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《基于巨磁阻傳感器的交通流量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、基于巨磁阻傳感器的交通流量采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【摘要】通過(guò)介紹巨磁阻傳感器的原理以及車(chē)輛引起地球磁場(chǎng)擾動(dòng)的特性,并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種準(zhǔn)確可靠的交通流量采集系統(tǒng),詳細(xì)介紹了系統(tǒng)內(nèi)各部分的組成及功能?!娟P(guān)鍵詞】巨磁阻傳感器;地磁檢測(cè);物聯(lián)網(wǎng);交通流量采集系統(tǒng);智能交通1.引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,路網(wǎng)通行能力日益滿足不了快速增長(zhǎng)的交通需求,交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重,已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的分時(shí)段固定配時(shí)控制交通信號(hào)燈的方式已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的交通需求,為了有效緩解城市交通壓力,提高交通系統(tǒng)運(yùn)行效率,很多國(guó)家都在研究智能化的交
2、通控制方案,即基于交通流量智能調(diào)節(jié)交通信號(hào)燈時(shí)間[1]。因此,交通流量信息采集的準(zhǔn)確與否就成為了智能交通系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵[2]。鑒于此,本文通過(guò)分析車(chē)輛引起地球磁場(chǎng)擾動(dòng)的特性,將先進(jìn)的巨磁阻傳感器檢測(cè)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)了一種交通流量采集系統(tǒng)。2.交通流量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究82.1交通流量采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交通流量采集系統(tǒng)由車(chē)輛檢測(cè)器、無(wú)線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配模塊等組成,系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。將車(chē)輛檢測(cè)器安裝在車(chē)道中間,通過(guò)巨磁阻傳感器檢測(cè)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)引起的地球磁場(chǎng)變化來(lái)判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò),然后將車(chē)輛有無(wú)信息通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至區(qū)域控制器,區(qū)域控制器將各
3、車(chē)道信息匯總后直接輸出RS485信號(hào)或者經(jīng)接口適配模塊轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)/TTL信號(hào)給路邊的交通信號(hào)機(jī),交通信號(hào)機(jī)再根據(jù)預(yù)設(shè)的算法智能地調(diào)節(jié)紅綠燈時(shí)間。對(duì)較大路口還需要添加無(wú)線路由模塊,它負(fù)責(zé)信號(hào)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)。車(chē)輛檢測(cè)器、無(wú)線路由模塊、區(qū)域控制器組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),信息可以雙向傳遞,固件可以在線升級(jí)。2.2巨磁阻效應(yīng)及車(chē)輛檢測(cè)原理2.2.1巨磁阻效應(yīng)所謂巨磁阻效應(yīng)[3],是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng),它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí),載流子
4、與自旋有關(guān)的散射最小,材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí),與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng),材料的電阻最大。利用該效應(yīng)可以制作巨磁阻傳感器。82.2.2車(chē)輛檢測(cè)原理地球本身就是一個(gè)巨大的磁體,會(huì)在空間上產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度平均約為0.5GS的矢量磁場(chǎng),雖然地磁場(chǎng)隨著地域的不同而有所變化,但是在幾公里內(nèi)的區(qū)域里,地磁場(chǎng)大小可以認(rèn)為是一定的,可能會(huì)因?yàn)闇囟鹊仍蛴胁▌?dòng),但波動(dòng)很小,因此在沒(méi)有外界因素干擾的情況下,我們可以認(rèn)為地磁場(chǎng)基本保持恒定[4]。大的鐵磁物質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈的干擾地球磁場(chǎng),引起地球磁場(chǎng)的畸變[5],如圖2所示。而車(chē)輛的絕大部分是由金屬部件構(gòu)成,當(dāng)它移動(dòng)時(shí),會(huì)強(qiáng)烈的干擾地
5、球磁場(chǎng)。這些擾動(dòng)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輪處尤為明顯[6],如圖3所示[5]。該擾動(dòng)能很容易的被巨磁阻傳感器探測(cè)到,因此可以用巨磁阻傳感器探測(cè)車(chē)輛存在和通過(guò)等信息。2.3ZigBee協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議是一種短距離、大容量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)協(xié)議,主要用于近距離無(wú)線連接,以多跳接力的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信[7]。其低功耗、短時(shí)延、大容量、自組網(wǎng)等特點(diǎn)使得ZigBee協(xié)議通信技術(shù)非常適合應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域[8]。8ZigBee協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本系統(tǒng)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu),區(qū)域控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的,是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和運(yùn)
6、行。車(chē)輛檢測(cè)器是網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。為了保證通信質(zhì)量,在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)還需要添加無(wú)線路由模塊,無(wú)線路由模塊屬于中繼節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。3.系統(tǒng)各部分組成及功能交通流量采集系統(tǒng)由車(chē)輛檢測(cè)器、無(wú)線路由模塊、區(qū)域控制器和接口適配器等組成。3.1地磁式車(chē)輛檢測(cè)器目前,國(guó)際上常用的車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)主要基于視頻、微波、環(huán)形線圈等,其中視頻檢測(cè)成本高且在夜間及惡劣天氣條件下檢測(cè)準(zhǔn)確率低,微波多應(yīng)用于高速路段的車(chē)速檢測(cè),安裝方便,但易受周?chē)h(huán)境影響,不易推廣,環(huán)形線圈精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但安裝及更換需要大面積開(kāi)鑿路面且線圈受車(chē)輛碾壓極易損壞,也無(wú)法推廣[9][10]。鑒于此,本文采用國(guó)際上
7、最先進(jìn)的GMR傳感器,結(jié)合微功耗技術(shù)設(shè)計(jì)了地磁式車(chē)輛檢測(cè)器。該車(chē)輛檢測(cè)器體積小,檢測(cè)精度達(dá)92%以上,且檢測(cè)精度不受環(huán)境影響,防護(hù)等級(jí)滿足IP68,另外,使用時(shí)將該傳感器地埋式安裝在車(chē)道下方,不影響市容市貌。地磁式車(chē)輛檢測(cè)器由巨磁阻傳感器(GMR)、磁驅(qū)動(dòng)電路、MCU單元、無(wú)線通信模塊和電池組成。如圖4所示。8采用巨磁阻傳感器作為磁檢測(cè)探頭,每個(gè)車(chē)輛檢測(cè)器包含三個(gè)磁檢測(cè)探頭,分別測(cè)量x、y、z三個(gè)軸磁場(chǎng)值,其中x、y、z三軸兩兩正交。磁驅(qū)動(dòng)芯片控制GMR傳感器進(jìn)行磁場(chǎng)采集,并將采集到的模擬量經(jīng)過(guò)一定的處理后輸出數(shù)字量給MCU單元,MCU單