CN104299422B - 一种地磁车辆检测装置及其控制方法 - Google Patents

一种地磁车辆检测装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种地磁车辆检测装置及其控制方法，涉及车辆检测技术领域，本装置包括低功耗单片机、一次性锂亚电池以及与低功耗单片机连接的无线单元和地磁传感器，还包括地震检波器，上述地震检波器与低功耗单片机连接。本方法先由地震检波器进行低频率的检测，判断附近是否有车辆，只有发现附近有车辆时，才启动磁力数据采集和计算以及磁力数据判断有车时进行无线发送。本发明提高了地磁车辆检测装置的低功耗性能，能够在相同电池容量条件下大大增加了地磁车辆检测装置的使用年限，或在同样的使用年限条件下大大降低电池乃至整个装置的体积，从而使传统的无线地磁车辆检测得到更进一步的优化。

Description

一种地磁车辆检测装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及车辆检测技术领域，具体为一种地磁车辆检测装置及其控制方法。
背景技术
运用地磁传感器是车辆检测的一个重要手段之一，因为几乎所有车辆的底盘都含有大量的有色金属（铁，钢，镍，钴等），车辆所造成的磁场干扰足以被地磁传感器检测到。现代智能交通领域采用的无线地磁车辆检测技术，在车流统计、停车场车位检测、超速检测、车型判断、交通监控、铁路道口控制、自动开闸系统等方面都有较好的应用前景。
基于地磁传感器的无线车辆检测装置一般由地磁传感器、低功耗单片机、无线单元、电池以及高强度保护性封装等部分构成，整个设备埋于道路地面之下并用水泥密封，检测数据通过无线通信传输到地面的接收设备。设备埋地后无法更换电池，当电量耗尽时设备就报废了，因此无线地磁车辆检测设备必须工作于低功耗状态，单位时间消耗的电池电量越小，设备的使用寿命就越长。
公开号为CN1549224A的发明专利公开了一种车辆探测装置，由探测单元、信号处理/传输单元和电源构成，探测单元由地磁印象探测器与声/振动/压力、超声波、温度或微波探测装置组成。但该专利并未涉及车辆探测设备的低功耗装置及方法。
另外，美国SenSys公司生产了一种型号为VSN240的埋地无线地磁车辆检测器，利用三轴磁力计进行车辆检测。然而，地磁传感器的感应距离较短，只能检测到2米以内的车辆所造成的磁场干扰，为了进行准确的车辆检测，检测装置需要进行高频率的数据采集，以免漏掉数据。例如，SenSys公司的上述地磁车辆检测器需要以128Hz的频率采集磁力数据，不管检测器附近是否有车辆，这实际上非常浪费宝贵的电池能量。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种，只有在车辆比较接近的时候才启动磁力数据采集的一种低功耗的地磁车辆检测装置及其控制方法，技术方案如下：
一种地磁车辆检测装置，包括低功耗单片机、一次性锂亚电池以及与低功耗单片机连接的无线单元和地磁传感器，还包括地震检波器，上述地震检波器与低功耗单片机连接。
进一步的，上述低功耗单片机为ATMEGA1281处理器，上述无线单元为ATRF230芯片，上述地磁传感器为三轴磁力数字传感器MAG3110，上述地震检波器为CDJ-Z/P28垂直检波器；ATMEGA1281处理器的PB0、PB1、PB2、PB3、PA5、PA6、PB7、PD6和PD4引脚分别连接ATRF230芯片的片选信号SEL引脚、SPI时钟线SCLK引脚、SPI数据输入线MOSI引脚、SPI数据输出线MISO引脚、连续传输测试线TX_CW引脚、重启引脚RSTN、睡眠状态控制引脚SLP、主时钟输出引脚CLKM、中端输出引脚IRQ；ATMEGA1281处理器的PD0、PD1和PE4引脚分别连接三轴磁力数字传感器MAG3110的I2C时钟线SCL、I2C数据线SDA、中断线INT；CDJ-Z/P28垂直检波器的负脚接地，正脚通过隔直电容C1和滤波电路连接ATMEGA1281处理器的ADC0引脚。
一种地磁车辆检测装置的控制方法，包括：
步骤一：初始化时钟，配置GPIO资源，配置与三轴磁力数字传感器MAG3110的I2C接口，配置与ATRF230芯片的SPI接口并置无线状态为休眠，创建三轴磁力数字传感器MAG3110采集定时器M，创建地震检波器为CDJ-Z/P28定时器V；
步骤二：设置地震检波器为CDJ-Z/P28定时间隔Tv=1s，启动定时器V，ATMEGA1281处理器进入休眠；
步骤三：当定时器V超时，定时中断被触发时，ATMEGA1281处理器被唤醒，并通过ADC0引脚连续采集检波器数据样本进行波形分析；
步骤四：如果检波数据小于预设阀值，则设置无车标志，返回步骤二；
步骤五：如果检波数据大于预设阀值，则清除无车标志，启动磁力数据采集和无线发送流程，同时返回步骤二；
所述磁力数据采集和无线发送流程具体步骤包括：
步骤a）设置三轴磁力数字传感器MAG3110定时间隔Tm=20ms，启动定时器M，ATMEGA1281处理器进入休眠；
步骤b）当定时器M超时，定时中断被触发时，ATMEGA1281处理器被唤醒检查无车标志是否被设置，如果无车标志被设置，定时器M停止，不进行磁力数据采集；若无车标志没有被设置，则进入下一步；
步骤c）ATMEGA1281处理器通过I2C接口启动三轴磁力数字传感器MAG3110采集磁力数据，然后ATMEGA1281处理器进入休眠状态；
步骤d）三轴磁力数字传感器MAG3110数据采集完毕，中断线INT引起ATMEGA1281处理器引脚PE4发生中断；
步骤e）PE4中断导致ATMEGA1281处理器被唤醒，接收I2C接口上传来的磁力传感器数据；
步骤f）设置ATRF230芯片进入发送状态，将数据打包发送至地面无线接收设备，发送完毕后置ATRF230芯片进入休眠状态；再返回步骤a）。
进一步的，上述步骤e）与步骤f）之间还包括ATMEGA1281处理器将接收的磁力数据进行车辆检测计算；如果计算未检测到车辆，则返回步骤a）；如果计算检测到车辆，则进入步骤f）。
更进一步的，上述预设阈值取值范围为20-30米。
本发明的有益效果是：本发明只有在发现附近有车辆时才启动高频率的磁力数据采集，无车辆经过时，系统进入休眠状态，从而提高了地磁车辆检测装置的低功耗性能，且本发明采用本地识别计算，减小了无线传输数据时对电池电量的消耗；所以本发明在相同电池容量条件下大大增加了地磁车辆检测装置的使用年限，或在同样的使用年限条件下大大降低电池乃至整个装置的体积，从而使传统的无线地磁车辆检测得到更进一步的优化。
附图说明
图1为地磁车辆检测装置中ATMEGA1281处理器与ATRF230芯片电路连接原理图。
图2为地磁车辆检测装置中ATMEGA1281处理器与三轴磁力数字传感器MAG3110电路连接原理图。
图3为地磁车辆检测装置中ATMEGA1281处理器CDJ-Z/P28垂直检波器电路连接原理图。
图4为地磁车辆检测方法工作流程总图。
图5为地磁车辆检测方法中磁力数据采集、无线发送详细流程。
图6为地磁车辆检测方法中磁力数据采集、事件计算、无线发送详细流程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：一种地磁车辆检测装置由低功耗单片机、无线单元、地磁传感器、地震检波器及电路、电池及高强度外壳组成。整个装置埋于道路地面之下并用水泥密封。地磁车辆检测装置的核心是低功耗单片机，它负责驱动无线单元、地磁传感器、地震检波器工作。其中电池为一次性锂亚电池，外壳为高强度塑料外壳。
低功耗单片机为ATMEGA1281处理器，它是一种FLASH空间为128K字节的8位AVR低功耗单片机，在所有的操作中它都遵循一种低功耗操作方法，即通常情况下都处于休眠状态，只有中断发生才醒来进行中断处理，处理完毕后又恢复到休眠状态。
无线单元为ATRF230芯片，它是一种符合IEEE802.15.4标准、工作在2.4GHz频段的低功耗无线收发器。ATMEGA1281处理器与ATRF230无线芯片的电路连接关系如图1所示，ATMEGA1281处理器的PB0、PB1、PB2、PB3、PA5、PA6、PB7、PD6和PD4引脚分别连接ATRF230芯片的片选信号SEL引脚、SPI时钟线SCLK引脚、SPI数据输入线MOSI引脚、SPI数据输出线MISO引脚、连续传输测试线TX_CW引脚、重启引脚RSTN、睡眠状态控制引脚SLP、主时钟输出引脚CLKM、中端输出引脚IRQ。双向数据传输是通过SPI接口实现的，控制功能是通过其它引脚实现。无线操作遵循低功耗模式，即当不发送也不接收时，ATRF230芯片是出于休眠状态的，电流低至20nA。当有数据发送/接收时，ATMEGA1281通过PB7引脚唤醒ATRF230芯片，进入正常工作状态，发送/接收完毕后恢复睡眠。
地磁传感器为三轴磁力数字传感器MAG3110，它是一种小型的低功耗、数字三轴磁力计，可以测量所处位置磁场三个轴向的组成部分，能够测量高达10高斯的磁场，输出数据速率可达80Hz。三轴磁力数字传感器MAG3110使用标准的I2C串行接口。ATMEGA1281处理器与三轴磁力数字传感器MAG3110的电路连接如图2所示，ATMEGA1281处理器的PD0和PD1引脚分别连接三轴磁力数字传感器MAG3110的I2C时钟线SCL和I2C数据线SDA。另外为了方便MAG3110地磁传感器工作时三轴磁力数字传感器ATMEGA1281可以进行其它工作，ATMEGA1281处理器的PE4引脚与三轴磁力数字传感器MAG3110的中断线INT相连，以便数据就绪时处理器能及时相应，而不需要进行轮询。另外在SCL和SDA上需加上拉电阻R1和R2。
地震检波器为自然频率为28Hz的CDJ-Z/P28垂直检波器，它是一种灵敏度为0.28V/cm/s的电动式速度传感器，具有频复响应好、灵敏度高，线性度好的优点，广泛用于石油地震勘探、桥梁、大坝等工程测振，可以单独使用，也可以成串使用。CDJ-Z/P28垂直检波器的接口只有正负两个引脚，负脚接地，正脚是输出的信号。其内部是感应线圈，受到机械振动会产生感应电流，感应电流的强度受机械振动强度大小制约。其振幅在零点附近，故振动电压信号需要调理后才能进行AD采样。本实施例CDJ-Z/P28垂直检波器调理电路功能有，隔直流信号，信号滤波放大，AD采样，如图3所示。ATMEGA1281处理器的ADC0引脚通过隔直电容C1和滤波电路连接上述CDJ-Z/P28垂直检波器的正脚，其中隔直电容C1是106钽电容，滤波电路包括电阻R3和R4、开关二极管D1和D2，16pF电容C2。
地震检波器探测能检测到车辆传输的地震波，感应距离较远，能感知100米以外车辆的震动信息，并且消耗电流极小，但是地震检波器无法区分多个车辆以及车辆的准确位置，无法进行精细的判断；地磁传感器的感应距离较短，只能检测到2米以内的车辆所造成的磁场干扰，所以只有地磁传感器才能准确记录车辆从检测装置上方经过的信息。本发明提出的方法是利用地震检波器进行低频率的检测，判断附近是否有车辆，只有发现附近有车辆时，才会启动高频率的地磁检测，得到车辆经过检测装置上方时的详细磁力扰动数据。
地震检波器用低频率采集检波数据，并分析数据波形，若检波器数据在28Hz上的振幅大于20米车辆传输的振幅经验值，则表示有车，否则无车。检波器判断无车时会设置无车标志，检波器判断有车时会清除无车标志。有车时会启动磁力数据采集和计算以及磁力数据判断有车时进行无线发送。当车辆离开后为避免地磁传感器数据采集一直进行，在每次磁力数据采集之前都会检查地震检波器的无车标志，如果无车标志被设置，则地磁传感器数据采集定时器会被停止，只有地震检波器按照较低频率继续判断。
如图4所示，地磁车辆检测方法具体步骤如下：
步骤一：初始化时钟，配置GPIO资源，配置与三轴磁力数字传感器MAG3110的I2C接口，配置与ATRF230芯片的SPI接口并置无线状态为休眠，创建三轴磁力数字传感器MAG3110采集定时器M，创建地震检波器为CDJ-Z/P28定时器V；
步骤二：设置地震检波器为CDJ-Z/P28定时间隔Tv=1s，启动定时器V，ATMEGA1281处理器进入休眠；
步骤三：当定时器V超时，定时中断被触发时，ATMEGA1281处理器被唤醒，并通过ADC0引脚连续采集检波器数据100个样本进行波形分析；
步骤四：如果检波数据小于20米阀值，则设置无车标志，返回步骤二；
步骤五：如果检波数据大于20米阀值，则清除无车标志，返回步骤二。
如此循环采集检波器数据样本，并进行波形分析，只有当无车标志被清除时，才启动磁力数据采集和无线发送流程；磁力数据采集和无线发送流程具体步骤如下：
步骤a）设置三轴磁力数字传感器MAG3110定时间隔Tm=20ms，启动定时器M，ATMEGA1281处理器进入休眠；
步骤b）当定时器M超时，定时中断被触发时，ATMEGA1281处理器被唤醒检查无车标志是否被设置，如果无车标志被设置，定时器M停止，不进行磁力数据采集；若无车标志没有被设置，则进入下一步；
步骤c）ATMEGA1281处理器通过I2C接口启动三轴磁力数字传感器MAG3110采集磁力数据，然后ATMEGA1281处理器进入休眠状态；
步骤d）三轴磁力数字传感器MAG3110数据采集完毕，中断线INT引起ATMEGA1281处理器引脚PE4发生中断；
步骤e）PE4中断导致ATMEGA1281处理器被唤醒，接收I2C接口上传来的磁力传感器数据；
步骤f）ATMEGA1281处理器将接收的磁力数据进行车辆检测计算；如果计算未检测到车辆，则返回步骤a）；如果计算检测到车辆，则进入下一步；
步骤g）设置ATRF230芯片进入发送状态，将数据打包发送至地面无线接收设备，发送完毕后置ATRF230芯片进入休眠状态；再返回步骤a）。
三轴磁力数字传感器MAG3110不断重复采集磁力数据，直到发现无车标志被设置才停止采集。
地磁车辆检测装置采集的磁力数据可以不经过处理直接上传给地面无线接收设备进入后台服务器进行集中计算识别，如图5所示，即省略上述步骤f）。但由于不经处理直接上传原始数据造成的无线传输消耗电池电量过多，所以本实施例采用本地计算识别，只将检测到车辆的有关数据发送到地面无线接受设备，如图6所示。
上述阈值的取值范围为20米至30米，本实施例优选20米。

Claims (3)

1.一种地磁车辆检测装置的控制方法，其特征在于，所述地磁车辆检测装置，包括低功耗单片机、一次性锂亚电池以及与低功耗单片机连接的无线单元和地磁传感器，其特征在于，还包括地震检波器，所述地震检波器与低功耗单片机连接；所述低功耗单片机为ATMEGA1281处理器，所述无线单元为ATRF230芯片，所述地磁传感器为三轴磁力数字传感器MAG3110，所述地震检波器为CDJ-Z/P28垂直检波器；所述ATMEGA1281处理器的PB0、PB1、PB2、PB3、PA5、PA6、PB7、PD6和PD4引脚分别连接所述ATRF230芯片的片选信号SEL引脚、SPI时钟线SCLK引脚、SPI数据输入线MOSI引脚、SPI数据输出线MISO引脚、连续传输测试线TX_CW引脚、重启引脚RSTN、睡眠状态控制引脚SLP、主时钟输出引脚CLKM、中端输出引脚IRQ；所述ATMEGA1281处理器的PD0、PD1和PE4引脚分别连接所述三轴磁力数字传感器MAG3110的I2C时钟线SCL、I2C数据线SDA、中断线INT；所述CDJ-Z/P28垂直检波器的负脚接地，正脚通过隔直电容C1和滤波电路连接所述ATMEGA1281处理器的ADC0引脚；其控制方法包括：
步骤一：初始化时钟，配置GPIO资源，配置与三轴磁力数字传感器MAG3110的I2C接口，配置与ATRF230芯片的SPI接口并置无线状态为休眠，创建三轴磁力数字传感器MAG3110采集定时器M，创建地震检波器为CDJ-Z/P28定时器V；
步骤二：设置地震检波器CDJ-Z/P28定时间隔Tv=1s，启动定时器V，ATMEGA1281处理器进入休眠；
步骤三：当定时器V超时，定时中断被触发时，ATMEGA1281处理器被唤醒，并通过ADC0引脚连续采集检波器数据样本进行波形分析；
步骤四：如果检波数据小于预设阀值，则设置无车标志，返回步骤二；
步骤五：如果检波数据大于预设阀值，则清除无车标志，启动磁力数据采集和无线发送流程，同时返回步骤二；
所述磁力数据采集和无线发送流程具体步骤包括：
步骤a）设置三轴磁力数字传感器MAG3110定时间隔Tm=20ms，启动定时器M，ATMEGA1281处理器进入休眠；
步骤b）当定时器M超时，定时中断被触发时，ATMEGA1281处理器被唤醒检查无车标志是否被设置，如果无车标志被设置，定时器M停止，不进行磁力数据采集；若无车标志没有被设置，则进入下一步；
步骤c）ATMEGA1281处理器通过I2C接口启动三轴磁力数字传感器MAG3110采集磁力数据，然后ATMEGA1281处理器进入休眠状态；
步骤d）三轴磁力数字传感器MAG3110数据采集完毕，中断线INT引起ATMEGA1281处理器引脚PE4发生中断；
步骤e）PE4中断导致ATMEGA1281处理器被唤醒，接收I2C接口上传来的磁力传感器数据；
步骤f）设置ATRF230芯片进入发送状态，将数据打包发送至地面无线接收设备，发送完毕后置ATRF230芯片进入休眠状态；再返回步骤a）。
2.根据权利要求1所述的一种地磁车辆检测装置的控制方法，其特征在于，所述步骤e）与步骤f）之间还包括ATMEGA1281处理器将接收的磁力数据进行车辆检测计算；如果计算未检测到车辆，则返回步骤a）；如果计算检测到车辆，则进入步骤f）。
3.根据权利要求1或2所述的一种地磁车辆检测装置的控制方法，其特征在于，所述预设阈值取值范围为20-30米。
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