摘 要： 考慮到公路環(huán)境的特殊性，應(yīng)用各向異性磁阻傳感器并結(jié)合ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款無(wú)線車輛檢測(cè)器。對(duì)車輛檢測(cè)器的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)車輛檢測(cè)器的輸出特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證了方案的可行性。實(shí)驗(yàn)表明，該車輛檢測(cè)器能夠?qū)囕v的有無(wú)和方向做出判斷，并對(duì)車輛進(jìn)行分類。
關(guān)鍵詞： 車輛檢測(cè)；磁阻傳感器；HMC2003；CC2430
車輛檢測(cè)技術(shù)作為智能交通系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)獲取交通流量、車輛行駛速度等交通參數(shù)，為路面監(jiān)控和管理提供重要依據(jù)。傳統(tǒng)的車輛檢測(cè)技術(shù)包括感應(yīng)線圈檢測(cè)器、視頻檢測(cè)器和超聲波檢測(cè)器等。感應(yīng)線圈檢測(cè)器在安裝過(guò)程中會(huì)對(duì)路面造成破壞，影響公路的使用壽命；視頻檢測(cè)器的數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響；超聲波檢測(cè)器維護(hù)和安裝成本較高[1]。
針對(duì)傳統(tǒng)車輛檢測(cè)技術(shù)存在的各種缺點(diǎn)，基于各向異性磁阻（ARM）傳感器，并結(jié)合ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款安裝方便、受環(huán)境影響小、穩(wěn)定性高且成本低廉的無(wú)線車輛檢測(cè)器。
1 各向異性磁阻（ARM）傳感器的基本原理
各向異性磁阻效應(yīng)是指鐵磁金屬或合金的電阻隨磁化方向和電流方向夾角的變化而變化，當(dāng)夾角為0°時(shí)，電阻最大。ARM傳感器用4個(gè)磁電阻組成惠斯通電橋?qū)崿F(xiàn)輸出電壓隨電阻的變化而變化[2]，如圖1所示。設(shè)偏置磁場(chǎng)H與R1夾角為θ，則H與R2夾角為（90°-θ）。磁電阻的變化服從式（1）：
由式（4）可知，被測(cè)磁場(chǎng)引起θ的變化，從而轉(zhuǎn)化為輸出電壓而表現(xiàn)出來(lái)，這樣就將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電信號(hào)。
2 無(wú)線車輛檢測(cè)器的硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2.1 無(wú)線車輛檢測(cè)器網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線車輛檢測(cè)器網(wǎng)絡(luò)由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)組成，采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。
3 無(wú)線車輛檢測(cè)器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
3.1 磁阻傳感器
磁阻傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)車輛信號(hào)，采用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC2003。HMC2003為三軸AMR傳感器，由3個(gè)相互垂直的惠斯通電橋組成，能測(cè)量空間三維方向的磁場(chǎng)，提供豐富的磁場(chǎng)信息。具有±2 Gs的較寬測(cè)量范圍，40 μGs的高分辨率，1.0 V/Gs的高靈敏度，溫度特性好、可靠性高且體積小。它自帶偏置和置位/復(fù)位管腳，在遇到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，在其置位管腳上加強(qiáng)的脈沖電流，可以使電阻磁疇排列有序地統(tǒng)一到一個(gè)方向，保證HMC2003最佳的工作特性，確保讀數(shù)的可重復(fù)性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3.2 置位/復(fù)位電路
將在微處理器控制下生成的3～4 A、40 ns的置位/復(fù)位脈沖施加到HMC2003的SR+管腳上，如圖4所示。
在微處理器控制下生成的置位/復(fù)位脈沖控制P和N通道驅(qū)動(dòng)器（IRF7106）。此電路可以確保一個(gè)IRF7106開(kāi)通之前另一個(gè)已被斷開(kāi)[3]。
3.3 信號(hào)調(diào)理電路
HMC2003的X、Y、Z軸輸出的電壓范圍是0～+5 V。當(dāng)磁場(chǎng)值為0 Gs時(shí)，輸出2.5 V電壓；當(dāng)?shù)厍虼艌?chǎng)值為0.5～0.6 Gs，輸出模擬量可在2.5～4.5 V范圍內(nèi)變化。因此，HMC2003的輸出信號(hào)不需要經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)。由于HMC2003的輸出信號(hào)中有來(lái)自如車載電子設(shè)備等的干擾信號(hào)，因此需要將信號(hào)進(jìn)行濾波。本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯五階低通濾波器MAX7414。其是一種開(kāi)關(guān)電容式濾波器，功耗低（工作模式只需1.2 mA，休眠模式為0.2 μA，2.7 V～3.6 V電源供電），體積小。只需一個(gè)電容就可以控制時(shí)鐘周期，從而設(shè)置濾波截止頻率，令Cosc=10 000 pF，使其截止頻率為30 Hz。
3.4 數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和發(fā)射模塊
CC2430結(jié)合了一個(gè)高性能的2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的增強(qiáng)型8051控制器。單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，包含8～14 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時(shí)器、掉電檢測(cè)電路等，只需很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。
進(jìn)行交通量數(shù)據(jù)檢測(cè)的時(shí)間要求精度為毫秒級(jí)，CC2430的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間在14 bit時(shí)為132 μs，能夠滿足要求。為節(jié)省電能和減小體積，可以使用CC2430本身的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。另外，由于單個(gè)無(wú)線車輛檢測(cè)器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量不大，可直接用CC2430中的存儲(chǔ)器，而不外加存儲(chǔ)芯片。
因此，可以使用CC2430芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能、微處理器功能以及ZigBee無(wú)線發(fā)射功能，降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
3.5 電源模塊
電源模塊負(fù)責(zé)調(diào)理電壓、分配能量。HMC2003與置位/復(fù)位電路的工作電壓為6～15 V，從降低功耗和產(chǎn)生有效的置位/復(fù)位脈沖的角度考慮，這兩個(gè)模塊采用12 V供電。信號(hào)調(diào)理模塊采用的MAX7414工作電壓為2.7～3.6 V，數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和發(fā)射模塊采用的CC2430的工作電壓為2.0～3.6 V，可選用3.3 V為二者的工作電壓。為滿足檢測(cè)節(jié)點(diǎn)中各模塊的工作電壓需要，電源模塊應(yīng)提供12 V和3.3 V兩組電壓。
12 V的直流直接由干電池提供，通過(guò)低壓差線性穩(wěn)壓器MAX8881將12 V轉(zhuǎn)換成MAX7414和CC2430工作所需的3.3 V。
MAX8881具有2.5～12 V的電壓輸入范圍，可固定輸出3.3 V電壓，具有電流限制和熱保護(hù)功能，功耗低（工作時(shí)電流損耗為3.5 μA，睡眠狀態(tài)下電流損耗為1.5 μA）。在空閑時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的管腳連接，使其進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，從而減少電池?fù)p耗，增強(qiáng)電池壽命。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
在實(shí)驗(yàn)中，HMC2003的X軸指南，Y軸指西，Z軸豎直向上。將兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)相隔100 m水平放置在實(shí)驗(yàn)路面上。一輛出租車由北向南從檢測(cè)節(jié)點(diǎn)正上方以20 km/h的速度勻速通過(guò)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)X、Y、Z三軸的檢測(cè)結(jié)果在上位機(jī)顯示，如圖5所示。
從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在出租車開(kāi)始行使到經(jīng)過(guò)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，再到離開(kāi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，X、Y、X三軸的電壓均發(fā)生波動(dòng)，因此，該無(wú)線車輛檢測(cè)器可以判斷車輛的有無(wú)，進(jìn)而判斷車流量。
當(dāng)車輛正向行駛時(shí)，磁場(chǎng)先減弱后增強(qiáng)[4]，X軸的電壓變化準(zhǔn)確地反映了車輛的行駛方向。車輛行駛過(guò)程中，車輪中的鐵磁性物質(zhì)對(duì)地磁場(chǎng)的干擾引起Y軸電壓的變化。分析Z軸電壓的變化，第一個(gè)波峰值較小且持續(xù)時(shí)間較短，可能是外界環(huán)境中的電磁干擾造成的。第二、第三個(gè)電壓波峰值分別來(lái)自出租車前軸和后軸中大量鐵磁性物質(zhì)的干擾。第三個(gè)電壓波峰值較大，是出租車后備箱中放置的鐵磁性物質(zhì)所致。
實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，它們都會(huì)記錄出租車前軸到達(dá)的時(shí)間，上位機(jī)通過(guò)固定算法[5]計(jì)算得到出租車速度為19.7 km/h，車長(zhǎng)為4 m，因此，該無(wú)線車輛檢測(cè)器具有一定的準(zhǔn)確性。
由于根據(jù)車輛的速度與長(zhǎng)度可以對(duì)車輛進(jìn)行分類，所以此檢測(cè)器具備對(duì)車輛進(jìn)行分類的功能。
本文提出了一種基于各向異性磁阻傳感器的無(wú)線車輛檢測(cè)器，其具有安裝方便、不對(duì)路面造成破壞以及測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。為了提高車輛分類的準(zhǔn)確性，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的算法。
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