括监测设备上信息数据的采集,对采集的数据进行峰值提取,无线数据发送三个模块。其中数据采集模块较为简单,只要通过设置ADuc7026的相关寄存器,便可对数据采样率进行控制。由上节最后一段叙述可知,对采集到的数据特征值点所在时间点精确的提取,将有助于精确的测量车速与车长。地磁传感器监测设备一般采用蓄电池供电,因此,在硬件上实现滤波一方面会增加设备的成本,另一方面则会增加设备能耗,降低设备生存期。因此本文采取软件滤波与平滑的策略。
　　3.3 基于地磁传感器设备的数据采集处理模块设计
　　地磁传感器设备上电后,会首先设置复位并读取设备上存储的配置信息,对AD采集模块、无线收发模块等模块进行配置。最后,地磁传感器设备进入AD数据的采集处理循环程序,对数据采集后进行滤波处理。由于大地磁场随着环境,如:天气、温度、时间会有一定的变化,并不会如图3中X轴那样的平稳,因此本文设计,当AD数据采集,滤波完成后,将会判断波形是否发生了较大变化,若没有,则将此波形对没有车辆通过时的波形进行记录,这样,便可确定磁场漂移的基线,从而较好的提取出车辆通过时的波形信息。最后,由于在能量受限的无线设备中的主要能耗为无线收发模块的能耗,因此,磁阻式传感器设备会选择隔一定时间传送一批数据,因此当波形信息被提取出后,会选择对数据进行格式转换并存储。
　　3.4 地磁传感器设备无线数据收发模块设计
　　地磁传感器设备的无线数据收发模块定期与道路信息中转设备进行数据通信,为了能够节省地磁传感器设备有限的能量,因此此模块采取“工作-休眠”的周期工作方式,为了节省模块的能耗,在未有数据需要收发时,无线模块进入休眠状态。当地磁传感器设备有数据要发送时,其将开始设置无线模块的片上寄存器,使其工作在收发状态。在发送数据完成后,将进入接收状态,监测数据转发中心是否有数据ACK消息。若无ACK,则监测设备将等待一定超时时间,进行转发;若收到了ACK,则设备将继续转入接收状态,接收数据转发中心传来的控制消息,用以对地磁传感器设备进行配置。无线数据收发模块的软件设计流程图如图6所示。
　　3.5 地磁传感器设备的数据滤波与平滑处理
　　地磁传感器设备的数据滤波与平滑处理对车长与车速的测量精度的影响较大,因此即要考虑到处理器能够接收的算法复杂度,又需考虑到算法的计算效果。
　　由于设备能耗与成本上的考虑,本文并未选用传统的数据滤波算法,如:利用带通滤波器变换的自适应阈值状态机方法,多中间状态的车辆检测法等。本文选用基于地磁信号的滑动滤波来达到对地磁传感器采集数据的数据滤波与平滑处理。该方法创建一个循环队列用做采样数据的存储器,循环队列长度固定为n,每进行一次新的采样,把采样数据放入队尾,扔掉位于队首的数据。因此,在队列中始终有n个最新的数据。对这n个最新数据求取平均值,作为此次采样的有效值。此方法每采样一次,便可得到一个有效采样值,因而速度快,实时性好,对周期性干扰具有良好的抑制作用。
　　3.6 实验与仿真
　　为了分析、验证WiST系统的性能,本文对所设计系统的主要模块进行了半实物仿真以及实地测试。
　　本文对设计的硬件进行了半实物仿真,在传感器上侧水平缓慢的使用一个非均匀铁质物品来模拟汽车的铁质分布(此铁质前端铁密度较大并放置一个小型的磁铁以模拟汽车发动机,后端则使用铁密度较低的铁制品)滑行过两个传感器,并对数据进行了采集和处理,图8为实验中将采集的数据利用串口传送给主机,并在主机上运行Python编写的监测程序显示的结果,从图中可看出,在非均匀铁质通过时,其对传感器的影响较大,尤其是模拟发动机的部分通过时带来了磁场较大的变化,随着非均匀铁质滑行过磁阻式传感器,磁场趋于平稳。
　　最后进行实地测试,设置汽车时速为40km/h,以及80km/h并让汽车水平从磁阻式监测设备的顶部滑过。下表显示了部分测试结果。
　　从上表可看出,磁阻式监测设备在实际测量当中能够较好的分辨出时速40km/h-80km/h的车长与车速。
　　
　　4 结语
　　本文叙述了一种基于磁阻式传感器的无线只能交通监测系统WiST,并着重介绍了其中最重要的设备-无线磁阻式传感器监测设备的设计方案以及软硬件实现,并通过半实物仿真以及实地测试验证了此设备的性能,目前此WiST系统正在进行下一步研究与研发,相信其成果将对未来智能交通监测应用作出贡献,本文的研究与研发过程对后续研究者有一定的参考价值。
　　
　　参考文献:
　　[1] 樊海泉,董德存.基于模式匹配算法的车型识别研究叨.微型电脑应用,2002.18(4):19-20.
　　[2] 李谋成,徐满意.基于地磁传感的交通检测系统田.大连大学学报[J].2005.26(4):19-23.
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　　[4] 白慧.基于薄膜磁阻传感器的弱磁测量系统的设计[J].2006-10.24(4):43-46.
　　
　　作者简介:周浩慧,出生年:1970,女,湖南益阳,长沙商贸旅游职业技术学院信息系讲师,主要研究方向:计算机应用。职称:讲师,学位:学士,主要研究领域为计算机应用技术、高性能计算、网格计算
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