CN1604149A - 两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种使用两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置和方法。装置包括；磁传感器、运算放大器、电压比较器、单片机。方法包括：测量交通流量工作模式、测量车辆速度工作模式和同时测量交通流量和车辆速度的工作模式三种模式。本发明通过磁传感器测量汽车经过时引起的磁场变化来测量汽车经过信息，统计道路交通流量。同时，它也可以通过测量汽车经过两个磁传感器时分别引起磁场变化的时间差，结合两个磁传感器之间的距离，获得车辆的行驶速度。这样的测量装置同时可以测量道路交通流量和车辆速度，而不需要使用两个测量装置。本节点装置采用低功耗元器件，并使用了一系列低功耗技术。

Description

两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置和方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是一种使用两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置和方法。
背景技术
随着城市建设和经济的发展，交通基础设施的建设已经越来越不能满足城市交通发展的需要，采用智能交通系统改善道路交通状况已成为未来城市交通的发展方向。智能交通系统(ITS)是综合利用交通信息系统、通讯网络、定位系统和智能化分析等现代通信和计算机技术的发展成果来完成城市交通智能化管理的系统的总称。
智能交通系统需要先进的交通流量信息采集装置。目前我国道路交通汽车流量信息的采集主要是通过在道路下面埋设电感线圈，检测汽车经过时引起的磁场变化信息来完成。电感线圈体积庞大，埋设时对路面破坏严重，而且成本较高。目前研究中的方案还有通过视频监控系统智能识别车辆信息的方法，但是技术还不成熟，不能用于实际应用。使用无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)节点结合磁传感器(MagneticSensor)在公路下面检测车辆经过信息，具有对路面破坏小，成本低廉等优点，是未来的发展方向。
智能交通系统经常需要同时检测道路交通流量信息和平均车速信息来判断道路的阻塞情况。目前车速的检测主要依靠车辆测速雷达或者超声波测速仪来完成。这些检测仪器不但成本高昂，而且都与道路交通流量检测装置分离，采集道路交通信息很不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以同时采集道路交通流量和车速的数据采集节点装置和方法。
本发明的节点装置使用两个磁传感器来检测车辆经过时引起的磁场变化，通过测量车辆分别经过两个磁传感器引起磁场变化的时间间隔，再根据两个磁传感器之间的距离获得车辆行驶速度。同时本装置采用电池供电，使用无线射频输出将采集到的数据传送出去，具有体积小、对路面破坏小、能够同时测量车辆行驶速度和道路交通流量等优点。
为实现上述目的，一种可以同时采集道路交通流量和车速的数据采集节点装置：
一种两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置，由磁传感器、运算放大器、电压比较器、单片机组成，磁传感器1和磁传感器2分别连接于运算放大器1和运算放大器2，运算放大器1和运算放大器2连接于单片机和电压比较器1和电压比较器2，电压比较器1和电压比较器2再连接于单片机，
磁传感器1和磁传感器2，采集汽车经过时引起的磁场变化信息；
运算放大器1和运算放大器2，负责将磁传感器1和磁传感器2产生的电压信号放大送给单片机的AD转换器处理；
电压比较器1和电压比较器2，将运算放大器1和运算放大器2的模拟信号转换为电压跳变，使单片机能够测量两个磁传感器达到同一电压的时间间隔。
单片机，包含AD转换器，负责采集运算放大器1和运算放大器2送来的磁场变化信息及电压比较器1和电压比较器2送来的两个磁传感器达到同一电压的时间间隔，计算道路汽车流量和车速信息，将信息发送给射频模块；
射频模块，将单片机送来的流量和车速信息通过天线发送出给无线基站节点。
现代汽车设计一般都使用了大量钢铁材料。将反应灵敏的磁传感器埋藏在公路下面的时候，只要汽车从公路上方经过，都会引起磁场变化，被磁传感器检测到。现代的磁传感器一般为模拟传感器，可以迅速的将周围磁场的信号转化为电压信号，反应十分迅速。
本发明的节点装置具有体积小、成本低、功耗少等特点。
附图说明
图1为道路交通流量和车速测量节点装置框图。
图2为电压比较器输出上升沿变化。
具体实施方式
磁传感器采集到的电压信号一般都十分微弱，必须经过运算放大器放大后才能够进行处理。
整个基于使用两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的节点装置有测量交通流量工作模式、测量车辆速度工作模式和同时测量交通流量和车辆速度的工作模式三种模式。
图1中，在测量交通流量的工作模式中，磁传感器1和运算放大器1工作，磁传感器2和运算放大器2不工作。磁传感器1采集汽车经过时引起的磁场变化，将磁场变化转化为电压信号经过运算放大器1放大后把数据传递给内置AD转换器的单片机。单片机每隔1/20秒进行一次AD转换，采集一次磁传感器的电压信号，并与采集到的电压信号与没有汽车经过的正常信号相比较。一次正常信号——高电压信号——正常信号的转化过程被认为是一辆汽车经过。
在测量车辆速度的工作模式中，两个磁传感器和两个运算放大器同时工作。节点上的两个磁传感器顺着道路行车方向顺序排列，磁传感器1在前，磁传感器2在后，相隔一个固定的距离L。两个磁传感器将磁场变化转换为的电压信号因为十分微弱，必须经过运算放大器放大后才能处理。经过运算放大器放大后的信号直接送入电压比较器中，与一个基准电压相比较，不送入单片机进行AD转换。当运算放大器输出的电压小于基准电压的时候，电压比较器输出为低电压；当运算放大器输出的电压大于基准电压时，电压比较器输出为高电压。单片机测量电压比较器1和电压比较器2分别由低电压转化为高电压的脉冲时间差T，如图2所示。再除以磁传感器1和磁传感器2之间的距离L除以时间差T就可以获得汽车车速信息。为了准确测量车辆同一部位经过两个磁传感器的时间，电压比较器将两个运算放大器放大的电压信号和同一个基准电压相比较。
当工作在同时测量交通流量和车辆速度的工作模式时，单片机以每5分钟为一个周期，在每辆车经过节点时测量车辆的行驶速度，同时给车辆计数器加1。5分钟时间到以后，单片机统计车辆运行平均速度和这5分钟内经过的车辆数量，然后将数据通过射频模块发送给无线基站节点。在统计道路交通流量时以一次两个电压比较器都输出上升沿车辆计数器计数一次。
因为本测量节点装置要埋在公路下面，测量获得的信号输出就很重要。如果采取有线方式输出，需要破坏公路埋设通信线路，对公路破坏大，施工成本高。本设计采用了无线射频输出的方法将采集到的数据输出。单片机每隔5分钟将采集获得的数据送给无线射频模块。无线射频模块工作在915MHz的频率上，带宽为38.4KHz。节点通过无线射频方式将采集到的数据发送给路边的无线基站节点，无线基站节点再将数据通过有线方式传送到交通信息处理中心处理。
因为采用无线方式发送数据，节点也没有电源线，所以本节点装置采用了电池供电。为了节省电能，本节电装置采用了低功耗设计。节点使用了低功耗的ATMEL单片机，并进行了严格的电源管理控制。暂时不工作的器件全部断电，单片机和射频模块不工作时自动进入休眠状态。
本发明具有以下特征：
1)在一个节点上同时集成2个磁传感器和单片机、无线发射模块；采集到的数据可以经过单片机处理后直接通过无线方式发送出去；
2)在一个节点装置上能够同时测量交通流量和车辆速度，不需要分别使用两台仪器测量；
3)测量所得数据通过无线方式发送给路边的无线基站节点，不需要破坏大片公路来埋设通信线路；
4)节点装置使用电池供电，采用了低功耗元器件和一系列低功耗技术，不需要破坏公路埋设供电线路。
使用一个节点装置同时测量交通流量和车辆速度，而不是分别使用两个装置。
在测量车辆速度时使用电压比较器检测汽车经过两个磁传感器时分别引起的电压变化，将两个模拟信号转化为两个电平跳变，通过检测两个电平跳变的时间间隔结合两个磁传感器之间的距离计算出车辆速度。

Claims (10)

1.一种两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置，由磁传感器、运算放大器、电压比较器、单片机组成，其特征在于，磁传感器(1)和磁传感器(2)分别连接于运算放大器(1)和运算放大器(2)，运算放大器(1)和运算放大器(2)连接于单片机和电压比较器(1)和电压比较器(2)，电压比较器(1)和电压比较器(2)再连接于单片机，
磁传感器(1)和磁传感器(2)，采集汽车经过时引起的磁场变化信息；
运算放大器(1)和运算放大器(2)，负责将磁传感器(1)和磁传感器(2)产生的电压信号放大送给单片机的AD转换器处理；
电压比较器(1)和电压比较器(2)，将运算放大器(1)和运算放大器(2)的模拟信号转换为电压跳变，使单片机能够测量两个磁传感器达到同一电压的时间间隔；
单片机，包含AD转换器，负责采集运算放大器(1)和运算放大器(2)送来的磁场变化信息及电压比较器(1)和电压比较器(2)送来的两个磁传感器达到同一电压的时间间隔，计算道路汽车流量和车速信息，将信息发送给射频模块。
2.根据权利要求1的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的装置，其特征在于，还包括无线射频模块和天线，通过射频模块，将单片机送来的流量和车速信息通过天线发送出给无线基站节点。
3.一种两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，具有测量交通流量工作模式、测量车辆速度工作模式和同时测量交通流量和车辆速度的工作模式三种模式。
4.根据权利要求3的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，在测量交通流量的工作模式中，磁传感器(1)和运算放大器(1)工作，磁传感器(2)和运算放大器(2)不工作，磁传感器(1)采集汽车经过时引起的磁场变化，将磁场变化转化为电压信号经过运算放大器(1)放大后把数据传递给内置AD转换器的单片机。
5.根据权利要求4的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，单片机每隔1/20秒进行一次AD转换，采集一次磁传感器的电压信号，并与采集到的电压信号与没有汽车经过的正常信号相比较，一次正常信号——高电压信号——正常信号的转化过程被认为是一辆汽车经过。
6.根据权利要求3的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，在测量车辆速度的工作模式中，两个磁传感器和两个运算放大器同时工作，节点上的两个磁传感器顺着道路行车方向顺序排列，磁传感器(1)在前，磁传感器(2)在后，相隔一个固定的距离L，经过运算放大器放大后的信号直接送入电压比较器中，与一个基准电压相比较，不送入单片机进行AD转换，当运算放大器输出的电压小于基准电压的时候，电压比较器输出为低电压；当运算放大器输出的电压大于基准电压时，电压比较器输出为高电压。
7.根据权利要求6的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，单片机测量电压比较器(1)和电压比较器(2)分别由低电压转化为高电压的脉冲时间差T，再根据磁传感器(1)和磁传感器(2)之间的距离L除以时间差T就可以获得汽车车速信息，为了准确测量车辆同一部位经过两个磁传感器的时间，电压比较器将两个运算放大器放大的电压信号和同一个基准电压相比较。
8.根据权利要求3的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，工作在同时测量交通流量和车辆速度的工作模式时，单片机以每5分钟为一个周期，在每辆车经过节点时测量车辆的行驶速度，同时给车辆计数器加1，5分钟时间到以后，单片机统计车辆运行平均速度和这5分钟内经过的车辆数量，然后将数据通过射频模块发送给无线基站节点，在统计道路交通流量时以一次两个电压比较器都输出上升沿车辆计数器计数一次。
9.根据权利要求3-8的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，采用无线射频输出的方法将采集到的数据输出，单片机每隔5分钟将采集获得的数据送给无线射频模块，节点通过无线射频方式将采集到的数据发送给路边的无线基站节点，无线基站节点再将数据通过有线方式传送到交通信息处理中心处理。
10.根据权利要求9的两个磁传感器同时测量交通流量和车辆速度的方法，其特征在于，无线射频模块工作在915MHz的频率上，带宽为38.4KHz。
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