地磁传感器在交通数据采集中的应用研究∗

祁海禄

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

随着机动车保有量的快速增长，城市交通“停车难、行车难”的问题日益凸显。提高城市交通管理的指挥调度效率，提升交通管理的科学技术水平，建立和完善交通诱导系统，实时发布各种动态交通信息、停车信息，合理引导出行和停车，减少道路无效占用时间，已成为缓解城市交通拥堵问题的有效措施［1］。其中，车辆检测是交通参数获取的最前端，为智能交通系统的科学调度和管理提供实时可靠的参考数据，是系统的重要组成部分［2］。

目前，用于车辆检测的传感器较多，如视频图像传感器、环形地感线圈、微波传感器、超声波传感器、红外传感器、地磁传感器［3］等，视频图像传感器成本高，对天气条件较为敏感；环形地感线圈检测准确率高，但安装施工耗时费力，会影响安装路面和自身的使用寿命；微波传感器容易受金属和相同波段频率的微波干扰，影响检测精度；超声波传感器成本低，但易受气候影响，检测精度受限；红外传感器对环境温度变化较敏感，也存在一定的辐射污染；地磁传感器检测准确率与环形地感线圈相近，安装施工便捷，对气候变化不敏感，环境适应性较好，已广泛应用于车辆检测设备中［4～8］。本文在对两种常见地磁传感器的性能特点进行分析比较的基础上，基于性能更优的各向异性磁阻传感器设计了一种交通数据采集设备，用于获取城市道路固定断面的交通数据。

2 地磁传感器车辆检测原理

地球磁场强度大约0.5Oe～0.6Oe，在一定区域内的磁场强度基本是恒定的。当任何具备导磁能力的铁磁性物质扰动时，该区域的磁场强度将会发生变化。汽车可看作多个双极性磁铁组成的模型，当车辆进入地磁传感器的检测范围时，车辆前端发动机和车轮以及车辆内部其它铁磁性物体会对地磁场产生扭曲和畸变，从而扰动周围地磁场的分布情况。

图1说明了一辆小汽车扰动地球磁场的情况，不管它的状态是运动的还是静止的，由于车辆内部铁磁性物质的存在，必定会影响原分布均匀的地磁场。当车辆处于地磁传感器检测范围内时，地磁传感器能够灵敏感知到地磁信号的变化，经信号分析可以得到检测目标的相关信息。

图1 普通小汽车对车辆所在区域产生的磁场扰动示意图

3 两种常见地磁传感器的性能特点

地磁传感器可分为磁通门传感器、电感式传感器和磁阻式传感器［9］。磁通门传感器的体积较大［9～10］，在车辆检测中应用于交通参数获取的案例尚未见到，此处不做赘述。

3.1 电感式传感器

电感式传感器的原理是利用电磁感应把被测环境磁场的变化转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再用电路转换为电压值输出，实现非电量到电量的转换。电感式地磁传感器应用较多的是美国PNI公司研发的RM3100套件，一般由两个X/Y轴磁传感器Sen-XY-f（13104）、1个Z轴磁传感器Sen-Z-f（13101）和1个ASIC控制器MagI2C配套使用［11］。基于磁感应技术的PNI传感器不仅具备超低噪音下的高分辨率和重复性数据输出，而且采样率高、无磁滞现象，也不需要进行温度校准，测量范围±11Oe，自带SPI数字接口，在车辆检测中广泛应用于停车位占用/空闲状态的判别。

3.2 磁阻式传感器

磁阻式传感器的原理是磁阻效应，即铁、钴、镍等金属或一些半导体在变化的磁场中，电阻值随磁场变化的现象。磁阻式传感器有各向异性磁阻传感器（AMR）、巨磁电阻传感器（GMR）、巨磁阻抗传感器（GMI）、隧道磁阻传感器（TMR）等。磁阻式地磁传感器应用较多的是Honeywell公司出品的AMR各向异性磁阻传感器，AMR传感器的典型代表是HMC5983三轴磁阻传感器［12］，该传感器具有轴向高灵敏度和线性高精度的特点，内置温度校准，对于温度变化的环境适应性较强；测量范围±8Oe，自带I2C/SPI数字接口，在车辆检测中广泛应用于车流量检测和停车位占用/空闲状态的判别［8～9］。

3.3 两种常见地磁传感器的性能特点比较

PNI公司的RM3100配合PNI12927驱动芯片构成的三轴电感式地磁传感器，与Honeywell公司的HMC5983三轴磁阻式地磁传感器相比，电感式地磁传感器虽然测量范围更大，但是抗噪声性能弱，数据抖动频繁且抖动幅度大；磁阻式地磁传感器噪声较少，且HMC5983内置温度校准，对于温度变化的环境适应性较强［9］。另外，磁阻式地磁传感器的价格相对更低。综合以上原因，本文选择集成三轴磁阻传感器HMC5983进行交通数据采集器的设计开发。

4 交通数据采集设备设计

4.1 设备组成及工作原理

交通数据采集设备组成及系统结构图如图2所示。交通数据采集设备由交通数据采集器、中继器和网关组成。交通数据采集器用于实时检测道路断面车辆通过信息，并直接传输至网关。当交通数据采集器与网关的距离超过一定的范围时，为了保证二者之间的可靠通讯，交通数据采集器也可经由中继器转发数据至网关。网关接收到交通数据采集器发送的车辆通过信息以后，对数据进行汇聚处理，得到被检测道路断面的交通数据，包括车流量、速度、时间占有率、有效车身长度等，然后通过有线（光纤以太网）或无线（4G）的方式实时传输至服务器端云平台。

4.2 交通数据采集器电路设计

基于HMC5983的交通数据采集器电路包括地磁传感器电路、无线通信电路、微控制器MCU和电源管理单元等，如图2所示。

三轴磁阻式传感器HMC5983实时采集交通数据采集器所在位置的磁场信息，并通过SPI数字接口将采集到的磁场信息发送至MCU，如图3所示。

图2 交通数据采集设备组成及系统结构图

图3 HMC5983通过SPI向MCU发送磁场信息数据

MCU微控制器选用TI超低功耗微控制器MSP430G2553［13］。MSP430G2553 具有一个强大的16位精简指令集（RISC）CPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器，数字控制振荡器（DCO）可在不到1 μs的时间里完成从低功耗模式至运行模式的唤醒。MCU微控制器根据磁场信息的变化来判别有无车辆经过，并通过电源管理单元控制各部分电路的工作。

无线通信模块选用基于SX1278设计开发的安美通APC340模块。APC340无线通信模块基于LoRa扩频调制技术进行远距离的无线数据传输，支持420MHz～510MHz频谱范围内的可靠通信，覆盖433MHz、470MHz、490MHz等免费频段，体积小、功耗低，性能高，适合集成于交通数据采集器电路中。APC340模块通过TTL串口与MCU进行连接，实时向网关发送车辆通过信息。

4.3 交通数据采集器嵌入式软件设计

按照结构化程序设计的思想，将系统功能分解成各个可执行的最小功能模块，每个可执行的最小模块由一个封装函数来完成，再通过主函数的调用，完成既定的系统功能。根据城市道路固定断面交通数据采集器的功能要求，结合硬件电路结构，系统软件主要实现以下功能：

1）实时采集交通数据采集器所在位置的磁场信息；

2）在对采集的磁场信息进行计算分析时，与当前设定的阈值比较，进而判别是否有车辆通过。如果采集到的磁场信息超过设定的阈值，表明有车辆通过；反之，表明无车辆通过。

3）当有车辆通过时，MCU控制无线通信模块及时向网关无线发送当前车辆通过信息。

4）特别地，当交通数据采集器检测到无车辆通过且持续时间超过设定的时间窗口阈值时，则自适应校正更新地磁检测基准值，以抵消交通数据采集器周围背景磁场的变化。

交通数据采集器主程序流程图如图4所示。整个程序可分为系统初始化程序、磁场信息采集程序、车辆通过判别程序、TTL串口通讯程序等。

图4 交通数据采集器主程序流程图

4.4 网关设计

网关硬件电路包括供电电源单元、MCU综合处理单元、无线通信电路和接口转换电路等，其组成框图如图5所示。

网关可以安装在路灯杆或监控设备安装杆上，采用AC220V供电，具备以下功能：

1）无线接收交通数据采集器发送的车辆通过信息或设备状态信息。

2）对数据进行汇聚处理，得到被检测道路断面的交通数据，包括车流量、速度、时间占有率、有效车身长度等。

3）通过有线（光纤以太网）或无线（4G）的方式实时传输数据至服务器端云平台。

图5 网关硬件电路组成框图

中继器实现的是无线数据转发功能，与网关相比，无需接口转换电路，即中继器只需将接收到的车辆通过信息无线转发至网关，此处不做进一步赘述。

5 测试结果

本次实装测试环境位于某测试路段距离路口约100m处的道路断面上，单向三车道安装4个交通数据采集器，中间车道上安装2个交通数据采集器，其他两车道各安装1个交通数据采集器，如图6所示。所安装的交通数据采集器用于采集道路断面车辆通过信息，中间车道上安装的2个交通数据采集器相距3m，用于获取车辆通过时的平均速度。网关安装于路灯杆上，通过光纤以太网向服务器端云平台传输交通数据。经观测统计与数据分析，车流量检测精度高于96%，速度检测精度高于80%，基本能够满足城市道路固定断面交通数据采集的应用需求。

图6 交通数据采集器及网关现场安装布置示意图

6 结语

当前，基于AMR磁阻传感器的车辆检测技术以其具有低成本、低功耗、小体积等特性而备受青睐，是现阶段车辆检测的研究重点［2］。本文基于三轴磁阻式传感器HMC5983所设计的交通数据采集器体积小、安装方便、维护简单，基本能够满足城市道路固定断面交通数据采集的实际应用需求。交通数据采集设备获取的车流量、车速等基础数据，对提升城市交通管理的科技水平和智能交通管理的建设发展具有重要的支撑意义。