基于AMR传感器和Zig Bee技术的车辆检测器设计

高天龙， 章　伟

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816)



基于AMR传感器和Zig Bee技术的车辆检测器设计

高天龙， 章伟

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816)

摘要:根据车辆经过而引起地球磁场扰动这一现象，应用AMR传感器和Zig Bee技术，设计一种放置于交通路口的车辆检测器，该车辆检测器具有安装简便、可靠性高等优点。设计给出磁阻传感器检测原理、测量电路的设计、无线收发模块的软硬件设计及实验结果。经实验证明：该车辆检测器可以准确实时获得各种交通数据(包括车流量、车速度、车辆密度、车头距离、占有率等)，是智能交通系统(ITS)中最重要的交通数据采集设备之一。

关键词：车辆检测器； AMR传感器； CC2530； HMC1052L

0引言

智能交通系统(intelligent traffic system,ITS)[1]是解决日益严重的道路交通问题的有效办法，而车辆检测器则是智能交通系统中最重要的交通数据采集设备之一。采用先进的数据检测手段，实现对交通信息参数有效、准确、实时的检测，是智能交通系统优化交通组织、解决城市交通问题的关键所在。目前，车辆检测传感器可以分为感应线圈式检测器、脉冲超声检测器、雷达检测器、光电检测器和视频检测器等[2]。地感线圈因其较低的价格，成为应用最为广泛的检测器,然而其安装、修理过程却很繁琐，且会对道路造成一定的破坏,同时实时性弱、检测精度低等缺点是地感线圈检测方案最大的不足。视频检测器其检测精度受天气、光线的影响比较大，镜头容易受灰尘的影响。基于各向异性磁阻( AMR) 传感器[3]的车辆检测器具有尺寸小、安装方便、对非铁性物体没有反应、可靠性高等特点，并且,实验证明磁阻传感器用于动态、静态的车辆检测，以及估计车速、车长、车型分类等都有很好的效果。

本文将无线传感器网络(WSNs)技术应用到车辆检测中，利用Honeywell 公司生产的AMR传感器HMC1052L，设计出一种无线车辆检测器。

1车辆检测原理

地球可以被看成个南北方向的巨大磁体，其磁场强度大约为0.5～0.6 Gs，方向指向地磁北极。图1所示为地磁场模型，由图可见，在地球上任一点地磁场的方向都指向地磁北极。

地球磁场强度为0.5～0.6 Gs[4]，在一个相对广阔的区域内磁场强度基本是恒定的。对于车辆检测来说，检测范围在10 m以内，此范围内的地磁场可视为恒定不变的。当有铁磁物体进入传感器测量的地磁场范围内时，一定会扰动周围的地磁场分布情况。汽车可以看作多个双极性磁铁组成的模型，由进入的车辆前端发动机和车轮以及车辆内部其它铁磁性物体对地磁场产生扭曲和畸变。图2说明了一辆汽车是扰动地球磁场情况[5]，无论它的运动状态如何，是运动的还是静止的，由于车辆内部铁磁性物质的存在，必定会影响原本分布均匀的地磁场，当车辆处于AMR传感器检测的区域时，AMR传感器就能检测出这种影响。如图2所示，车辆不同部位对地磁场的扰动也不相同，这说明车辆的不同部分对地磁场的影响也不尽相同。一般来说，普通车辆的发动机和车轮是车辆上对地磁场影响最大的两个部位。

图1　地磁场模型Fig 1　Model for the Earth’s magnetic field

图2　汽车产生的磁场的扰动Fig 2　Disturbance of the Earth’s magnetic fieldcaused by vehicle

磁阻传感器可以感应到磁场分布的微小变化，引起内部电路阻值发生变化，从而输出电路中的电压将产生变化，通过一系列信号处理后将电压值经模/数转换后输出到控制器。控制器将记录连续的电压，通过信号的分析得出该区域的车辆信息，当然，该信号经放大也可获取其他交通信息量，比如：该区域车辆的车速、车流量等。

2车辆检测器电路设计

磁阻车辆检测传感器的结构如图3所示，包括磁阻传感器模块(magnetic sensor module)、微控制器模块(MCU module)、电源模块(power module)和无线收发模块(wireless transmit—receive module)。磁阻传感器模块采用HMC1052L传感器和放大电路组成，通过测量磁阻传感器电压的变化来采集车辆通过时磁场的变化情况。微控制器模块采用具有智能控制功能的低功耗单片机STC12C5202AD，并管理和协调系统各部分的工作；无线收发模块CC2530 用于与外界通信，发送检测到的相关信息。

图3　系统结构图Fig 3　Structure diagram of system

2.1磁阻传感器模块设计

磁阻传感器模块主要由信号调理电路、置位/复位电流带电路组成。

HMC1052L电路如图4所示，外接+5 V的电源， 由高效率的+/-5 V开关稳压电源进行提供。S/R引脚接CMOS开关管IRF7509 的置位/复位管脚。信号输出脚3,10,14,16 作为信号输出。由于信号很小，一般只有几毫伏， 需分别与信号放大芯片AD8572相接，进行放大处理后才能进入单片机AD采样，放大电路如图5所示。

图4　HMC1052L传感器电路图Fig 4　Circuit diagram of HMC1052L sensor

图5　差分放大电路Fig 5　Differential amplifier circuit

磁阻传感器在制造过程中，选定沿着薄膜长度的方向为轴，当合金薄膜受到强磁场干扰时(大于20 Gs)，薄膜的磁化极性会受到破坏，需要对传感器施加一个瞬态强磁场来恢复或保持传感器的特性，该过程需要一个置位或复位脉冲。图6所示为置位/复位的脉冲电路图，其中，使用IRF7509互补型双重MOSFET 置位/ 复位电路。200 Ω的电阻器会给1 μF的电流储存电容器，以点滴式充电方式充电到VCC电平，并将电池与电容器和MOSFET 开关的高动作电流隔离。在传统逻辑状态下，当其它开关给电容器反向节点充电到VCC电平时，一个“图腾柱”型开关使0.1 μF电容器的一个节点保持低位。在第一个逻辑状态改变时，电容器几乎两次转换VCC的极性，给串联的置位/ 复位带负载许多脉冲电流。恢复逻辑状态的触发电路使用0.1 μF的电容器保存能量，以便通过置位/ 复位带另外产生一个几乎相等但极性相反的电流脉冲。

图6　置位/复位脉冲电路Fig 6　Set / reset pulse circuit

2.2微控制器模块设计

本文使用的STC12C5202AD单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度提高8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速8位A/D转换。

2.3无线收发模块

本文使用的ZAuZx_T系列Zig Bee串口透传模块是由厦门卓万科技有限公司开发的基于Zig Bee 2007/PRO协议栈的2.4 G Zig Bee[6]无线串口透明传输通信模块。模块基于TI高性能低功耗的2.4 G射频收发芯片CC2530，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模Zig Bee无线传感网络的组网。

3软件设计

按照结构化程序设计的思想，将系统功能分解成各个可执行的最小模块，每个可执行的最小模块由一个子程序来完成，再通过主程序的调用，完成系统功能。根据车辆检测传感器的功能要求，结合硬件电路结构，系统的软件主要实现以下功能：

1)实时检测和处理AMR传感器HMC1052L传入的磁场改变(由于车辆通过)的信息，并通过固定的算法来确定是否有车辆通过和车辆通过的方向等。

2)由于检测信号常受基准值漂移因素的影响。文中采用的方法是当磁场漂移时给置位或复位脉冲，对传感器施加一个瞬态强磁场来恢复和保持传感器特性。

3)配置无线发射接收模块，定义好发送与接收数据帧格式。

软件总体设计流程图如图7所示。整个程序可分为系统初始化程序、磁场检测及处理程序、通信程序等。系统初始化主要包括通讯端口的设置、AD采样的设置等。系统相关配置程序包含了时钟的设置程序、无线接收端数据同步及通信处理等部分。磁场检测程序实时检测和处理磁场改变(由于车辆通过)的数据，通过固定算法进行数据处理。文中将自适应阈值车辆检测算法和神经网络模糊控制算法[7]相结合，提高了检测的精度和灵敏度。

图7　主程序流程图Fig 7　Flow chart of main program

4实验测试结果与分析

将硬件部分和软件部分连接安装好之后，将待测试的无线车辆检测传感器的无线节点埋入桥梁预留的地缝中，对过往的车辆进行现场实验。图8所示为一辆轿车经过时的检测结果。可以看出当有车辆通过时，检测信号发生了明显的变化。该系统具有很高的实时性。如果在实际的交通道路上大规模地安装此系统，同时提高软件算法的精度，就能获得各种交通数据，为交通方面的分析和研究提供真实数据支持。

图8　磁阻传感器采集信号Fig 8　Acquisition signal of magnetic resistance sensor

5结论

本文提出了一种基于AMR传感器的无线车辆检测器设计，其设计简单，功耗低，不受气候的影响，具有较高的检测精度、较稳定可靠的性能以及较好的扩展性，并且由于采用电源控制和充电控制芯片构成电源模块，大幅度地延长了传感器的使用寿命而且简化了管理。场地实验表明:该检测器可以灵敏地感知到车辆对地磁场的扰动，并从扰动中提取车辆信息，具有较高的准确性和可靠性。该设计还具有体积小、安装方便、对路面破坏小、易于维护等优点。如果在实际道路中大规模地安装该系统，可以采集大量的真实交通数据，为道路交通微观和宏观方面的分析，交通流特性的研究，道路交通事故的预防提供基础数据支持。

参考文献:

[1]沙超，王汝传，张悦.一种基于无线传感器网络的智能交通系统[J].传感器与微系统，2012,31(10):81-84.

[2]洛乐，潘霓.基于磁阻传感器的车辆检测无线节点设计[J]．工业控制计算机，2009，22(1):83-84．

[3]唐玉发，张合，刘建敬.基于磁阻传感器与加速度计的姿态角检测技术[J].传感器与微系统，2013,32(1):56-59.

[4]李胜希，于广华.各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应用[J]．北京科技大学学报，2006，28(6):577-590.

[5]吕海洋，钱正洪，白茹,等.基于GMR传感器的Zig Bee无线车辆检测系统设计[J].传感器与微系统，2013,32(3):127-131.

[6]赵敏，常杰，孙棣华.基于Zig Bee和ARM的分布式RFID信息采集系统设计[J].传感器与微系统，2011，30(9):105-109.

[7]徐冬玲,方建安,邵世煌.交通系统的模糊控制及其神经网络实现[J].信息与控制,1992,21(2):74-78.

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

中图分类号：TP 274

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)03—0096—03

作者简介:

高天龙(1989-)，男，江苏淮安人，硕士研究生，主要研究方向为传感器与控制工程，智能交通控制系统的设计与优化。

章伟，通讯作者，E—mail:davidzhang0520@gmail.com。