摘  要： 針對(duì)現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車(chē)性能檢測(cè)儀器的不足，利用各向異性磁阻傳感器和ZigBee技術(shù),，設(shè)計(jì)了一款無(wú)線交通量數(shù)據(jù)采集器,，并對(duì)該傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)分別作了詳細(xì)介紹。該傳感器將所采集到的交通量數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī),，由上位機(jī)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理,，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行分類(lèi)的功能。
關(guān)鍵詞： 交通量,；HMC2003,；CC2430；硬件,；軟件

　隨著智能交通行業(yè)的迅速發(fā)展,，道路車(chē)輛信息的采集顯得越來(lái)越重要。目前,，交通行業(yè)中大多采用視頻車(chē)輛檢測(cè),、紅外線車(chē)輛檢測(cè)以及感應(yīng)線圈車(chē)輛檢測(cè)等方法，這些傳統(tǒng)車(chē)輛檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性受外界環(huán)境的影響比較大,，通用性不是很強(qiáng),，在安置檢測(cè)設(shè)備時(shí)大都需要破壞路面,，因而使其應(yīng)用范圍受限[1]。
針對(duì)傳統(tǒng)車(chē)輛檢測(cè)方法存在的各種缺點(diǎn),，為了滿足智能交通對(duì)數(shù)據(jù)采集高效準(zhǔn)確的要求,，本文將傳感器和無(wú)線通信模塊進(jìn)行整合，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到車(chē)輛檢測(cè)中,，利用Honeywell公司生產(chǎn)的各向異性磁阻（AMR）傳感器HMC2003,，設(shè)計(jì)出一種無(wú)線車(chē)輛檢測(cè)器。
1 車(chē)輛數(shù)據(jù)采集器的總體結(jié)構(gòu)
　基于無(wú)線磁阻傳感器的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)由磁阻傳感模塊,、置位復(fù)位模塊,、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊,、微控制器模塊,、無(wú)線通信模塊和電源模塊7部分組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

2 硬件結(jié)構(gòu)
2.1 信號(hào)采集模塊
　檢測(cè)行駛車(chē)輛采用磁傳感器,，車(chē)輛含有大量鋼鐵，從傳感器經(jīng)過(guò)時(shí),，引起周?chē)艌?chǎng)發(fā)生變化,。本文采用的傳感器是HMC2003三軸傳感器，它包含3個(gè)敏感元件,，分為敏感軸X,、Y和Z，且三軸互相垂直,，分別采集與磁場(chǎng)相關(guān)的X軸,、Y軸、Z軸方向的數(shù)據(jù),。每軸的磁阻傳感器都配置成由4個(gè)特性相同元件組成的惠斯通電橋,，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為不同的輸出電壓。其最小可以感應(yīng)到40 μGs的磁場(chǎng)強(qiáng)度,，而且具有1 mV/V/Gs的靈敏度以及-2～2 Gs的量程,，可為低磁場(chǎng)的測(cè)量提供一種緊湊、高靈敏度和高可靠性的解決方法,。
　當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中時(shí),，電橋薄膜的磁化極性受到破壞，從而導(dǎo)致靈敏度衰減,。HMC2003應(yīng)用磁開(kāi)關(guān)技術(shù)（SR+/SR-）,，借助一個(gè)偏置磁場(chǎng)補(bǔ)償干擾磁場(chǎng)，即通過(guò)集成在芯片內(nèi)部的置位/復(fù)位合金帶對(duì)薄膜施加3～4 A,、20～50 ns的脈沖電流,，就可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn),，統(tǒng)一到一個(gè)方向上，這樣就可確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù),。根據(jù)要求,，置位復(fù)位電路如圖2所示。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊
　由于在HMC2003內(nèi)部,，其X、Y,、Z軸傳感器橋路與放大器相連,，可輸出0～5 V的信號(hào)。0 Gs對(duì)應(yīng)2.5 V輸出（典型值）,，該電壓實(shí)際值由參考電壓Vref決定,。地球磁場(chǎng)通常為0.5 Gs，輸出模擬量在0.5 V～4.5 V范圍內(nèi)變化,，因此,，HMC2003的輸出信號(hào)不需要被放大。
　由于傳感器的輸出信號(hào)中混雜著大量的干擾信號(hào),，來(lái)自車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)的干擾尤為明顯,。因此在輸出信號(hào)進(jìn)入微控制器之前，要對(duì)其進(jìn)行濾波[2],。本設(shè)計(jì)采用巴特沃斯五階低通濾波器,。
2.3 微控制器模塊
　微控制器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作和處理本身采集的數(shù)據(jù)?？紤]到硬件電路和環(huán)境干擾的影響,，系統(tǒng)測(cè)量的磁場(chǎng)范圍考慮為±600 mGs，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)若為12 bit,，可測(cè)得最小磁場(chǎng)為600/2 048＝0.296 mGs,，是HMC2003測(cè)得的最小磁場(chǎng)量的4倍多（HMC2003可測(cè)得的最小磁場(chǎng)量為40 μGs）[3]。因此,，12 bit A/D轉(zhuǎn)換器完全滿足要求,。此外，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)特殊的工作環(huán)境,，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求緊湊,，電路設(shè)計(jì)低功耗，本文采用TI公司的MSP430F149微控制器,，它的主要特點(diǎn)為[4]：
?。?）具有60 KB的在線可編程Flash、2 KB的RAM,，因此在整個(gè)硬件電路上無(wú)須外加程序存儲(chǔ)器,，體積小,。
　（2）處理器工作電壓為1.8～3.6 V,，功耗低,，并且可以工作在系統(tǒng)省電模式下。
?。?）有48個(gè)I/O引腳,，每個(gè)I/O端口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出和功能模塊選擇,。其中,，P0、P1口具有中斷功能,，這大大增強(qiáng)了端口的功能性和靈活性,。此外，還具有多路定時(shí)/計(jì)數(shù)器,、雙緩沖的兩路異步串行通信接口UART和同步串行通信接口SPI和12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器,，大大減小了開(kāi)發(fā)的難度，提高了使用的方便性,。
由以上特點(diǎn)可知,，MSP430F149滿足本系統(tǒng)對(duì)微控制器模塊的設(shè)計(jì)要求。
2.4 無(wú)線通信模塊
　無(wú)線通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵模塊,，負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)與路旁設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信,，接收控制命令和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。本文采用CC2430,，它結(jié)合了一個(gè)高性能2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)8051單片機(jī)控制器,。CC2430在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器,。它使用1個(gè)8 bit MCU（8051）,，具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含A/D轉(zhuǎn)換器,、定時(shí)器,、看門(mén)狗定時(shí)器、AES128密保協(xié)同處理器,、32 kHz晶振的休眠狀態(tài)定時(shí)器,、掉電檢測(cè)功能電路和內(nèi)置上電復(fù)位電路等。
2.5 電源模塊
　過(guò)車(chē)傳感器被安置于路面,，工作環(huán)境惡劣,，可以采用鋰電池為其供電，避免了鋪設(shè)電線的不便。電源模塊包括供電和電量檢測(cè)兩部分,。供電部分為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓,，HMC2003的供電電壓為6~15 V，而其工作電壓為3.3 V,，因此需要電壓轉(zhuǎn)換芯片,。本文采用MAX17112，其能夠從2.6 V~5.5 V的輸入電壓產(chǎn)生最大20 V的輸出電壓,，具有高效率,、快速瞬態(tài)響應(yīng)、輸入過(guò)壓保護(hù)功能和低功耗的特點(diǎn),。當(dāng)檢測(cè)到電源的電壓低于一定值時(shí),，發(fā)射模塊發(fā)射需要充電的信號(hào)，通知工作人員對(duì)車(chē)輛傳感器的電池進(jìn)行充電,，電量檢測(cè)部分可及時(shí)檢測(cè)鋰電池電量,，以保證傳感器工作的正常進(jìn)行,。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件功能
　根據(jù)車(chē)輛檢測(cè)傳感器的功能要求,，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件[5]主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
?。?）實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理AMR磁阻傳感器HM2003傳入的磁場(chǎng)改變（由于車(chē)輛通過(guò)）信息,，定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
?。?）配置無(wú)線發(fā)射接收模塊,，定義好發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀格式。
?。?）傳感器丟失報(bào)警,。傳感器會(huì)定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，如果上位機(jī)連續(xù)10次沒(méi)有接收到此信號(hào),，就認(rèn)為此傳感器丟失,，便發(fā)出警報(bào)，通知工作人員處理相關(guān)問(wèn)題,。
?。?）傳感器低壓報(bào)警。當(dāng)傳感器供電電壓低于一定值時(shí),，便向上位機(jī)發(fā)出信號(hào),，上位機(jī)即時(shí)將該信息顯示在工作窗口上，并由工作人員處理,。
3.2 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖
　程序開(kāi)始執(zhí)行后,，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括MSP430F149時(shí)鐘的設(shè)置、I/O口的設(shè)置和A/D采樣的設(shè)置等,，然后對(duì)通信部分進(jìn)行設(shè)置,，最后對(duì)上傳到上位機(jī)的磁場(chǎng)信息通過(guò)固定算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[6]。程序流程圖如圖3所示,。

　本文提出了一種車(chē)輛檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方法,，其基于各向異性磁阻傳感器，結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù),，可以靈敏地感知到車(chē)輛對(duì)地磁場(chǎng)的擾動(dòng),，并從擾動(dòng)中提取車(chē)輛信息，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性,。該設(shè)計(jì)還具有體積小,、安裝方便、對(duì)路面破壞小和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),。如果在實(shí)際道路中大規(guī)模地安裝該系統(tǒng),，可以采集大量的真實(shí)交通數(shù)據(jù)，為交通流特性的研究,、道路交通事故的預(yù)防提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,。
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