城市交通车辆磁信号实时检测系统与实验

郭乙薇

(国粮武汉科学研究设计院有限公司,湖北 武汉 430079)

当今社会,随着经济的发展和人们生活水平的提高,加剧了城市化进程,交通堵塞现象也成为各大城市普遍面临的问题[1-3]。基础设施建设速度落后于车辆增长速度,对交通车辆进行检测,提高道路通行效率,是解决交通堵塞问题的重要途径[4-5]。传统的交通车辆检测方法存在对道路产生影响,容易受到环境干扰,安装复杂,维护代价大等缺点。相比之下,磁阻传感器安装方便、成本低、实时性强,在交通车辆检测中具有良好的发展前景[6-8]。

本文采用磁阻传感器HMC5883L检测道路的地磁场,然后利用CC2530芯片通过I2C串口接收处理磁传感器HMC5883L采集的数据,通过UAT串口将数据传送给笔记本电脑[9-10]。首先搭建交通车辆磁信号实时检测系统,在此基础上,通过仿真实验和实际道路实验,分析了不同道路交通环境条件下,交通车辆磁信号的性质和特点,为实际道路交通车辆磁信号实时检测奠定基础[11-12]。

1 系统整体架构

如图1所示,系统由磁阻传感器、终端节点、协调器节点以及上位机构成。其中,磁阻传感器是用三轴磁阻传感器HMC5883L作为感知元件,实现地磁场感知；终端节点利用CC2530模块实现,输入相应的代码,连接相应的电路,从而实现采集数据并将数据包以无线形式发送给协调器节点的目的；协调器节点也是利用CC2530模块来实现,只是输入不同的代码,连接与之相应的电路来实现汇集数据,并对数据包进行处理后通过串口发送到电脑端的目的；上位机由普通的笔记本电脑构成,它装有IAR和MATLAB软件,实现对数据进行分析和绘制地磁信号图的作用。

图1 系统整体架构

2 系统组成部分

2.1 磁阻传感器HMC5883L

霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块,并带有数字接口的弱磁传感器芯片,应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L内置RC滤波电路、12位AD转换器、I2C总线接口,能够在±8高斯的磁场中实现5毫高斯分辨率。HMC5883L采用I2C总线接口进行数据传输,最大输出频率可达160 Hz。将HMC5883L模块焊接在万用板加以固定,用排针的方式引出SDA、SCL两个接口和电源线两根,方便与节点相连接,它由CC2530模块进行供电。

2.2 CC2530节点

CC2530结合了ZigBee协议栈Z-Stack,用于组建无线传感网络。ZigBee网络成员分为协调器节点、终端节点和路由节点三类。不同节点虽外形相似,但实现的功能不同。终端节点以75 Hz的速率采集传感器数据并无线发送给协调器节点,协调器节点接收数据后通过串口传输至上位机。由于节点间通信距离较短,未使用到路由节点。

2.3 上位机软件

上位机即一台个人笔记本电脑,使用MATLAB软件对应变和温度数据进行实时显示和保存。上位机软件包含了IAR7.51和MATLAB 7以上版本的软件。可以利用IAR传输节点代码,用MATLAB对搜集到的信号进行处理,如图2所示。

图2 上位机软件

3 实验系统测试

3.1 实验室环境系统测试

在实验室环境条件下,利用手机、移动电源和茶叶盒分别进行了模拟实验,得到的磁信号如图3～图5所示。

图3 手机5次通过磁阻传感器时的检测信号

图4 移动电源5次通过磁阻传感器时的检测信号

图5 饼干盒5次通过磁阻传感器时的检测信号

3.2 实际简单道路系统测试

选取武汉市洪山区的华元路与济学路交汇路口南公交站台进行实验,此路段为典型的四车道,路面平整,车道宽度较大,为直线路段,并且车流量较少,所通行的车辆以公交车为主,方便进行初步实验,实际道路环境如图6所示。

在实际道路交通道路条件下,分别对不同车道进行磁信号测试实验,实验结果如图7和图8所示。

图6 实验环境场景——华元路227省道检测地点

图7 1车道小车通过时的检测信号

图8 2车道小车通过时的检测信号

通过实验测试发现,利用该系统进行交通车辆磁信号检测,可以获取较好的磁信号特征。

3.3 实际复杂道路系统测试

实际道路交通条件下,更为复杂的路况主要体现出如下特征:

1)车道数量更多；

2)通行车辆数量更多；

3)通行车辆的类型更多。

在此实际复杂交通道路条件下,地磁信号将受到气候变化的影响,以及交通道路中其他交通车辆的影响。地磁信号是否可靠,是否稳定,是利用地磁信号进行交通车辆检测与识别的关键。

为了进一步测试该地磁车辆检测系统的可靠性和有效性,考虑了两种实际复杂道路状况:

1)雨天状况；

2)车流量较大。

雨天状况车流量较大的测试环境,如图9所示；持续15 min内利用地磁检测系统所获得的地磁检测信号图,如图10所示。测试时,所选择的路段车流量很大,可以达到每分钟100辆。通过测试,可以发现:

1)在雨天状况条件下,本文设计的地磁检测系统也可以检测得到比较明显的地磁信号,可以用于后期的交通车辆检测与识别；

2)本文设计的地磁检测系统,恶劣气候环境对其影响较大,但信号的稳定性表现比较好；

3)本文设计的地磁检测系统,持续较长时间工作,所得到的信号的稳定性较强,系统可靠性一定程度上可以得到保证。

图9 雨天状况测试环境

图10 雨天连续车流状况条件下地磁信号测试结果

较复杂实际道路情况下的地磁信号结果,为进一步改进和提高本文设计的地磁检测系统的性能,为其将来应用于实际道路车辆检测,奠定了比较好的基础作用。

4 结束语

本文简要介绍了交通车辆检测的背景和研究的意义,重点研究了利用磁阻传感器HMC5883L检测地磁信号,通过CC2530模块构建基于ZigBee协议的交通车辆实时检测系统。在所构建检测系统基础上,通过实际道路实验发现,利用磁阻传感器进行交通车辆检测,可以达到较好的检测效果,可以应用于实际道路交通条件下的交通车辆实时检测。

该研究可以在如下方面继续研究和探索:

1)将磁传感器检测方法的研究成果应用到无线传感器网络平台,解决前端传感器节点数据传输量较高的问题；

2)采用稀疏编码方法,传输有效而且较低的数据量；

3)构建无线传感器网络系统,将单车道的车辆检测方法推广到双车道以及更为普遍的道路；

4)提高系统的稳定性和鲁棒性,增强在复杂道路环境下的车辆检测的准确性。