利用巨磁阻磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統和檢測方法
2023-07-14 08:34:21
專利名稱：利用巨磁阻磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統和檢測方法
技術領域：
本發明涉及道路車輛信息檢測領域，採用無線傳感器網絡技術， 特別是一種採用兩個傳感器端機和一個無線接收端機共同完成的對 車速、車長、行駛方向、車流量、車道佔有率信息獲取的系統，具體地說是一種利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統和檢測方法。技術背景隨著我國國民經濟的發展，城市化的進程加快，各種車輛的保有 量迅猛增長，導致道路交通供需矛盾緊張，由此引發交通堵塞、交通 事故上升、運輸效率下降、交通環境惡化等一系列問題，這些問題均 成為制約城市發展的"瓶頸"。城市交通流的檢測與統計，為城市智能交通系統提供多維特徵的 交通流量數據，是城市智能交通系統的基礎。傳統的道路交通流檢測 與統計主要採用路面下埋設電感線圈以檢測車輛存在來完成。這種方 法的缺點包括線圈體積龐大、線圈鋪設對路面破壞嚴重、線圈壽命短、 系統維護成本高等。現有的道路交通流檢測與統計方法還有視頻監控 識別車輛的方法，但也存在系統成本高、受環境影響大、系統穩定性 差等問題。現有的微波檢測識別車輛的方法，同樣也存在近間距車輛 識別困難、系統鋪設成本高等問題。現有的使用磁阻傳感器檢出車輛的方法，具有對路面破壞小、成本低廉、維護方便、受環境影響小、 抗幹擾能力強等特點，不少部門和系統均處於緊張的研發當中，也取 得了一定的成績，但無一不是採用一個端機測量的方案，這種方法因 受端機體積的限制而使兩個傳感器的距離很近，導致測量速度精度不 高劣勢。發明內容本發明的目的是提供一種利用兩個GMR傳感器探測端機和一個 無線接收端機配合使用檢測道路車輛信息的無線傳感器網絡系統和 檢測方法。本發明要解決的是傳統道路交通流檢測存在的線圈體積龐大、線 圈鋪設對路面破壞嚴重、線圈壽命短、系統維護成本高、受環境影響 大、系統穩定性差、測量速度精度不高的問題。為實現上述目的，本發明採用了利用GMR磁敏技術檢測道路車 輛信息的無線傳感器網絡系統，該系統由兩個GMR傳感器探測端機 和一個無線接收端機組成，兩個GMR傳感器探測端機與無線接收端 機相連，GMR傳感器探測端機包括GMR傳感器、信號處理單元、 單片機以及射頻模塊，無線接收端機包括單片機、射頻模塊以及存儲 單元。GMR傳感器實時採集地磁信號，並輸出相應的電壓信號給信號處 理單元。信號處理單元主要包括放大電路、隔直濾波電路和電壓比較電路， 放大電路與隔直濾波電路以及單片機相連接。放大電路對GMR傳感器採集到的地磁信號進行充分的放大，並 送入單片機的模數轉換器，作為後續算法的處理對象。隔直濾波電路對放大電路處理後的信號進行濾波處理，並剔除其 中的直流成分，拾取關鍵信號；壓比較電路將隔直濾波電路的輸出與 給電定的電壓進行比較，得到車輛存在的數字脈衝信號。傳感器探測端機的單片機對電壓比較器產生的脈衝信號進行計數 和濾波處理，並將車輛經過的時間信息提供給傳感器探測端機的射頻 模塊。傳感器探測端機的射頻模塊與無線接收端機通過無線通信的方式 進行數據交換。無線接收端機除了負責與傳感器探測端機進行數據交換外，還根 據兩個傳感器探測端機上發來的數據作相應的計算並將結果實時保 存到存儲單元中。本發明所述的磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統的 檢測方法為二個GMR傳感器探測端機在使用時，平行於車道的方 向、間隔一定的距離S埋設於被測車道的中央，並通過無線接收端機 配置有同步時鐘，當被測車道有車輛經過時，每個傳感器探測端機都 能敏感到車輛是否從上面經過，兩個傳感器探測端機分別記下車輛開始經過自身的時刻start—tl和start_t2，以及車輛在傳感器探測端機上 方存在的時間長度Tl和T2，並在車輛離開後把各自的時間數據上發 給路邊的無線接收端機；無線接收端機根據車輛經過兩個傳感器探測 端機的時間差l start—tl—start—t2l以及兩個傳感器探測端機之間的距離 S，可以計算出車輛的速度V = S/(| start—tl—start—t2|)，同時也實現對 車輛計數的功能，根據start一tl和start一t2的大小可以得知車輛經過兩 個傳感器探測端機的順序，從而得知車輛的行駛方向，根據車輛在傳 感器探測端機上存在的時間(Tl+T2) /2及計算出的車速V可以判 斷車輛長度I^VX (Tl+T2)/2，根據任意給定地點給定時間段內經過的車輛總數N可以計算平均車速V,和車長Lave，從而計算出車道佔有率Rate二NXL,/V,/T (其中T為統計時間段長度)，檢測中過 程中有抗幹攏處理。本發明採用兩個GMR傳感器端機和一個無線接 收端機配合測速的方案，結合一系列低功耗計數和抗幹擾處理，具有 測速精度高、適用路段廣、對路面破壞小、成本低廉、維護方便和抗 幹擾能力強等的優點。
圖1為本發明的結構框圖。圖2為本發明的工作流程圖。圖3為本發明在道路上的安裝示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。本發明所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網 絡系統，由GMR傳感器探測端機1(1)、 GMR傳感器探測端機2(2) 和一個無線接收端機(3)組成，GMR傳感器探測端機1 O)、 GMR 傳感器探測端機2 (2)與無線接收端機(3)相連。在GMR傳感器 探測端機1 (1)和GMR傳感器探測端機2 (2)在物理結構和軟體 算法上均完全相同。GMR傳感器探測端機1(1)包括GMR傳感器、 信號處理單元、單片機以及射頻模塊。GMR傳感器探測端機2 (2) 同樣包括GMR傳感器、信號處理單元、單片機以及射頻模塊。無線 接收端機(3)包括單片機、射頻模塊以及存儲單元。GMR傳感器實時採集地磁信號，並輸出相應的電壓信號給信號處理單元。信號處理單元主要包括放大電路、隔直濾波電路和電壓比 較電路，放大電路與隔直濾波電路以及單片機相連接。放大電路對 GMR傳感器採集到的地磁信號進行充分的放大，並送入單片機的模 數轉換器，作為後續算法的處理對象。隔直濾波電路對放大電路處理後的信號進行濾波處理，並剔除其 中的直流成分，拾取關鍵信號。電壓比較電路將隔直濾波電路的輸出與給定的電壓進行比較，得 到車輛存在的數字脈衝信號。傳感器探測端機l (1)的單片機對電壓比較器產生的脈衝信號進 行計數和濾波處理，並將車輛經過的時間信息提供給傳感器探測端機1(1)的射頻模塊。傳感器探測端機2 (2)的單片機對電壓比較器產生的脈衝信號進行計數和濾波處理，並將車輛經過的時間信息提供給傳感器探測端機2 (2)的射頻模塊。傳感器探測端機1(1)的射頻模塊與無線接收端機(3)通過無 線通信的方式進行數據交換。傳感器探測端機2 (2)的射頻模塊分 別與無線接收端機(3)通過無線通信的方式進行數據交換。無線接收端機(3)除了負責與傳感器探測端機1 (1)和傳感器 探測端機2 (2)進行數據交換外，還根據傳感器探測端機1 (1)和 傳感器探測端機2 (2)上發來的數據作相應的計算並將結果實時保 存到存儲單元中，即無線接收端機(3)根據每次車輛經過時傳感器 探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)上發的時間數據信息計算 車速、車長、行駛方向、車流量以及車道佔有率等信息，並實時地將 數據存儲到存儲單元。本發明所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網 絡系統的檢測方法，GMR傳感器探測端機1 (1 )和GMR傳感器探測端機2 (2)在使用時，平行於車道的方向、間隔一定的距離S 埋設於被測車道的中央，並通過無線接收端機(3)配置有同步時鐘。無線接收端機(3)通過下發同步幀來同步GMR傳感器探測端機1和 GMR傳感器探測端機2的時鐘，使傳感器探測端機l (1)和傳感器 探測端機2 (2)時鐘在同一個時間基準上進行。所述的傳感器探測 端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)之間的距離可以根據實際公路 的級別和車輛的速度狀況靈活選定，以便在不漏檢誤檢的情況下最大 程度地提高檢測精度。無線接收端機(3)以一定的高度架設在路邊。 當被測車道有車輛經過時，傳感器探測端機1(1)和傳感器探測端 機2 (2)都能敏感到車輛是否從上面經過，傳感器探測端機1 (1) 和傳感器探測端機2 (2)分別記下車輛開始經過自身的時刻start—tl 和start一t2，以及車輛在傳感器探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)上方存在的時間長度T1和T2，並在車輛離開後把各自的時間 數據上發給路邊的無線接收端機(3)。無線接收端機(3)根據車輛 經過傳感器探測端機1(1)和傳感器探測端機2(2)的時間差| start—tl 一startj2l以及傳感器探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)之間 的距離S，可以計算出車輛的速度V^S/(lstartJl—start—t2|)，同時也 實現對車輛計數的功能。根據start一tl和start_t2的大小可以得知車輛 經過傳感器探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)的順序，從而 得知車輛的行駛方向。根據車輛在傳感器探測端機1(1)和傳感器 探測端機2 (2)上存在的時間(Tl+T2) /2及計算出的車速V可以 判斷車輛長度I^VX (Tl+T2)/2。根據任意給定地點給定時間段內 經過的車輛總數N可以計算平均車速V皿和車長Lave，從而計算出車 道佔有率Rate=NXLave/Vave/T (其中T為統計時間段長度)。在使用過程中採用了低通電路濾波法、關閉中斷法、中斷脈衝計數法、以及偵聽信道是否空閒法四種方法進行綜合抗幹擾處理。低 通電路濾波法指在硬體電路上採用低通濾波抑制外界產生的高頻幹 擾信號；關閉中斷法指端機每次在車輛經過後發送數據給無線接收端 機時，單片機關閉電壓比較器引起的中斷，端機每次發送數據時，射 頻信號會對電路產生較大的影響，通過關閉電壓比較器引起的中斷可 以有效地避免端機無線發送數據時引起的錯誤中斷；中斷脈衝計數法 是指每當比較器輸出開始有脈衝信號時，單片機開始對脈衝個數進行 計數，並開始採集放大電路輸出，直到放大電路的輸出信號重新平穩 後結束對脈衝的計數一般車輛經過端機時脈衝數量不會超過8個，因 此當所記脈衝數量超過8時便認為是幹擾所致。這種方法主要濾除手 機信號等多脈衝幹擾；偵聽信道是否空閒法主要用於排除端機之間的 互擾。具體指當其中一個端機的比較器輸出引起中斷時，若檢測出信 道正處於忙狀態，則證明該中斷是由於臨近的其他端機射頻發送數據 所致，認為是無效中斷。頻段的射頻模塊與其下層的移動視頻監控終 端設備進行通信。傳感器探測端機l (1)、傳感器探測端機2 (2)和無線接收端機 (3)的射頻模塊工作頻率為433MHz，帶寬為64MHz，數據傳輸速 率及功率可調，最大傳輸速率500kbps，最大傳輸功率10dBm，埋設 在路面斷層中的無線傳輸距離最大可到300m。傳感器探測端機l (1)和傳感器探測端機2 (2)在具體安裝時， 順著車道方向、相距一定的距離依次埋設傳感器探測端機1 (1)和 傳感器探測端機2 (2)，並使傳感器探測端機l (1)和傳感器探測端 機2 (2)上表面低於地面2mm，傳感器探測端機1 (1)和傳感器探 測端機2 (2)通過環氧樹脂固定於地面下(如圖3所示)。本發明所述的利用GMR傳感器檢測道路車輛信息的無線傳感 器網絡系統工作原理是車輛本身含有的鐵磁物質會對車輛存在區域 的地磁信號產生影響，使車輛存在區域的地球磁場磁力線發生彎曲，車輛經過GMR傳感器感應區域時，對GMR傳感器感應區域內的地 磁信號產生影響。GMR傳感器檢測到這種變化，傳感器探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)的放大電路對這種變化進行放大，濾 波隔直電路對放大過的信號進行甄別，萃取含有車輛信息的信號。即 當車輛經過本發明的GMR傳感器探測端機1 (1)時，GMR傳感器 感應到地磁信號的變化會輸出一個微弱的電壓信號，這個微弱信號經 過一系列的信號處理會在電壓比較器輸出端輸出一個由高變低的脈 衝信號，單片機收到此脈衝信號便開始讀取單片機內部定時器的值作 為車輛到來的起始時刻start—tl，並利用自身帶有的模數轉換器開始 不斷地採集放大電路的輸出，直至信號平穩後認為車輛離開端機並停 止採樣，再次讀取定時器的值作為車輛離開的時刻end一tl，端機通過 射頻模塊以無線的方式把自身編號、車輛到來時刻start一tl、車輛離 開時刻end一tl等信息發送給路邊的無線接收端機(3)，無線接收端 機(3)收到後回發確認信息給端機l。車輛經過GMR傳感器探測端機2 (2)時，探測端機2 (2)同樣 記下相應的時刻start—t2、 end_t2，並把該時間信息連同自身編號一起 發送給路邊的無線接收端機(3)。傳感器探測端機1(1)和傳感器 探測端機2 (2)若在規定的時間內沒有收到無線接收端機(3)的確 認信息會重新發送數據給無線接收端機(3)直至收到確認信息為止。 無線接收端機(3)每隔固定時間使傳感器探測端機1 (1)和傳感器 探測端機2 (2)時鐘同步一次，及時補償晶振漂移。本發明的整個系統在高效的功耗控制策略下進行。在沒有車輛經 過GMR傳感器感應區域時，系統處於休眠狀態，處理器工作在超低功耗狀態，系統關斷除GMR傳感器電路、放大電路、濾波隔直電路、電壓比較電路以及處理器最小系統電路之外所有電路的電源供給，這時整個系統的休眠電流僅為0.9mA。傳感器探測端機l (1)和傳感器探測端機2 (2)上電啟動後，首 先進行模塊初始化工作，然後與無線接收端機(3)交互加入網絡， 網絡加入成功後傳感器探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)之 間的時間也被同步，此時傳感器探測端機l (1)和傳感器探測端機2 (2)進入低功耗待機狀態。當車輛到來時電壓比較器輸出引起的中 斷會把系統從低功耗待機模式中喚醒，並開始採集放大電路的輸出， 車輛離開後，傳感器探測端機1 (1)和傳感器探測端機2 (2)發送 時間數據給無線接收端機(3)，若收到無線接收端機(3)的確認信 息便再次進入低功耗待機模式等待下一輛車的到來。本發明的系統可以用於檢測多個車道信息，檢測時，在通信距離 內可以採用多對端機和一個無線接收端機配合使用的方案，其中每個 車道布設兩個端機。本發明所述的GMR是Giant Magneto Resistive的縮寫，中文 全稱"巨磁阻"。
權利要求
1、一種利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統，其特徵在於該系統由兩個GMR傳感器探測端機和一個無線接收端機組成，兩個GMR傳感器探測端機與無線接收端機相連，GMR傳感器探測端機包括GMR傳感器、信號處理單元、單片機以及射頻模塊，無線接收端機包括單片機、射頻模塊以及存儲單元；GMR傳感器實時採集地磁信號，並輸出相應的電壓信號給信號處理單元；信號處理單元主要包括放大電路、隔直濾波電路和電壓比較電路，放大電路與隔直濾波電路、GMR傳感器的單片機相連接；放大電路對GMR傳感器採集到的地磁信號進行充分的放大，並送入單片機的模數轉換器，作為後續算法的處理對象；隔直濾波電路對放大電路處理後的信號進行濾波處理，並剔除其中的直流成分，拾取關鍵信號；電壓比較電路將隔直濾波電路的輸出與給定的電壓進行比較，得到車輛存在的數字脈衝信號；傳感器探測端機的單片機對電壓比較器產生的脈衝信號進行計數和濾波處理，並將車輛經過的時間信息提供給傳感器探測端機的射頻模塊；傳感器探測端機的射頻模塊與無線接收端機通過無線通信的方式進行數據交換；無線接收端機除了負責與傳感器探測端機進行數據交換外，還根據兩個傳感器探測端機上發來的數據作相應的計算並將結果實時保存到存儲單元中。
2.根據權利要求1所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統，其特徵在於二個GMR傳感器探測端機在物理 結構和軟體算法上均完全相同。
3. 根據權利要求1所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無 線傳感器網絡系統的檢測方法，其特徵在於二個GMR傳感器探測端 機在使用時，平行於車道的方向、間隔一定的距離S埋設於被測車道 的中央，並通過無線接收端機配置有同步時鐘，當被測車道有車輛經 過時，每個傳感器探測端機都能敏感到車輛是否從上面經過，兩個傳 感器探測端機分別記下車輛開始經過自身的時刻start—tl和start—t2， 以及車輛在傳感器探測端機上方存在的時間長度T1和T2，並在車輛 離開後把各自的時間數據上發給路邊的無線接收端機；無線接收端機 根據車輛經過兩個傳感器探測端機的時間差i start—tl—startJ2l以及兩 個傳感器探測端機之間的距離S，可以計算出車輛的速度V = S/(| start_tl—start_t2|)，同時也實現對車輛計數的功能，根據start—tl和 start—t2的大小可以得知車輛經過兩個傳感器探測端機的順序，從而 得知車輛的行駛方向，根據車輛在傳感器探測端機上存在的時間(Tl +T2) /2及計算出的車速V可以判斷車輛長度I^VX (Tl+T2) /2，根據任意給定地點給定時間段內經過的車輛總數N可以計算平均車 速Vave和車長Lave，從而計算出車道佔有率Rate=NXLave/Vave/T (其中T為統計時間段長度)；在使用過程中有抗幹攏處理。
4. 根據權利要求3所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無 線傳感器網絡系統的檢測方法，其特徵在於兩個GMR傳感器探測端 機之間的距離可以根據實際情況靈活選定，以便在不漏檢誤檢的情況 下最大程度地提高檢測精度。
5. 根據權利要求3所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息系統 的無線傳感器網絡系統的檢測方法，其特徵在於抗幹擾處理採用了低通電路濾波法、關閉中斷法、中斷脈衝計數法、以及偵聽信道是否空 閒法四種方法進行綜合抗千擾處理。
6.根據權利要求4所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息系 統的無線傳感器網絡系統的檢測方法，其特徵在於低通電路濾波法指 在硬體電路上採用低通濾波抑制外界產生的高頻幹擾信號；關閉中斷法指端機每次在車輛經過後發送數據給無線接收端機時，單片機關閉 電壓比較器引起的中斷，端機每次發送數據時，射頻信號會對電路產 生較大的影響，通過關閉電壓比較器引起的中斷可以有效地避免端機無線發送數據時引起的錯誤中斷；中斷脈衝計數法是指每當比較器輸 出開始有脈衝信號時，單片機開始對脈衝個數進行計數，並開始採集 放大電路輸出，直到放大電路的輸出信號重新平穩後結束對脈衝的計數一般車輛經過端機時脈衝數量不會超過8個，因此當所記脈衝數量 超過8個時便認為是幹擾所致。這種方法主要濾除手機信號等多脈衝 千擾；偵聽信道是否空閒法主要用於排除端機之間的互擾。具體指當 其中一個端機的比較器輸出引起中斷時，若檢測出信道正處於忙狀 態，則證明該中斷是由於臨近的其他端機射頻發送數據所致，認為是 無效中斷。頻段的射頻模塊與其下層的移動視頻監控終端設備進行通
全文摘要
本發明所述的利用GMR磁敏技術檢測車輛信息的無線傳感器網絡系統由兩個GMR傳感器探測端機和一個無線接收端機組成，兩個GMR傳感器探測端機與無線接收端機相連。本發明所述的檢測方法是根據GMR傳感器敏感車輛經過時引起周圍地磁場的變化數據，檢測出車速、車長、行駛方向、車流量以及車道佔有率等信息。本發明具有測速精度高、適用路段廣、對路面破壞小、成本低廉、維護方便和抗幹擾能力強等特點。
文檔編號G08G1/042GK101236697SQ20071007070
公開日2008年8月6日 申請日期2007年8月8日 優先權日2007年8月8日
發明者波 吳, 周璐巍, 帆 張, 李中一, 李保海, 康 趙, 鮑星合 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心