基于磁阻傳感器的車流量檢測系統的設計

(中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

據中經未來產業研究院數據庫顯示：截至2016年底，全國機動車保有量達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日益增長的交通需求，發展智能交通迫在眉睫[2-3]。

車流量檢測系統是發展智能交通的基礎，傳統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，環境適應性差[6-7]。近年來，已有很多公司開始研發地磁式車輛檢測系統，但大都存在通信穩定性差、壽命不如預期、整體可靠性不夠的問題。鑒于此，本文采用磁阻傳感器，結合無線自組網技術和低功耗技術，設計了一種新型的車流量檢測系統。

1 系統組成及車輛檢測原理

1.1 系統組成

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

圖1 車流量檢測系統組成

車輛檢測器實時檢測各車道車輛狀態信息，通過ZigBee-Mesh架構無線自組織網絡上傳至區域控制器，區域控制器將各車道車輛有無信息匯總后發送給接口適配器，接口適配器輸出開關量信號給交通信號機，交通信號機再根據統計的流量信息對路口進行自適應紅綠燈調節。

1.2 車輛檢測原理

地球本身是一個巨大的磁體，會在空間上產生一個磁感應強度平均約為0.5 GS的矢量磁場，雖然地磁場隨著季節溫度等原因會有所波動，但波動很緩慢，因此一段時間內一定區域內的地磁場在沒有外界因素干擾的情況下，可以認為基本保持恒定[8-9]。

大的鐵磁物質會強烈干擾地磁場，引起地磁場的畸變[10]。而車輛的絕大部分是由金屬部件構成，當它移動時，就會強烈干擾地球磁場。汽車發動機和車輪處鐵磁結構件較多，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，可以檢測出相應區域的車輛存在和通過等信息。圖3為某車輛經過檢測區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 系統各部分設計

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軸平行于車輛前進方向，y軸平行于路面與車輛前進方向垂直，z軸垂直于路面。磁采集驅動電路與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，與設定的閾值比較，大于等于閾值認定為有車，小于閾值認定為無車，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有變化時，會立即通過SCI口將狀態數據發送給無線通信單元，最后由無線通信單元將數據直接或間接發送給區域控制器。如果長時間沒有車輛狀態變化，車輛檢測器也會定時發送心跳包。

該車輛檢測器功耗低，檢測精度高，體積小，環境適應性強，防護等級高，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 區域控制器

區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 區域控制器框圖

區域控制器、車輛檢測器、無線路由模塊組成基于ZigBee協議的樹狀無線網絡。區域控制器是無線網絡的核心，負責網絡的組建、監聽，無線數據的接收匯總及無線命令的下達。同一個網絡內的區域控制器、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數據直接或間接(由無線路由模塊轉發)發送給區域控制器，區域控制器將各車道狀態數據匯總后打包為一條數據幀，通過RS485電路發送給接口適配器，發送頻率為20 Hz。另一方面，區域控制器通過RS232接口與PC機相連，通過部署在PC機上的上位機軟件，可以對系統內各設備的關鍵參數進行更改，實現固件的在線升級。

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展網絡容量，延長通信距離和增加網絡可靠性的作用。

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

區域控制器通過RS485接口將匯總的數據幀發送給接口適配器，接口適配器將各車道車輛有無狀態一一解析，并通過移位寄存電路和信號轉換電路，輸出一路路開關量信號，接入交通信號機。本接口適配器最大可輸出24路開關量信號。

3 車流量檢測系統的應用

目前該車流量檢測系統已成功應用于宜昌、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，車流量檢測系統與SCATS信號機配合使用。圖7和圖8均來源于交警監控中心。其中圖7為車流量檢測曲線圖，圖8為信號機自適應調節曲線圖。

圖7橫坐標為時間點，縱坐標為各車道車流量數據，圖譜顯示為某工作日一天24 h內(15 min統計一次)路口各車道的車流量。可以看出，全天車流量高低峰趨勢非常明顯。即上下班時間段車流量很大，其他時間段車流量較少，凌晨只有零星少數車輛。可以看出與實際情況十分一致。

圖8橫坐標為時間點，縱坐標為信號燈自適應調節時間周期曲線，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 信號機自適應調節曲線圖

應用該系統可以減少車輛在交叉口的停歇，實現主干道上的車流優先快速通行，提高平均行車速度和單位時間內的通行能力。經測算，應用該系統后路口通行效率提高約27%。

4 結束語

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