CN100580737C - 利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的利用GMR磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统由两个GMR传感器探测端机和一个无线接收端机组成，两个GMR传感器探测端机与无线接收端机相连。本发明所述的检测方法是根据GMR传感器探测车辆经过时引起周围地磁场的变化数据，检测出车速、车长、行驶方向、车流量以及车道占有率等信息。本发明具有测速精度高、适用路段广、对路面破坏小、成本低廉、维护方便和抗干扰能力强等的特点。
Description
技术领域
本发明涉及道路车辆信息检测领域，采用无线传感器网络技术，特别是一种采用两个传感器端机和一个无线接收端机共同完成的对车速、车长、行驶方向、车流量、车道占有率信息获取的系统，具体地说是一种利用巨磁阻(GMR)磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统和检测方法。
技术背景
随着我国国民经济的发展，城市化的进程加快，各种车辆的保有量迅猛增长，导致道路交通供需矛盾紧张，由此引发交通堵塞、交通事故上升、运输效率下降、交通环境恶化等一系列问题，这些问题均成为制约城市发展的“瓶颈”。
城市交通流的检测与统计，为城市智能交通系统提供多维特征的交通流量数据，是城市智能交通系统的基础。传统的道路交通流检测与统计主要采用路面下埋设电感线圈以检测车辆存在来完成。这种方法的缺点包括线圈体积庞大、线圈铺设对路面破坏严重、线圈寿命短、系统维护成本高等。现有的道路交通流检测与统计方法还有视频监控识别车辆的方法，但也存在系统成本高、受环境影响大、系统稳定性差等问题。现有的微波检测识别车辆的方法，同样也存在近间距车辆识别困难、系统铺设成本高等问题。现有的使用磁阻传感器检出车辆的方法，具有对路面破坏小、成本低廉、维护方便、受环境影响小、抗干扰能力强等特点，不少部门和系统均处于紧张的研发当中，也取得了一定的成绩，但无一不是采用一个端机测量的方案，这种方法因受端机体积的限制而使两个传感器的距离很近，导致测量速度精度不高劣势。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用两个巨磁阻传感器探测端机和一个无线接收端机配合使用检测道路车辆信息的无线传感器网络系统和检测方法。
本发明要解决的是传统道路交通流检测存在的线圈体积庞大、线圈铺设对路面破坏严重、线圈寿命短、系统维护成本高、受环境影响大、系统稳定性差、测量速度精度不高的问题。
为实现上述目的，本发明采用了利用巨磁阻磁敏技术检测道路车辆信息的无线传感器网络系统，该系统由两个巨磁阻传感器探测端机和一个无线接收端机组成，两个巨磁阻传感器探测端机与无线接收端机相连，巨磁阻传感器探测端机包括巨磁阻传感器、信号处理单元、单片机以及射频模块，无线接收端机包括单片机、射频模块以及存储单元。
巨磁阻传感器实时采集地磁信号，并输出相应的电压信号给信号处理单元。
信号处理单元主要包括放大电路、隔直滤波电路和电压比较电路，放大电路与隔直滤波电路以及单片机相连接。
放大电路对巨磁阻传感器采集到的地磁信号进行充分的放大，并送入单片机的模数转换器，作为后续算法的处理对象。
隔直滤波电路对放大电路处理后的信号进行滤波处理，并剔除其中的直流成分，拾取关键信号；压比较电路将隔直滤波电路的输出与给电定的电压进行比较，得到车辆存在的数字脉冲信号。
传感器探测端机的单片机对电压比较器产生的脉冲信号进行计数和滤波处理，并将车辆经过的时间信息提供给传感器探测端机的射频模块。
传感器探测端机的射频模块与无线接收端机通过无线通信的方式进行数据交换。
无线接收端机除了负责与传感器探测端机进行数据交换外，还根据两个传感器探测端机上发来的数据作相应的计算并将结果实时保存到存储单元中。
本发明所述的磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统的检测方法为：二个巨磁阻传感器探测端机在使用时，平行于车道的方向、间隔一定的距离S埋设于被测车道的中央，并通过无线接收端机配置有同步时钟，当被测车道有车辆经过时，每个传感器探测端机都能探测到车辆是否从上面经过，两个传感器探测端机分别记下车辆开始经过自身的时刻start_t1和start_t2，以及车辆在传感器探测端机上方存在的时间长度T1和T2，并在车辆离开后把各自的时间数据上发给路边的无线接收端机；无线接收端机根据车辆经过两个传感器探测端机的时间差|start_t1-start_t2|以及两个传感器探测端机之间的距离S，可以计算出车辆的速度V＝S/(|start_t1-start_t2|)，同时也实现对车辆计数的功能，根据start_t1和start_t2的大小可以得知车辆经过两个传感器探测端机的顺序，从而得知车辆的行驶方向，根据车辆在传感器探测端机上存在的时间(T1+T2)/2及计算出的车速V可以判断车辆长度L＝V×(T1+T2)/2，根据任意给定地点给定时间段内经过的车辆总数N可以计算平均车速Vave和车长Lave，从而计算出车道占有率Rate＝N×Lave/Vave/T(其中T为统计时间段长度)，检测中过程中有抗干扰处理。本发明采用两个巨磁阻传感器端机和一个无线接收端机配合测速的方案，结合一系列低功耗计数和抗干扰处理，具有测速精度高、适用路段广、对路面破坏小、成本低廉、维护方便和抗干扰能力强等的优点。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的工作流程图。
图3为本发明在道路上的安装示意图。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述的利用GMR磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统，由GMR传感器探测端机1(1)、GMR传感器探测端机2(2)和一个无线接收端机(3)组成，GMR传感器探测端机1(1)、GMR传感器探测端机2(2)与无线接收端机(3)相连。在GMR传感器探测端机1(1)和GMR传感器探测端机2(2)在物理结构和软件算法上均完全相同。GMR传感器探测端机1(1)包括GMR传感器、信号处理单元、单片机以及射频模块。GMR传感器探测端机2(2)同样包括GMR传感器、信号处理单元、单片机以及射频模块。无线接收端机(3)包括单片机、射频模块以及存储单元。
GMR传感器实时采集地磁信号，并输出相应的电压信号给信号处理单元。信号处理单元主要包括放大电路、隔直滤波电路和电压比较电路，放大电路与隔直滤波电路以及单片机相连接。放大电路对GMR传感器采集到的地磁信号进行充分的放大，并送入单片机的模数转换器，作为后续算法的处理对象。
隔直滤波电路对放大电路处理后的信号进行滤波处理，并剔除其中的直流成分，拾取关键信号。
电压比较电路将隔直滤波电路的输出与给定的电压进行比较，得到车辆存在的数字脉冲信号。
传感器探测端机1(1)的单片机对电压比较器产生的脉冲信号进行计数和滤波处理，并将车辆经过的时间信息提供给传感器探测端机1(1)的射频模块。传感器探测端机2(2)的单片机对电压比较器产生的脉冲信号进行计数和滤波处理，并将车辆经过的时间信息提供给传感器探测端机2(2)的射频模块。
传感器探测端机1(1)的射频模块与无线接收端机(3)通过无线通信的方式进行数据交换。传感器探测端机2(2)的射频模块分别与无线接收端机(3)通过无线通信的方式进行数据交换。
无线接收端机(3)除了负责与传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)进行数据交换外，还根据传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)上发来的数据作相应的计算并将结果实时保存到存储单元中，即无线接收端机(3)根据每次车辆经过时传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)上发的时间数据信息计算车速、车长、行驶方向、车流量以及车道占有率等信息，并实时地将数据存储到存储单元。
本发明所述的利用GMR磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统的检测方法，GMR传感器探测端机1(1)和GMR传感器探测端机2(2)在使用时，平行于车道的方向、间隔一定的距离S埋设于被测车道的中央，并通过无线接收端机(3)配置有同步时钟。无线接收端机(3)通过下发同步帧来同步GMR传感器探测端机1和GMR传感器探测端机2的时钟，使传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)时钟在同一个时间基准上进行。所述的传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)之间的距离可以根据实际公路的级别和车辆的速度状况灵活选定，以便在不漏检误检的情况下最大程度地提高检测精度。无线接收端机(3)以一定的高度架设在路边。当被测车道有车辆经过时，传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)都能探测到车辆是否从上面经过，传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)分别记下车辆开始经过自身的时刻start_t1和start_t2，以及车辆在传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)上方存在的时间长度T1和T2，并在车辆离开后把各自的时间数据上发给路边的无线接收端机(3)。无线接收端机(3)根据车辆经过传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)的时间差|start_t1-start_t2|以及传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)之间的距离S，可以计算出车辆的速度V＝S/(|start_t1-start_t2|)，同时也实现对车辆计数的功能。根据start_t1和start_t2的大小可以得知车辆经过传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)的顺序，从而得知车辆的行驶方向。根据车辆在传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)上存在的时间(T1+T2)/2及计算出的车速V可以判断车辆长度L＝V×(T1+T2)/2。根据任意给定地点给定时间段内经过的车辆总数N可以计算平均车速Vave和车长Lave，从而计算出车道占有率Rate＝N×Lave/Vave/T(其中T为统计时间段长度)。
在使用过程中采用了低通电路滤波法、关闭中断法、中断脉冲计数法、以及侦听信道是否空闲法四种方法进行综合抗干扰处理。低通电路滤波法指在硬件电路上采用低通滤波抑制外界产生的高频干扰信号；关闭中断法指端机每次在车辆经过后发送数据给无线接收端机时，单片机关闭电压比较器引起的中断，端机每次发送数据时，射频信号会对电路产生较大的影响，通过关闭电压比较器引起的中断可以有效地避免端机无线发送数据时引起的错误中断；中断脉冲计数法是指每当比较器输出开始有脉冲信号时，单片机开始对脉冲个数进行计数，并开始采集放大电路输出，直到放大电路的输出信号重新平稳后结束对脉冲的计数一般车辆经过端机时脉冲数量不会超过8个，因此当所记脉冲数量超过8时便认为是干扰所致。这种方法主要滤除手机信号等多脉冲干扰；侦听信道是否空闲法主要用于排除端机之间的互扰。具体指当其中一个端机的比较器输出引起中断时，若检测出信道正处于忙状态，则证明该中断是由于临近的其他端机射频发送数据所致，认为是无效中断。频段的射频模块与其下层的移动视频监控终端设备进行通信。
传感器探测端机1(1)、传感器探测端机2(2)和无线接收端机(3)的射频模块工作频率为433MHz，带宽为64MHz，数据传输速率及功率可调，最大传输速率500kbps，最大传输功率10dBm，埋设在路面断层中的无线传输距离最大可到300m。
传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)在具体安装时，顺着车道方向、相距一定的距离依次埋设传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)，并使传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)上表面低于地面2mm，传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)通过环氧树脂固定于地面下(如图3所示)。
本发明所述的利用GMR传感器检测道路车辆信息的无线传感器网络系统工作原理是：车辆本身含有的铁磁物质会对车辆存在区域的地磁信号产生影响，使车辆存在区域的地球磁场磁力线发生弯曲，车辆经过GMR传感器感应区域时，对GMR传感器感应区域内的地磁信号产生影响。GMR传感器检测到这种变化，传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)的放大电路对这种变化进行放大，滤波隔直电路对放大过的信号进行甄别，萃取含有车辆信息的信号。即当车辆经过本发明的GMR传感器探测端机1(1)时，GMR传感器感应到地磁信号的变化会输出一个微弱的电压信号，这个微弱信号经过一系列的信号处理会在电压比较器输出端输出一个由高变低的脉冲信号，单片机收到此脉冲信号便开始读取单片机内部定时器的值作为车辆到来的起始时刻start_t1，并利用自身带有的模数转换器开始不断地采集放大电路的输出，直至信号平稳后认为车辆离开端机并停止采样，再次读取定时器的值作为车辆离开的时刻end_t1，端机通过射频模块以无线的方式把自身编号、车辆到来时刻start_t1、车辆离开时刻end_t1等信息发送给路边的无线接收端机(3)，无线接收端机(3)收到后回发确认信息给端机1。
车辆经过GMR传感器探测端机2(2)时，探测端机2(2)同样记下相应的时刻start_t2、end_t2，并把该时间信息连同自身编号一起发送给路边的无线接收端机(3)。传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)若在规定的时间内没有收到无线接收端机(3)的确认信息会重新发送数据给无线接收端机(3)直至收到确认信息为止。无线接收端机(3)每隔固定时间使传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)时钟同步一次，及时补偿晶振漂移。
本发明的整个系统在高效的功耗控制策略下进行。在没有车辆经过GMR传感器感应区域时，系统处于休眠状态，处理器工作在超低功耗状态，系统关断除GMR传感器电路、放大电路、滤波隔直电路、电压比较电路以及处理器最小系统电路之外所有电路的电源供给，这时整个系统的休眠电流仅为0.9mA。
传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)上电启动后，首先进行模块初始化工作，然后与无线接收端机(3)交互加入网络，网络加入成功后传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)之间的时间也被同步，此时传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)进入低功耗待机状态。当车辆到来时电压比较器输出引起的中断会把系统从低功耗待机模式中唤醒，并开始采集放大电路的输出，车辆离开后，传感器探测端机1(1)和传感器探测端机2(2)发送时间数据给无线接收端机(3)，若收到无线接收端机(3)的确认信息便再次进入低功耗待机模式等待下一辆车的到来。
本发明的系统可以用于检测多个车道信息，检测时，在通信距离内可以采用多对端机和一个无线接收端机配合使用的方案，其中每个车道布设两个端机。
本发明所述的GMR是Giant Magneto Resistive的缩写，中文全称“巨磁阻”。
Claims (6)
1、一种利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统，其特征在于该系统由两个巨磁阻传感器探测端机和一个无线接收端机组成，两个巨磁阻传感器探测端机与无线接收端机相连，巨磁阻传感器探测端机包括巨磁阻传感器、信号处理单元、单片机以及射频模块，无线接收端机包括单片机、射频模块以及存储单元；
巨磁阻传感器实时采集地磁信号，并输出相应的电压信号给信号处理单元；
信号处理单元主要包括放大电路、隔直滤波电路和电压比较电路，放大电路与隔直滤波电路、巨磁阻传感器的单片机相连接；
放大电路对巨磁阻传感器采集到的地磁信号进行充分的放大，并送入单片机的模数转换器，作为后续算法的处理对象；
隔直滤波电路对放大电路处理后的信号进行滤波处理，并剔除其中的直流成分，拾取关键信号；
电压比较电路将隔直滤波电路的输出与给定的电压进行比较，得到车辆存在的数字脉冲信号；
传感器探测端机的单片机对电压比较器产生的脉冲信号进行计数和滤波处理，并将车辆经过的时间信息提供给传感器探测端机的射频模块；
传感器探测端机的射频模块与无线接收端机通过无线通信的方式进行数据交换；
无线接收端机除了负责与传感器探测端机进行数据交换外，还根据两个传感器探测端机上发来的数据作相应的计算并将结果实时保存到存储单元中。
2.根据权利要求1所述的利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统，其特征在于二个巨磁阻传感器探测端机在物理结构和软件算法上均完全相同。
3.根据权利要求1所述的利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统的检测方法，其特征在于二个巨磁阻传感器探测端机在使用时，平行于车道的方向、间隔一定的距离S埋设于被测车道的中央，并通过无线接收端机配置有同步时钟，当被测车道有车辆经过时，每个传感器探测端机都能探测到车辆是否从上面经过，两个传感器探测端机分别记下车辆开始经过自身的时刻start_t1和start_t2，以及车辆在传感器探测端机上方存在的时间长度T1和T2，并在车辆离开后把各自的时间数据上发给路边的无线接收端机；无线接收端机根据车辆经过两个传感器探测端机的时间差|start_t1-start_t2|以及两个传感器探测端机之间的距离S，可以计算出车辆的速度V＝S/(|start_t1-start_t2|)，同时也实现对车辆计数的功能，根据start_t1和start_t2的大小可以得知车辆经过两个传感器探测端机的顺序，从而得知车辆的行驶方向，根据车辆在传感器探测端机上存在的时间(T1+T2)/2及计算出的车速V可以判断车辆长度L＝V×(T1+T2)/2，根据任意给定地点给定时间段内经过的车辆总数N可以计算平均车速Vave和车长Lave，从而计算出车道占有率Rate＝N×Lave/Vave/T，其中T为统计时间段长度，在使用过程中有抗干扰处理。
4.根据权利要求3所述的利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息的无线传感器网络系统的检测方法，其特征在于两个巨磁阻传感器探测端机之间的距离可以根据实际情况灵活选定，以便在不漏检误检的情况下提高检测精度。
5.根据权利要求3所述的利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息系统的无线传感器网络系统的检测方法，其特征在于抗干扰处理采用了低通电路滤波法、关闭中断法、中断脉冲计数法、以及侦听信道是否空闲法四种方法进行综合抗干扰处理。
5.根据权利要求4所述的利用巨磁阻磁敏技术检测车辆信息系统的无线传感器网络系统的检测方法，其特征在于低通电路滤波法指在硬件电路上采用低通滤波抑制外界产生的高频干扰信号；关闭中断法指端机每次在车辆经过后发送数据给无线接收端机时，单片机关闭电压比较器引起的中断，端机每次发送数据时，射频信号会对电路产生较大的影响，通过关闭电压比较器引起的中断可以有效地避免端机无线发送数据时引起的错误中断；中断脉冲计数法是指每当比较器输出开始有脉冲信号时，单片机开始对脉冲个数进行计数，并开始采集放大电路输出，直到放大电路的输出信号重新平稳后结束对脉冲的计数，一般车辆经过端机时脉冲数量不会超过8个，因此当所记脉冲数量超过8个时便认为是干扰所致；这种方法主要滤除手机信号等多脉冲干扰；侦听信道是否空闲法主要用于排除端机之间的互扰；具体指当其中一个端机的比较器输出引起中断时，若检测出信道正处于忙状态，则证明该中断是由于临近的其他端机射频发送数据所致，认为是无效中断；频段的射频模块与其下层的移动视频监控终端设备进行通信。
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| 巨磁电阻传感器的应用. 肖又专，曾荣伟，王林忠，库万军.磁性材料及器件，第32卷第2期. 2001 |
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