基于巨磁阻传感器的交通流量采集系统的设计

【摘要】通过介绍巨磁阻传感器的原理以及车辆引起地球磁场扰动的特性，并结合物联网技术，设计了一种准确可靠的交通流量采集系统，详细介绍了系统内各部分的组成及功能。

【关键词】巨磁阻传感器；地磁检测；物联网；交通流量采集系统；智能交通

1.引言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，路网通行能力日益满足不了快速增长的交通需求，交通拥堵现象日趋严重，已经成为制约经济社会可持续发展的关键问题之一。

传统的分时段固定配时控制交通信号灯的方式已经不能满足人们日益增长的交通需求，为了有效缓解城市交通压力，提高交通系统运行效率，很多国家都在研究智能化的交通控制方案，即基于交通流量智能调节交通信号灯时间[1]。因此，交通流量信息采集的准确与否就成为了智能交通系统成败的关键[2]。鉴于此，本文通过分析车辆引起地球磁场扰动的特性，将先进的巨磁阻传感器检测技术和物联网技术结合起来设计了一种交通流量采集系统。

2.交通流量采集系统结构及关键技术研究

2.1 交通流量采集系统结构

交通流量采集系统由车辆检测器、无线路由模块、区域控制器和接口适配模块等组成，系统简图如图1所示。

将车辆检测器安装在车道中间，通过巨磁阻传感器检测车辆经过时引起的地球磁场变化来判断是否有车辆经过，然后将车辆有无信息通过无线通信网络上传至区域控制器，区域控制器将各车道信息汇总后直接输出RS485信号或者经接口适配模块转换成触点/TTL信号给路边的交通信号机，交通信号机再根据预设的算法智能地调节红绿灯时间。对较大路口还需要添加无线路由模块，它负责信号和命令的转发。车辆检测器、无线路由模块、区域控制器组成无线传感器网络，信息可以双向传递，固件可以在线升级。

2.2 巨磁阻效应及车辆检测原理

2.2.1 巨磁阻效应

所谓巨磁阻效应[3]，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

利用该效应可以制作巨磁阻传感器。

2.2.2 车辆检测原理

地球本身就是一个巨大的磁体，会在空间上产生一个磁感应强度平均约为0.5GS的矢量磁场，虽然地磁场随着地域的不同而有所变化，但是在几公里内的区域里，地磁场大小可以认为是一定的，可能会因为温度等原因有波动，但波动很小，因此在没有外界因素干扰的情况下，我们可以认为地磁场基本保持恒定[4]。

大的铁磁物质会强烈的干扰地球磁场，引起地球磁场的畸变[5]，如图2所示。

而车辆的绝大部分是由金属部件构成，当它移动时，会强烈的干扰地球磁场。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显[6]，如图3所示[5]。该扰动能很容易的被巨磁阻传感器探测到，因此可以用巨磁阻传感器探测车辆存在和通过等信息。

2.3 ZigBee协议无线传感器网络

ZigBee协议是一种短距离、大容量无线网络通信技术协议，主要用于近距离无线连接，以多跳接力的方式实现无线通信[7]。其低功耗、短时延、大容量、自组网等特点使得ZigBee协议通信技术非常适合应用于监控领域[8]。

ZigBee协议无线传感器网络支持星型、树型、网状型等拓扑结构，本系统采用树型结构，区域控制器作为网络协调器节点，在网络中是唯一的，是整个网络的基础，负责网络的组建和运行。车辆检测器是网络终端节点。为了保证通信质量，在网络内节点距离较远时还需要添加无线路由模块，无线路由模块属于中继节点，负责信息的转发。

3.系统各部分组成及功能

交通流量采集系统由车辆检测器、无线路由模块、区域控制器和接口适配器等组成。

3.1 地磁式车辆检测器

目前，国际上常用的车辆检测技术主要基于视频、微波、环形线圈等，其中视频检测成本高且在夜间及恶劣天气条件下检测准确率低，微波多应用于高速路段的车速检测，安装方便，但易受周围环境影响，不易推广，环形线圈精度高、结构简单，但安装及更换需要大面积开凿路面且线圈受车辆碾压极易损坏，也无法推广[9][10]。鉴于此，本文采用国际上最先进的GMR传感器，结合微功耗技术设计了地磁式车辆检测器。该车辆检测器体积小，检测精度达92%以上，且检测精度不受环境影响，防护等级满足IP68，另外，使用时将该传感器地埋式安装在车道下方，不影响市容市貌。

地磁式车辆检测器由巨磁阻传感器（GMR）、磁驱动电路、MCU单元、无线通信模块和电池组成。如图4所示。

采用巨磁阻传感器作为磁检测探头，每个车辆检测器包含三个磁检测探头，分别测量x、y、z三个轴磁场值，其中x、y、z三轴两两正交。磁驱动芯片控制GMR传感器进行磁场采集，并将采集到的模拟量经过一定的处理后输出数字量给MCU单元，MCU单元将得到的数字量经过车辆判别算法处理后得到车辆有无的信息，然后将该信息通过无线通信模块传输至上层系统，通信频段为2.4Ghz。

为了避免采用外部供电，该车辆检测器采用MSP430等超低功耗单片机作为处理器，硬件上优化电路设计，软件上通过休眠、I/O配置操作及节能算法等实现微功耗。功耗可以降到uA级别，采用小容量锂电池供电即可工作7～10年。

3.2 区域控制器

区域控制器由无线通信模块，MCU单元，232电路，485电路，供电电路和各种对外接口组成。

一方面，无线通信模块接收各车辆检测器发送过来的数据， MCU单元对收集到的各车道信息进行汇总处理，并经485电路转换成485信号输出。另一方面，可将区域控制器通过232接口与计算机相连，通过计算机上的上位机软件对区域控制器进行操作，从而实现对区域控制器进行区号更改，对无线路由模块进行区号和编号更改，对车辆检测器进行区号、编号更改，阈值更改，采样频率更改等操作，实现固件的在线更新升级。根据后端交通信号机的接口类型，区域控制器可以直接输出RS485信号，或者经接口适配器输出开关信号/TTL电平信号。

3.3 无线路由模块

为了扩展无线通信网络的容量和无线通信的可靠性，有时需要根据路口实际情况，增加一定数量的无线路由模块，一般增加1～2个即可。无线路由模块作为无线通信网络的中继，可以与车辆检测器，区域控制器以及其他无线路由模块进行无线通信，实现车辆检测信息的转发和无线命令的转发。

3.4 接口适配器

当后端交通信号机可以直接接收485信号时，区域控制器可以通过485接口将信息直接发送给信号机，当后端交通信号机只能识别开关信号或TTL信号时，就需要在区域控制器后增加一级接口适配器。

接口适配器通过485接口，接收区域控制器汇总的各个车道车辆有无信息，然后将各个车道的车辆有无信息转换成开关信号或TTL电平信号给交通信号机。

4.结束语

本文结合巨磁阻传感器技术和物联网技术，研究出一套准确可靠的交通流量采集系统，将其应用于实际交通路口，将大大提高城市交通系统运行效率，解决城市日趋严重的“出行难”问题，必将在世界范围内受到大力推广。

参考文献

[1]张健.基于ZigBee无线网络技术在智能交通信号灯控制中的应用[J].铜陵学院学报，2013，2：103-106.

[2]Lee Tsu-Tian.Research on Intelligent Transportation System in Taiwan[C].Kunming：Proceedings of the 27th Chinese Control Conference.2008：18-19.

[3]百度百科.巨磁阻效应[EB/OL].http：///view/637419.htm？fr=wordsearch.

[4]李安生，李振亭.地球基本磁场的形成与变化的讨论[J].地球物理学进展，2007，22（3）：750-758.

[5]A.Daubaras，M.Zilys.Vehicle Detection based on Magneto-Resistive Magnetic Field Sensor[J].Electronics and Electrical Engineering，2012，2（118）：27-32.

[6]Jose Pelegri Sebastia，Jorge Alberola Lluch，J.Rafael Lajara Vizcaino.Signal conditioning for GMR magenic sensors Applied to traffic speed monitoring GMR sensors[J].Sensors and Actuators A：Physical，2007，2（137）：230-235.

[7]杨增汪，王宜怀，戴新宇.基于ZigBee和GPRS的高压开关柜无线检测系统设计[J].电力系统保护与控制，2010，38 （23）：203-206.

[8]李晓维.无线传感网络技术[M].北京：北京理工大学出版社，2009：147-163.

[9]杨波，尼文斌.基于异向性巨磁阻传感器的车辆检测与车型分类[M].仪器仪表学报，2013，34（3）：537-544.

[10]张晓森.基于巨磁阻传感器车辆检测算法的研究与实现[D].北京交通大学，2012：10-12.

作者简介：李坤（1987―），男， 2012年毕业于哈尔滨工业大学，硕士，助理工程师，现供职于中国船舶重工集团公司第七一研究所，主要研究方向：测控技术、智能交通、物联网。