CN101025863A - 交通流量、车速测量无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号采集处理装置，交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：其由微处理器、传感器单元、收发单元及供电单元组成，供电单元分别为微处理器、传感器单元及收发单元提供电源，传感器单元为磁阻传感器经两级放大器放大信号后输入至微处理器，微处理器通过自带的A/D转换器采集传感器单元的信号，信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。本发明无线传感器节点，结构简单、使用安装方便、价格低廉，非接触测量、测量精度高，能够组织成网络实现大范围监测，不受恶劣气候条件影响，具有很大的应用推广价值。

Description

交通流量、车速测量无线传感器节点

技术领域：

本发明涉及信号采集处理装置，特别是用于公路汽车流量和行驶速度的测量装置。

背景技术：

交通信息采集系统是智能交通系统整体架构中的一个至关重要的环节，及时准确的路况信息是智能交通系统高效发挥交通控制作用的基础。目前常用的车辆检测器有环形线圈探测器、微波探测器、超声波探测器和视频探测器等。从性价比和高可靠性上来考虑，现在使用最多的仍然是环形线圈探测器，其技术成熟，检测精度高，设备价格低，可全天候工作，但安装时需要切割路面，影响路面寿命，并且安装过程对线圈可靠性和寿命影响很大，安装和维护比较困难，此外，环形线圈只能进行单车道测量，多车道测量情况下需要多个传感器，成本很高。超声波探测器采用悬挂式安装，无需破坏路面，测量精度高，可检测间距很小的车流，其不足是当风速过大时无法正常检测，探头下方的物体也会产生反射波，造成误检。微波探测器在恶劣环境下仍可正常工作，可以实现多车道检测。视频探测器功能强大，图像直观，安装维修不破坏路面，一台摄像机可以覆盖6条车道，适用于城市交叉路口的交通控制，但易受恶劣气候影响，夜间要求为路面提供足够的亮度。上述目前常用的车辆探测器普遍价额比较昂贵，一般布置在城市交叉路口处，不能反映车辆在远离交叉路口的路段内的行驶情况，而且一些探测器的测量精度还会受到气候条件的影响。

发明内容：

本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种交通流量、车速测量无线传感器节点，结构简单、使用安装方便、价格低廉，不受周围环境、气候的影响，安全可靠。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：交通流量、车速测量无线传感器节点，由微处理器、传感器单元、收发单元及供电单元组成，供电单元分别为微处理器、传感器单元及收发单元提供电源，传感器单元为磁阻传感器经两级放大器放大信号后输入至微处理器，微处理器通过自带的A/D转换器采集传感器单元的信号，信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。

所述传感器单元还装有刷新脉冲发生器与磁阻传感器相连，刷新脉冲发生器由微处理器控制，用于定期恢复磁阻传感器的检测灵敏度。

所述传感器单元装有两个相距10-15厘米的磁阻传感器，两磁阻传感器各接一个一级放大器一级信号放大，再经同一个双运算二级放大器放大后将信号传输至微处理器，微处理器控制一个刷新脉冲发生器，刷新脉冲发生器分别与两磁阻传感器连接。

微处理器控制程序为第一辆车辆通过，便立即启动定时器记下车辆通过的时刻，然后采集后端磁场传感器的输出信号，车辆检测算法检测到车辆后，微处理器停止定时器计时，通过计时器记录下时间长短，计算出车速的大小，此后，微处理器将采样频率降低到初始频率，重新开始车辆的计数工作，直至休眠时间结束。

所述供电单元为一次性锂电池；一次性锂电池输出的电压经直流稳压芯片进行电压调整后供电至用电单元。

所述收发单元为无线收发单元，采用微功耗射频芯片nRF905进行无线通信。

所述无线传感器节点壳体上带有粘接胶。

本发明无线传感器节点可以直接用胶粘在车道路面上，由一次性锂电池供电，测量数据通过无线通信单元发送出去，这样便极大地简化了无线传感器节点的安装。由于传感器节点靠电池供电，节能便是一个要着重考虑的问题，因此，本发明无线传感器节点的硬件设计上尽可能选用了微功耗元器件。

本发明无线传感器节点，可以准确探测汽车流量和行驶速度；利用无线通信技术完成测量数据的传送，并且依靠电池供电，使得现场安装非常方便，可以方便地布置在城市街道的各个路段，而不是仅仅局限于交叉路口，并且能够组织成网络实现大范围监测。由于该无线传感器节点结构简单、使用安装方便、价格低廉，不仅便于生产，而且无线传感器节点利用磁阻传感器探测周围环境磁场，当有汽车经过时，会探测到一个突变的磁场信号。该无线传感器节点一种非接触测量装置，价格低廉、测量精度高，不受恶劣气候条件影响，具有很大的应用推广价值。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明实测得到的车辆通过时磁场信号的变化曲线图。

图3为本发明微处理器控制程序框图。

图4为图3的续图。

具体实施方式：

如图1所示的无线传感器节点，交通流量、车速测量无线传感器节点，由微处理器3、传感器单元1、收发单元4及供电单元2组成，供电单元采用电池型号是ER14505的一次性锂电池5，锂电池输出电压为3.6V，经电压变化集成电路TPS60101的处理转换为3.3V电压后供微处理器、传感器单元和无线收发单元使用，传感器单元装有两个相距10厘米的磁阻传感器8，磁阻传感器为美国霍尼威尔公司生产的新型磁阻传感器HMC1021，两磁阻传感器各接一个一级放大器9仪用放大器INA155进行一级信号放大，再经同一个双运算二级放大器7(OPA262)进行二级信号放大后将信号传输至微处理器，微处理器控制传感器单元上的刷新脉冲发生器6，刷新脉冲发生器分别与两磁阻传感器连接。微处理器为嵌入式MSP430F149，如图3、4所示，微处理器接收传感器单元信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。微处理器控制程序为第一辆车辆通过，便立即启动定时器记下车辆通过的时刻，然后用1KHz的采样频率采集后端磁场传感器的输出信号，车辆检测算法检测到车辆后，微处理器就停止定时器计时，这样通过计时器的记录下的时间长短，便可以计算出车速的大小，此后，微处理器将采样频率降低到100Hz，重新开始车辆的计数工作，直至1分钟的休眠时间结束。

收发单元为无线收发单元，采用微功耗射频芯片nRF905及收发天线10进行无线通信。无线传感器节点壳体上带有粘接胶。

由图2可知，在没有车辆经过传感器节点时，磁场信号在一定的范围内波动，当有车辆经过时，磁场信号便会出现明显的正负脉冲信号。当车辆正向通过传感器节点时，磁场信号先出现正向脉冲，并紧随一个反向脉冲，而当车辆反向通过时正负脉冲出现的次序相反。

本发明核心为低功耗嵌入式微处理器MSP430F149，它对基于磁阻传感器HMC1021的传感单元的输出信号进行数模变化，并对采集的信号进行分析处理，获得汽车流量、平均车速等信息，然后通过无线收发单元将分析结果发送出去。无线射频单元的核心器件为nRF905，它能实现无线通信网络的物理层功能，对从微处理器传送来的数据进行打包，添加控制字头和冗余校验码，并在ISM波段完成比特无线发送。磁阻传感器HMC1021为美国霍尼威尔公司生产的新型磁阻传感器，其传感机构为一个由磁敏电阻构成的四臂惠斯通电桥，可将磁场转换为差动输出电压，它可以检测低至85微高斯的磁场，测量范围是±6高斯。既能满足高精度，高可靠性的要求，又具有微小的芯片体积和很小的功耗。仪用放大器INA155可以对HMC1021输出的差动信号进行放大，并将差分信号转换为单端输出信号，从而可以进一步被微功耗运算放大器OPA262进一步放大。由图1可见，一个车辆检测无线传感器节点配置有两个HMC1021磁阻传感器，一个位于无线传感器节点的前端，另一个位于后端，二者相距10厘米，这样设置的目的是为了实现车速测量。由于OPA262为双运放，这样两路磁场信号分别使用该OPA262的一个运放实现二次放大，节省了使用的运放芯片的个数。经OPA262放大后的磁场信号被送入MSP430F149自带的A/D转换器，在检测程序的控制下被转换为数字信号，经过数据处理算法的处理，获得车流量和车速信息，并发送给无线收发单元。

无线传感器节点的测量结果通过由nRF905组成的无线收发单元发送出去，由于采用了无线通信方式，邻近的无线传感器节点可以组织成网络，这不仅能够实现大范围测量，而且有助于简化无线传感器节点回传测量数据的程序设计。在本发明中，nRF905被配置工作于433MHz频段，这一频段无需申请，可自由使用。nRF905本身为微功耗芯片，但在本无线传感器节点中仍然是耗能的主要元件。无线通信单元在收发数据和处于空闲状态时会消耗较多的能量，因此，微处理器会在不使用无线通信单元时，将nRF905设置为休眠状态，实现节能。

由于磁阻传感器在使用一段时间后，或是受到高磁场强度的影响，检测灵敏度会大大下降，从而影响车辆检测的精度。本发明中装有一个刷新脉冲发生器，在微处理器的控制下可以产生一个短暂的电流脉冲，经过该电流脉冲的作用，磁阻传感器可以重新恢复高的测量灵敏度。

下面是一小段源程序：

P1OUT&＝~TRX_CE；

TimerA_Flag＝0；

CCRO＝6555；

Standby_Mode()；

Send_Mode()；

TxAdress()；

SendData(Message)；

P1OUT|＝TRX_CE；

Delay_us(50)；

P1OUT&＝~TRX_CE；

Delay_us(800)；

while((P2IN&0x04)＝＝0)；

Power_Off()；

P6OUT&＝~TX；。

Claims (8)

1、交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：其由微处理器(3)、传感器单元(1)、收发单元(4)及供电单元(2)组成，供电单元分别为微处理器、传感器单元及收发单元提供电源，传感器单元为磁阻传感器(8)经两级放大器放大信号后输入至微处理器，微处理器通过自带的A/D转换器采集传感器单元的信号，信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。

2、根据权利要求1所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：传感器单元还装有刷新脉冲发生器(6)与磁阻传感器相连，刷新脉冲发生器由微处理器控制，用于定期恢复磁阻传感器的检测灵敏度。

3、根据权利要求1所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：传感器单元(1)装有两个相距10-15厘米的磁阻传感器(8)，两磁阻传感器各接一个一级放大器(9)一级信号放大，再经同一个双运算二级放大器(7)放大后将信号传输至微处理器(3)，微处理器控制一个刷新脉冲发生器(6)，刷新脉冲发生器分别与两磁阻传感器连接。

4、根据权利要求1所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：微处理器控制程序为第一辆车辆通过，便立即启动定时器记下车辆通过的时刻，然后采集后端磁场传感器的输出信号，车辆检测算法检测到车辆后，微处理器就停止定时器计时，通过计时器记录下时间长短，计算出车速的大小，此后，微处理器将采样频率降低到初始频率，重新开始车辆的计数工作，直至休眠时间结束。

5、根据权利要求1所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：供电单元(2)电源为一次性锂电池(5)。

6、根据权利要求5所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：一次性锂电池输出的电压经直流稳压芯片进行电压调整后供电至用电单元。

7、根据权利要求1所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：收发单元(4)为无线收发单元，采用微功耗射频芯片nRF905进行无线通信。

8、根据权利要求1所述的交通流量、车速测量无线传感器节点，其特征是：无线传感器节点壳体上带有粘接胶。

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