CN101241646A - 基于巨磁阻磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置和实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及道路车辆信息检测领域，本发明所述的装置包括GMR传感器、滤波降噪单元、差分放大单元、直流偏置单元、二级放大单元、隔直滤波单元、迟滞比较单元、动态调整单元、控制单元和射频单元。本发明所述的实现方法是：在GMR传感器旁放偏置磁场，汽车经过时磁场变化引起传感器输出变化，装置利用传感器通过这个变化对经过的汽车进行判断，最终将所测得的车流量信息经射频发送至基站以进行控制或保存。本发明在道路车流量检测、停车场管理、道路路口管理等方面有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及道路车辆信息检测领域，采用最新的无线传感器网络技术，具体是一种基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置和实现方法。
技术背景
随着社会经济的迅速发展和人民生活水平的普遍提高，汽车工业迅猛发展，虽然交通基础设施建设日新月异，但交通供给增长的速度仍难以应对机动车保有量带来的交通需求的高速增长，交通供需矛盾日益突出，由此引发种种交通问题越来越突出，对道路交通进行科学管理势在必行。于是，近年来把道路、车辆等凡与交通有关的所有一切都归为一体，通过采用信息采集技术、通信技术、电子技术以及其他的科学技术把它们联系起来，致力于使之智能化的智能交通系统的研究开发应运而生。
智能交通系统的基础设备之一就是车辆检测器。以机动车辆作为检测目标，对检测车辆的通过和存在状况进行检测，目前常用的车辆检测器主要有环形线圈车辆检测器、视频车辆检测器和微波车辆检测器。相比于视频和微波检测技术的难以实用性，环形线圈车辆检测器由于技术实现简单、准确率较高、可靠性较高目前被大量应用。但环形线圈的面积过大，成本较高，布设时对路面破坏严重，维护麻烦。最近利用磁传感器检测车辆信息的技术逐渐兴起，相比于传统磁传感器，GMR传感器以其检测灵敏度高、磁场测量范围大、可操作线性范围宽、工作温度范围大等优点而具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置和实现方法。
本发明要解决的是现有视频和微波检测技术的难以实用性，环形线圈车辆检测器环形线圈的面积过大，成本较高，布设时对路面破坏严重，维护麻烦的问题。
为实现以上目的，本发明所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置包括：GMR传感器、滤波降噪单元、差分放大单元、直流偏置单元、二级放大单元、隔直滤波单元、迟滞比较单元、动态调整单元、控制单元和射频单元组成。GMR传感器连接于滤波降噪单元，滤波降噪单元连接于差分放大单元，差分放大单元连接于直流偏置单元，直流偏置单元连接于二级放大单元，二级放大单元连接隔直滤波单元和控制单元，隔直滤波单元连接于迟滞比较单元，迟滞比较单元连接于控制单元，控制单元连接于动态调整单元，动态调整单元连接于直流偏置单元和二级放大单元，单片机与射频单元互相连接。
GMR传感器采集汽车经过时引起的磁场变化，并输出相应的电压信号；
滤波降噪单元对GMR传感器输出电压进行滤波和衰减噪声处理；
差分放大单元负责对滤波降噪单元处理后的信号进行差分放大；
直流偏置单元对差分放大后的信号进行数字可控直流偏置；
二次放大单元将偏置后的信号进行二次放大；
隔直滤波单元对二次放大后的信号进行隔直、滤波后，将信号经交流耦合给迟滞比较单元；
迟滞比较单元把收到的信号与预设电压进行比较产生脉冲信号；
控制单元对迟滞比较单元产生的脉冲信号进行计数、计时、抗干扰处理，这样便产生了车流量的信息，控制单元接着将该信息提供给射频单元；
利用自带的AD，控制单元采集二级放大单元的信号，对直流偏置单元和二级放大单元的电压偏置、放大增益等参数进行动态调整，以消除外界环境对磁场偏置和电路的影响，增加系统工作的稳定性。
控制单元处理数字化后的信号，协调整个系统的运行，并且控制系统功耗。
射频单元与基站建立无线通信联系，与基站进行数据的交换；
本发明所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法包括：在GMR传感器旁放置磁柱，建立偏置磁场，磁场的方向与传感器敏感轴平行，磁场大小使传感器输出直流电压在35mV。当汽车经过GMR传感器时，磁场发生变化，GMR传感器就能在检测的半径范围内检测到此磁场变化并输出电压信号，滤波降噪单元对GMR传感器输出电压进行滤波和衰减噪声处理，处理后的信号送给差分放大单元进行差分放大，控制单元对数字电位计进行写预值操作，对差分放大后的信号进行直流偏置，偏置后的信号送给二次放大单元进行二次放大，二次放大后的信号经隔直滤波单元进行隔直、滤波后，信号经交流耦合给迟滞比较单元与预设电压进行比较产生脉冲信号，脉冲信号把微处理器从超低功耗模式下唤醒，进入正常工作状态，启动AD，采集信号，控制单元对脉冲信号进行计数、计时、抗干扰处理，接着将产生的车流量信息提供给射频单元，射频单元将该车流量信息发送给基站后便进入休眠状态，当没有车辆经过时，控制单元的微处理器工作于超低功耗模式，它控制射频单元休眠并关闭AD。
本发明的装置采用了GMR传感器作为车辆检测传感器，使其检测灵敏度高、磁场测量范围大、可操作线性范围宽、工作温度范围大。本发明的装置采用一系列的低功耗和集成化器件，使其体积小、功耗低的特点。本发明的装置采用射频无线传输技术和电池供电，使其布设、维护简单，并能降低成本。本发明的装置采用融合动态调整技术、抗干扰措施，使其工作稳定可靠，持续工作能力强。
本发明在道路车流量检测、停车场管理、道路路口管理等方面有广阔应用前景。
附图说明
图1为基于GMR磁敏技术探测车流量装置的硬件系统框图。
图2为基于GMR磁敏技术探测车流量装置的软件流程图。
具体实施方法
下面结合附图及实实例对本发明作进一步说明。
如图所示，本发明所述的利用基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置由GMR传感器、滤波降噪单元、差分放大单元、直流偏置单元、二级放大单元、隔直滤波单元、迟滞比较单元、动态调整单元、控制单元和射频单元组成；GMR传感器连接于滤波降噪单元，滤波降噪单元连接于差分放大单元，差分放大单元连接于直流偏置单元，直流偏置单元连接于二级放大单元，二级放大单元连接于隔直滤波单元和控制单元，隔直滤波单元连接于迟滞比较单元，迟滞比较单元连接于控制单元，控制单元连接于动态调整单元，动态调整单元连接于直流偏置单元和二级放大单元，单片机与射频单元互相连接；GMR传感器是采集汽车经过时引起的磁场变化，并输出相应的电压信号；滤波降噪单元是对GMR传感器输出电压进行滤波和衰减噪声处理；差分放大单元是负责对滤波降噪单元处理后的信号进行差分放大；直流偏置单元是对差分放大后的信号进行数字可控直流偏置；二次放大单元是将偏置后的信号进行二次放大；隔直滤波单元将二次放大后的信号进行隔直、滤波后，将信号经交流耦合给迟滞比较单元；迟滞比较单元把收到的信号与预设电压进行比较产生脉冲信号；控制单元对迟滞比较单元产生的脉冲信号进行计数、计时、抗干扰处理，接着将所产生车流量的信息提供给射频单元；控制单元还利用自带的AD，通过采集二级放大单元的信号，对直流偏置单元和二级放大单元的电压偏置、放大增益等参数进行动态调整，以消除外界环境对磁场偏置和电路的影响，增加系统工作的稳定性。控制单元还能处理数字化后的信号，协调整个系统的运行，并且控制系统功耗；射频单元的功能与基站建立无线通信联系，与基站进行数据的交换。
GMR传感器选用NVE公司的AA002-02传感器。射频单元工作频率为433MHz，信道数目255个，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，布设在路面断层中的无线传输距离最大可到300m，射频单元采用垂直极化方向的全向陶瓷天线，最大天线增益0.5dBi，最大驻波比2.0。
本发明所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，包括GMR传感器旁放置磁柱，建立偏置磁场，磁场的方向与传感器敏感轴平行，与当汽车经过GMR传感器时，磁场发生变化，GMR传感器就能在检测的半径范围内检测到此磁场变化并输出电压信号，滤波降噪单元对GMR传感器输出电压进行滤波和衰减噪声处理，处理后的信号送给差分放大单元进行差分放大，控制单元对数字电位计进行写预值操作，对差分放大后的信号进行直流偏置，偏置后的信号送给二次放大单元进行二次放大，二次放大后的信号经隔直滤波单元进行隔直、滤波后，信号经交流耦合给迟滞比较单元与预设电压进行比较产生脉冲信号，脉冲信号把微处理器从超低功耗模式下唤醒，进入正常工作状态，启动AD，采集信号，控制单元对脉冲信号进行计数、计时、抗干扰处理，接着将产生的车流量信息提供给射频单元，射频单元将车流量信息数据传输给基站后便进入休眠状态，当没有车辆经过时，控制单元的微处理器工作于超低功耗模式，它将控制射频单元进入休眠并关闭AD。
GMR传感器的检测半径范围可以通过改变直流偏置、放大增益和交流耦合参数实现。
当AD采集信号与预设值进行比较，偏离预设值时，控制单元利用数字电位计对直流偏置和放大增益参数进行调整，调整至理想状态，调整完毕后关闭AD。
控制单元对脉冲信号进行计数具体为：控制单元通过AD采集信号判断汽车是否进入GMR传感器检测范围，汽车进入检测范围后，控制单元的I/O口电平由高变低一次认为是一辆汽车经过，控制单元的计数器累加车流量并将数据传送给射频单元。
控制单元抗干扰处理具体为：在有电磁污染产生干扰时，电磁干扰所产生的脉冲宽度小，AD信号变化斜率大。为滤除电磁干扰，AD信号在一段时间内连续有N个值大于预设阀值时认为车辆进入装置检测范围，控制单元判断已有车辆进入装置检测范围的情况下，对脉冲信号的宽度和AD信号的斜率进行计算后判断排除一般电磁干扰，同时对射频信道的忙闲进行侦听以排除装置之间的射频互扰，采取以上措施排除干扰信号后，控制单元的I/O口电平由高变低一次认为是一辆汽车经过；当AD信号平稳后的一段时间内N个值连续有小于预设阀值时，认为车辆离开装置检测范围。
射频单元的休眠状态，除控制单元可唤醒外，基站命令也可唤醒射频单元，进而使射频单元与基站进行数据交换。射频单元数据传输模式有实时和定时二种，定时时间可由基站配置，定时长度设置很方便。
本发明所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置工作电压为3.3V，采用大容量的锂亚电池供电，电池电压3.6V，采用4节电池并联，电池容量为4×8.5Ah，年自放电率低于1％。休眠状态时的工作电流为0.9mA，最大工作电流30mA，经计算本装置可待机工作8年以上。GMR传感器的检测半径范围通过改变直流偏置、放大增益和交流耦合参数实现。
本发明所述的GMR是Giant Magneto Resistive的缩写，中文全称“巨磁阻”。
Claims (9)
1、一种基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置，其特征在于它由GMR传感器、滤波降噪单元、差分放大单元、直流偏置单元、二级放大单元、隔直滤波单元、迟滞比较单元、动态调整单元、控制单元和射频单元组成；GMR传感器连接于滤波降噪单元，滤波降噪单元连接于差分放大单元，差分放大单元连接于直流偏置单元，直流偏置单元连接于二级放大单元，二级放大单元连接隔直滤波单元和控制单元，隔直滤波单元连接于迟滞比较单元，迟滞比较单元连接于控制单元，控制单元连接于动态调整单元，动态调整单元连接于直流偏置单元和二级放大单元，单片机与射频单元互相连接；
GMR传感器是采集汽车经过时引起的磁场变化，并输出相应的电压信号；
滤波降噪单元是对GMR传感器输出电压进行滤波和衰减噪声处理；
差分放大单元是负责滤波降噪单元处理后的信号进行差分放大；
直流偏置单元是对差分放大后的信号进行数字可控直流偏置；
二次放大单元是将偏置后的信号进行二次放大；
隔直滤波单元将二次放大后的信号进行隔直、滤波后，信号经交流耦合给迟滞比较单元；
迟滞比较单元把收到的信号与预设电压进行比较产生脉冲信号；
控制单元对迟滞比较单元产生的脉冲信号进行计数、计时、抗干扰处理，处理完就产生了车流量信息，然后将所产生的车流量信息提供给射频单元；
控制单元还利用自带的AD，通过采集二级放大单元的信号，对直流偏置单元和二级放大单元的电压偏置、放大增益参数进行动态调整，以消除外界环境对磁场偏置和电路的影响，增加系统工作的稳定性；
控制单元还能处理数字化后的信号，协调整个系统的运行，并且控制系统功耗；
射频单元的功能与基站建立无线通信联系，并与基站进行数据的交换；
2、根据权利要求书1所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置，其特征在于GMR传感器选用NVE公司的AA002-02传感器。
3、根据权利要求书1所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传
感器网络装置，其特征在于射频单元工作频率为433MHz，信道数目255个，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，布设在路面断层中的无线传输距离最大可到300m，射频单元采用垂直极化方向的全向陶瓷天线，最大天线增益0.5dBi，最大驻波比2.0。
4、根据权利要求书1所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，其特征在于GMR传感器旁放置磁柱，建立偏置磁场，磁场的方向与传感器敏感轴平行，与当汽车经过GMR传感器时，磁场发生变化，GMR传感器就能在检测的半径范围内检测到此磁场变化并输出电压信号，滤波降噪单元对GMR传感器输出电压进行滤波和衰减噪声处理，处理后的信号送给差分放大单元进行差分放大，控制单元对数字电位计进行写预值操作，对差分放大后的信号进行直流偏置，偏置后的信号送给二次放大单元进行二次放大，二次放大后的信号经隔直滤波单元进行隔直、滤波后，信号经交流耦合给迟滞比较单元与预设电压进行比较产生脉冲信号，脉冲信号把微处理器从超低功耗模式下唤醒，进入正常工作状态，启动AD，采集信号，控制单元对脉冲信号进行计数、计时、抗干扰处理，产生的车流量信息提供给射频单元，射频单元将车流量信息数据传输给基站后进入休眠状态，当没有车辆经过时，控制单元的微处理器工作于超低功耗模式，控制射频单元休眠并关闭AD。
5、根据权利要求书4所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，其特征在于GMR传感器的检测半径范围通过改变直流偏置、放大增益和交流耦合参数实现。
6、根据权利要求书4所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，其特征在于控制单元对脉冲信号进行计数具体为：控制单元通过AD采集信号判断汽车是否进入GMR传感器检测范围，汽车进入检测范围后，控制单元的I/O口电平由高变低一次认为是一辆汽车经过，控制单元的计数器累加车流量并将数据传送给射频单元。
7、根据权利要求书4所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，其特征在于控制单元抗干扰处理具体为：在有电磁污染产生干扰时，电磁干扰所产生的脉冲宽度小，AD信号变化斜率大，为滤除电磁干扰，AD信号在一段时间内连续有N个值大于预设阀值时认为车辆进入装置检测范围，控制单元判断已有车辆进入装置检测范围的情况下，对脉冲信号的宽度和AD信号的斜率进行计算判断排除一般电磁干扰，同时对射频信道的忙闲进行侦听以排除装置之间的射频互扰，采取以上措施排除干扰信号后，控制单元的I/O口电平由高变低一次认为是一辆汽车经过；当AD信号平稳后的一段时间内N个值连续有小于预设阀值时，认为车辆离开装置检测范围。
8、根据权利要求书4所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，其特征在于射频单元的休眠状态，除控制单元可唤醒外，基站命令也可唤醒射频单元，进而使射频单元与基站进行数据交换。
9、根据权利要求书4所述的基于GMR磁敏技术探测车流量的无线传感器网络装置的实现方法，其特征在于射频单元数据传输模式有实时和定时二种，定时时间可由基站配置，定时长度可方便设置。
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