磁阻傳感器在車流檢測中的應用

【摘要】為了緩解城市交通擁堵，研究了一種基于磁阻傳感器的車流量檢測系統，磁阻傳感器能將車輛引起的地磁擾動轉換為清晰的電壓信號輸出。該系統包含了信號放大模塊、無線通信模塊等，多個地磁傳感器節點通過無線通信模塊與計算機系統相連，將檢測到的車流信息反饋到上位機，從而實現對整個路口車流的檢測。

【關鍵詞】磁阻傳感器；車流量檢測

1.引言

如何緩解城市交通擁堵、提高道路通行能力已經成為當前迫切需要研究解決的課題。如果可以根據各車道車流量來實現對交通信號燈的智能化控制，合理地分配交通信號燈控制時間，那么就可以提高交通系統效率，緩解交通擁堵現象。為獲取車流量相關數據必須設計一個道路車流量檢測系統。針對車流量檢測系統的需求，本文介紹了磁阻傳感器車流量檢測原理，采用雙軸磁阻傳感器HMC1022和無線通信模塊技術設計了一種車流量檢測系統。

2.檢測原理

地磁車輛檢測器是基于磁阻傳感器的車輛檢測技術，具有尺寸小、安裝方便、對非鐵磁性物體無反應、可靠性高等特點。磁阻傳感器主要利用鎳鐵導磁合金的磁阻效應。磁阻傳感器的基礎元件是惠斯通電橋，組成電橋的電阻由鎳鐵導磁合金材料制成，該電阻的電阻值與偏置電流和磁場矢量之間的夾角存在一定的函數關系。

地球磁場強度很弱，在最強的兩極其強度不到1mT，平均強度約為0.06mT。車輛本身含有的鐵磁物質會對車輛存在區域的地磁信號產生影響，使車輛所在區域的地球磁力線發生彎曲。在一個有限的空間里，地球磁場可以看成是均勻的，當這個均勻磁場被鐵磁性材料（如鐵、鋼、鎳、鈷等）擾動時，它的均勻性就會受到破壞。當車輛經過傳感器附近，傳感器能夠靈敏感知到信號的變化，經信號分析就可以得到檢測路面的車流信息。

3.硬件設計

本設計是以STC12C5A60S2單片機為控制基礎，以HMC1022為信息采集傳感器的單節點分布式車流量信息采集與控制系統。傳感器節點由雙軸磁阻傳感器HMC1022、XL02-232AP1無線通信模塊和電源組成。與HMC1001/1002、其他三軸磁阻傳感器相比，HMC1022具有更低功耗，同時減少了周邊電路，節點最大能量主要消耗在無線發送與接收數據時刻。多個地磁傳感器節點通過串口無線通信模塊與計算機系統相連，將檢測到的車流信息反饋到上位機，從而實現對整個路口車流量的檢測。該系統包含了信號放大模塊、無線通信模塊、A/D轉換模塊、傳感器置位/復位模塊等。車流量檢測系統硬件的設計框架圖如圖1所示。

3.1 無線通信模塊

本文選用Honeywell生產的一種雙軸磁阻傳感器HMC1022，其具有體積小、靈敏度高、價格低、穩定性好等優點。HMC1022靈敏度可達1mV/V/Gs，線性誤差為0.1%，滯后誤差和可重復性誤差也都很小，可以達到0.05%。

由于磁阻傳感器大約僅有幾米的檢測范圍，而且磁場信號強度隨著距離增大而線性衰減。實際應用中，我們通常將傳感器置于車道中間。為了不影響交通的正常運行，本文采用XL02-232AP1無線通信模塊，該模塊采用高性能工業級單片機，其抗干擾性好，通信穩定可靠。其通信信道為半雙工，可用于點對點通信，使用簡單，模塊正常工作時默認在數據接收狀態。本設計使XL02-232AP1模塊工作在一點對多點的通信方式，這種通信方式需設置一個模塊為主站，其余為從站，各個站都預設有一個唯一的地址碼，并且主站默認處于接收狀態，所有的從站默認都處于發送狀態。各從站皆采用帶地址碼的數據幀發送數據或命令，主站接收全部從站發送的數據幀，并根據接收到的數據的地址碼判斷是哪個車道檢測點發送的數據，進而進行相應的交通燈信號控制。這些工作通過上層協議來完成，可保證主站及時接收到從站發送的數據，以免相互干擾，造成丟幀現象。

XL02-232AP1無線通信模塊采用+5V的直流電源供電，最大工作電流不超過60mA，電源可以和其他設備共用，但要注意電源的質量和接地的可靠性。隨著中國光伏產業的快速發展，可以考慮采用太陽能為該系統供電。使用時將無線通信模塊的數據輸出端TxD接單片機的數據輸入端RxD，模塊的數據輸入端RxD接單片機的數據輸出端TxD。模塊的SET端為設置參數狀態端口，進入設置模式時，需先將此端口拉低，再給模塊上電，此時綠燈長亮，進入設置模式。參數設置好后，平時正常工作時將該端口懸空即可。

3.2 傳感器置位/復位模塊

當磁阻傳感器暴露于干擾磁場中，容易受到大磁場的干擾影響。當磁阻傳感器的檢測磁場超出±6Gs范圍，傳感器的輸出將不再保持線性關系，其靈敏度也將隨之降低，從而引起輸出信號的衰變，將無法準確檢測弱信號磁場。為避免這種情況出現，影響檢測精度，將脈沖信號施加到HMC1022芯片自帶的內集成置位/復位電流帶，以恢復其原來的高靈敏度。本設計中MOSFET開關管選用增強型高壓場效應管AO4606。由單片機定時器模塊在每隔100ms的高電平后產生一個不小于2us脈寬的低電平時鐘信號，從而切換MOS管的導通和截止，產生可控制置位/復位電流帶的脈沖信號。

4.算法實現

鑒于該系統要求傳感器節點的檢測數據能通過無線通信模塊與上位機進行實時通訊，且單片機存儲空間有限，車流量檢測算法不能消耗單片機太多存儲空間和計算時間。Ding等提出多中間狀態機算法，該算法計算簡單、精度高，并且能在單片機運行過程中得到實時結果。

多中間狀態機包括5個狀態：nocar、car、count0、count00以及count1。輸入為u（k），中間狀態為count0、count00，輸出為car、nocar。首先，將磁阻傳感器HMC1022檢測到的信號通過平均處理算法處理后得到f（k），再將f（k）轉換為二值化信號u（k）作為狀態機輸入，并設定閥值T（k），當f（k）≥T（k）時，u（k）=1，當f（k）

與單中間狀態機算法相比，多中間狀態機算法不僅可以判斷車輛何時進入檢測區，而且增加了判斷車輛離開檢測器的中間狀態，能夠更好地從時間序列中提取車輛信息，因此，能有效避免由于干擾造成的誤判。

5.測試與結論

本檢測系統的實驗結果是在道路現場進行實地測試得到的。根據檢測點安放位置不同、傳感器敏感軸的安置方向不同等多種情況分別進行測試，采集相應磁場信號變化信息，并進行分類對比與分析。

檢測節點A和檢測節點B分別安置于車道中央和車道邊緣，車輛行駛方向為從西至東，如圖2所示。改變磁阻傳感器敏感軸X軸的方向，以X軸正方向為標志，使其分別朝向東、西、南、北方位，測試來車時該檢測節點的磁場變化。

對比分析檢測節點A和檢測節點B的測試波形，可發現當車輛從檢測節點上方通過時，檢測值有著明顯的變化，而車輛從檢測節點旁邊通過時，檢測值雖有變化，但不明顯。根據此不同變化特征，可將檢測節點安置于道路各車道中央，既可以精確地辨別該車道是否有車輛經過，又可以有效地防止旁邊車道車輛經過時引起的干擾，避免誤檢現象發生。

6.結束語

實驗證明，該車流量檢測系統對車輛具有很好的檢測效果，同時算法簡單，運行速度快，適合應用于單片機上。檢測系統具備傳感器節點成本低、體積小、無須布線等特點，可廣泛應用于智能交通領域的車輛檢測。

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