基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究2.docx

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基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究2

1绪论

公路交通运输是国民经济发展的重点，交通情况调查工作的任务将更为重要。

交通管理、科研、设计工作也要适应互联网时代的社会发展。

因此，研制新的交通量采集系统对于提高公路部门的技术、管理水平和适应网络时代的发展具有重要的意义。

1.1本课题的研究目的和意义

在“十一五”期间，公路交通运输对于是国民经济发展意义重大，尤其在整合和利用交通信息资源、提高交通行业信息化监管水平、加强交通综合运行分析辅助决策、改善公众交通信息服务质量等方面要实现重点突破。

随着汽车普及率也在不断提高，高速公路网建设的不断发展，城市路网密度和路面车流量也越来越大，交通情况调查工作的任务将更为艰巨。

而交通管理、科研、设计等工作也要同互联网时代的社会发展相适应，因此，研制新的交通量采集系统对于提高公路部门的技术、管理水平和适应网络时代的发展具有重要的意义。

[1]

为了使交通运输适应社会的飞速进步,交通智能化建设被搬上日程，各地在交通道路管理中都普及了交通智能化设备。

通过这些交通智能设备采集，处理车流量、车速、饱和度等交通数据并通过直观的方式实时反馈给交通管理部门。

以实现对道路交通的智能化，信息化管理。

在对交通发展规划和预测未来的交通运输需求这一工作中，交通数据量的采集是不可少的环节和步骤，是规划内容的一个重要组成部分，也是制定决策与规划的依据和基础。

在描述交通的三大基本交通参数之中，交通量信息是反映交通状况的最重要的参数。

通过对交通量信息资料的分析和整理，我们可以了解交通量的空间分布和时间分布、交通量的各种变化规律和影响交通量数据的各种因素，从而为道路网规划、交通安全、道路设计和建设等各个方面提供切实可靠的依据。

[2]通过对交通量的分析交通工作者可以准确掌握交通现状及其变化规律，同时也为实现与未来的交通需求相适应的道路工程设施及交通管理控制手段提供依据。

目前国内外广泛使用的交通量数据采集系统包括线圈检测设备、视频检测设备、道路雷达检测、GPS浮动车检测等，但大部分检测设施都需要路面铺设和现场人员的进行操作,不能满足当前公路网络化管理和智能交通的要求。

随着计算机技术，网络技术，微电子技术和传感器技术的迅速发展，检测仪器仪表正朝着微型化、智能化和网络化的方向发展。

公路交通检测仪器仪表的发展也不例外，也应朝着微型化、智能化和网络化的方向发展。

采用无线通信技术不仅是提高检测仪器的技术水平，就高速公路的环境来说，更是保障了交调人员的人身安全。

为适应交通量不断增大的趋势，交通量采集系统应当有更高的精度和高容量数据存储器。

还应当有网络接口和移动存储接口以跟上计算机应用的发展和公路交通管理和科研的要求。

1.2交通量数据采集系统国内外发展现状

交通量检测系统是采用一定的车辆检测技术将有关交通流信息等物理量形式的信息转为电子量，然后通过传输线路传送到信号控制器的信息处理部分进行处理，它是城市交通道路控制系统中不可缺少的组成部分，主要是通过数据采集和设备监视等方式来进行交通数据的监测。

1.2.1国外发展现状

美国作为当今世界上高速公路建设里程最多、高速公路路网最发达、人均车辆占有率最高的发达国家，充分利用其雄厚的资金支持和车载通信、卫星通信等通信技术上的优势，成为在道路车辆检测技术上最为先进最为成熟的国家之一。

美国准备在2000年到2011年十年间投资高达到2000亿美元构造全国ITS，采用现代化的通信技术、智能控制技术以及计算机技术等技术手段加强与提高公路监控、车辆检测能力，进而对整个公交网络进行科学管理和维护，降低公路引发的交通事故，减少因交通事故所引起的严重损失。

从而满足现代化、智能化交通的“高速、安全、智能、舒适”的要求，

日本的路面实时检测系统也取得了一定成果，曾经投入大量人力、物力和资金组织了“动态路径诱导系统”的实验。

并且建立了“车辆、道路与交通智能协会”，建设省、通产省、运输省和警察厅各部门之间紧密配合与共同参与到ITS建设，保证了上路的每辆汽车均处于监测系统的检测范围内，目前在日本上路行驶的车辆中，有超过了两百万辆的汽车装备了车辆导航定位设备，大规模的检测覆盖率不仅可以使监控中心实时了解每一辆车辆行驶情况而且通过该设备能够向驾驶员提供实时的道路信息服务。

使得车辆行驶信息、驾驶员个人信息和监控中心之间的通讯系统实现了一体化。

欧洲道路检测上进行理论和实际应用的研究也具有一定的代表性，在上个世纪80年代，为改善公路检测设备的升级，欧洲各国家投入资金多达50多亿美元以上，现正计划在欧盟国家内部建立起专用的交通无线数据通信网，使车辆控制、信息服务以及电子收费等系统等能够有机的在统一在一个完整的监控、指挥以体系中，同时利用地球同步卫星准确定位确认交通事故的交通警示系统等实现车辆在高速公路的安全运行。

[3]

国外生产交通量采集仪的国家主要有：

美国，澳大利亚，英国，瑞典等。

国内引进较多的是美国和澳大利亚生产的仪器。

国外仪器的特点是工作稳定，抗干扰能力强，使用方便。

这些仪器结构上一般采用上、下位机的形式。

仪器作为下位机，按照给定的要求采集车辆数据，并做简单的数据处理后存入仪器的数据存储器或是直接传送给上位机。

由上位机完成各种复杂的数据处理和统计分析工作。

传送数据的途径有串行接口，USB接口或是红外接口。

供电方式采用电瓶供电或是太阳能供电。

在我国使用时出现的问题主要有：

价格昂贵，不适合普遍使用；由于使用环境的不同，国外仪器在使用的过程中遇到一些困难，如传感器容易丢失，车流比国外密集，造成统计精度下降；维修困难。

1.2.2国内发展现状

与欧美相比我国的智能公交系统的发展起步相对较晚。

在20世纪70年代从国外引进了一些相关项目，进行了一些ITS或与ITS相关的基础项目的研究和应用，但也只是局限于研究城市交通信号的控制试验。

90年代中期以来，我国开始研究并发展战略和地理信息系统GIS、全球定位系统GPS在交通中的应用等。

2001年由交通部公路科学研究所国家智能运输工程研究中心组织制定了中国智能运输系统体系框架，为中国的道路检测发展指明了方向。

在制定国家发展的“十一五”计划和2010年长期规划时，ITS已作为一个重要项目列入战略研究计划。

我国目前已经成立全国范围内ITS协调小组，组织完成了“中国ITS标准体系框架研究”、“ITS系统发展战略研究”等一批重点项目，将路面车辆信息的检测、监控作为智能交通管理的一个重要内容。

[4]

但目前各个省、市的车辆信息采集系统所使用的软硬件五花八门，各不相同不能有效地协同与整合，集成度很低，完全处于独立状态，这非常不利于对汽车这种经常跨地域行驶的交通工具进行全程检测，对组建跨地域大，规模的车辆检测系统造成了巨大的障碍。

国内目前生产的仪器，有计数器，车轴计数器，电磁感应线圈式交通量采集仪，红外交通量采集仪等。

总体来说，工作的稳定性较差，其中有的技术落后。

随着时间的推移，该仪器已不能满足当前对交通量统计的需求。

主要问题是：

数据存储容量偏小，主要采用串行口与计算机通信，速度慢，没有网络接口，不能满足当前公路网络化管理和智能交通的要求。

1.2.3常用车辆检测传感器

车辆检测传感器种类繁多，工作原理各不相同，但主要有两种基本功能：

一是检测车辆是否存在和出现，二是检测车辆的运动和通过时状态，一般的车辆检测器至少具有上诉述两个基本功能之一。

[6]目前，车辆检测传感器按工作原理不同主要分为以下几类：

1.压力感应型

压力感应型检测器一般用于早期的交通数据采集中，车辆经过时通过检测压力变化采集数据，再将压力数据的变化转换为数字信号分析处理。

由于其检测信息度不高和自动化程度上存在的缺陷已经逐渐被新型检测器代替。

2.金属感应型

该种检测器，是目前世界上使用最普遍的一种检测设备，一般利用电磁感应传感器，通过检测车辆经过时引起电磁感应的变化来计算出车辆的速度，流量，时间占有率和长度等交通参数，并上传给控制装置，具有易于掌握、计数精确、成本较低等优点。

3.超声感应型

超声波检测器一般是利用设置在车道上方的超声波探头，接收由超声波发生器发射的超声波束并经车辆反射的超声回波来检测车辆。

其优点为设备体积小，检测精度高，安装时设备设置于各车道上方无需切割路面，缺点是其检测精度受环境温度和气流影响较大。

4.视频图像型

视频图像型检测器也是各国目前普遍采用的一种检测方法，通过摄像装置将道路上运行的车辆拍摄成图像，再利用视频图像技术处理图像信息，检测出交通数据。

其优点是无需破坏路面，在为交通状况采集数据同时还可以提供直观可视图像参考，缺点是设备维护成本较高，检测精度依赖于客观环境，容易受恶劣天气、灯光、路面扬尘等因素的影响，汽车的动态阴影也会为检测带来干扰，特别是在夜间工作时误报率比较高。

交通量数据采集需要用到通信技术。

借助于计算机,互联网和通信技术形成交通检测网,依靠传感器实时获得的数据才能得到及时的处理与反馈，交通控制中心才能了解掌握道路交通情况,对路网进行实时监控。

远程监控网络主要分为有线网络和无线网络两大类。

（1）有线网络接入方式

有线网络方式是将传感器在现场采集到的数据变为数字信号，通过以太网传送给控制终端，控制终端再对收到的信号进行分析处理，得出结论并反馈给现场。

主要有以下几种有线网络传输方式。

电话线方式

这种传输方式采用XSDL技术,利用现有的电话线路进行数字信号传输，它提供一种直接接入的不中断服务。

这种方式优点是采用普通电话网络就可以实现信号的传输，无需另外组网，可大大降低系统费用，一般用于城市交管部门监控视频的传输方案。

DDN方式

DDN是数字数据网的简称，主要是是由数字传输电路和相应的数字交叉复用设备组成，采用该方式时，可根据实际需求申请带宽，它主要提供中、高速率，高质量点到及点到多点的数字专用链路，其优点是传输速率和质量很高，并且协议简单，组网灵活，但是DDN网组建和维护成本较高，长期使用存在局限性.

光纤信道

光纤信道有传输质量高、信道稳定的优点。

但目前用于拉伸光纤的预制棒国内供给量严重不足，主要依赖进口，因此光纤组网的设备成本、施工成本居高不下，在公路网络监管中，无法大规模推广。

（2）无线网络接入

无线组网是采用无线信道进行数据传输，具有灵活机动、简便快捷等优点，特别适合一些路况复杂的地段组网，目前交通监测中无线接入方式主要有以下几种：

蓝牙无线通信

蓝牙（Bluetooth）技术是一种低功耗，短距离无线通信技术，主要优点是可以方便的建立无线连接，移植性较强，适用面广，但是其通信距离短，待机耗电量较高，不适合用于公路方面的交通量数据采集。

GPRS网络技术

GPRS是在GSM基础之上发展而来的一种新的分组交换数据承载业务，一般被称为2.5G（意为在2G和3G之间）通信技术。

采用该网络进行交通量数据传输的优点是可以利用中国移动现有的GSM网络，方便快捷，接入时间短，传输速率高。

但是GPRS小区容量有限，GPRS对容量影响程度取决于预留GPRS使用时隙个数，在网络使用的高峰期，数据传送容易堵塞，实际传送速度要大大降低。

Zigbee技术

ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，适合于功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。

其网络容量大，组网灵活，非常适合交通量采集的传感器网络。

1.3本课题的研究内容

传统车辆检测方法在安置检测设备时大都需要破坏路面，不仅提高使用成本和维护成本，而且也严重影响公路使用寿命。

针对传统车辆检测方法存在的各种缺点，本文利用电子技术、通信技术和计算机技术的新成果，基于ZigBee无线网络技术，将传感器和无线通信模块进行整合，实现一种无安装方便，受环境影响小，稳定性高，成本低廉的智能车辆检测传感器。

本论文的主要工作是分析研究现有交通量检测系统的特点和存在的问题，采用磁阻传感器、Zigbee无线通信技术和嵌入式系统，研究开发新的过车传感器。

该传感器的研究分为硬件设计和软件开发两个部分，硬件包括磁阻传感模块，信号处理电路，AD转换模块和zigbee无线通讯模块。

软件包括驱动程序，数据采集，数据存储，数据传输和命令处理程序的开发。

2．过车传感器相关技术

嵌入式技术已广泛应用于传感器和检测仪器中。

磁阻传感器由于其高灵敏度，可以用于进行车辆检测。

而无线通信技术大大提高了传感器的技术水平和实用性。

2.1嵌入式技术

嵌入式系统（嵌入的系统）简单的说，就是作为智能控制部件嵌入到设备体中的专用计算机。

一个嵌入式系统就是一个以嵌入计算机系统为核心面向特定功能和用途的软硬件集合体。

即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，并且适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统.是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至是传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。

嵌入式系统包括硬件和软件两大部分。

硬件部分作为整个系统的物理基础，要为软件运行平台和其他设备进行通信提供接口；软件部分则包括操作系统件和应用程序编程。

可以为实际系统的运行和功能实现提供控制方法。

一般来说，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，嵌入式系统主要由嵌入式外部硬件设、嵌入式操作系统、嵌入式处理器和嵌入式应用软件四大部分组成。

图2.1嵌入式系统框架示意图

Fig2.1Theembeddedsystemframediagram

2.2磁阻传感器工作原理

地球本身就所是一个巨大的磁体，它在空间产生的磁场称为地磁场。

人们利用地磁大约已有2000年的历史。

最早的磁传感器就是指南针,用于指示方向。

随着科学技术的进步,现代各种各样的磁传感器已不仅仅限于测量地球磁场的强弱和方向,还可以测量由于金属物体移动、电流，甚至脑电波的活动所产生的磁场。

由于磁传感器在检测时为非接触式，可以检测很微弱的磁场变化，因此，被广泛应用于各种与磁场相关的测量中。

2.2.1磁阻效应

磁阻MR（MagnetioResistor）效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。

当有铁磁性物质形成的双极性磁铁经过纯净的地磁场时会引起地磁场的畸变，产生不规则磁场，如图2.2所示。

图2.2铁磁性物质引起的磁场变化

Fig2.2Themagneticfieldofferromagneticmaterials

表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义为:

式中：

ρ—物质在磁场不为零中的电阻率

ρ0—物质在磁场为零时的电阻率

2.1.2磁阻传感器在车辆检测中应用

车辆检测使用的磁阻传感技术是基于磁偏角检测技术。

磁阻传感器由四个铁－镍合金（Permalloy）薄膜沉积在硅片上形成的电阻条电阻组成，这四个电阻挑连接成一个惠斯通电桥，如图2.3，该电桥可以测出沿着单一轴线的磁场的强度和方向。

桥臂的典型阻值为1000欧姆，典型带宽为1-5MHz。

磁阻效应的灵敏度很高，不会受到诸如线圈和振荡频率的影响。

此外，传感器可以在硅片上大量生产，封装成商用集成电路的形式。

这样使得磁传感器可以和其它电路和系统元件自动组合在一起。

图2.3惠斯通电桥

Fig2.3Huistonebridge

地磁场强度大约是500-600毫高斯，当一辆汽车在路面上行驶时，由于其材料含有大量的铁磁物质，可以看作一个铁磁性物质模型，当行进的车辆经过低场磁阻感应器时，相当于一个铁磁性物体切割位于传感器附近的地磁场，因此会引起地面附近地磁场的扰动，而磁阻传感器可以准确检测出坐标分量上地球磁场1/12000的强度和方向的变化，可以精确地检测到车辆通过时地磁场的畸变。

[4]

利用磁原理测量地磁场沿车体纵向坐标系分量变化，通过数值计算、误差校正，从而得出需要的车辆信息。

从而完成对车辆的检测。

图2.4车辆引起的地磁场改变

Fig2.4Themagneticfieldchangescausedbyvehicles

三轴智能数字磁场计HMR2300有X，Y，Z三个输出引脚，可检测传感器所在位置磁场的三个方向强度变化,并可与计算机直接通讯以输出X、Y、Z三个轴向的分量。

将一个三轴的AMR磁场计安装在车道上，车辆通过传感器时，地磁场磁偏角发生明显的变化,可以用于进行车辆检测。

图2.5所示为在车辆距传感器1英尺的情形下,对磁扰动信号进行平滑处理后的曲线。

图2.5车辆引起的地磁扰动

Fig2.5thegeomagneticdisturbancebyvehicle

由于磁阻传感器具有体积小，功耗低，易于安装，温度特性好，抗干扰能力强，误差不随时间累积等特点，适合做成体积微小的过车传感器，安装在车道上，既不影响车辆的安全行使，同时能够准确地记录交通量数据。

本文拟采用基于磁偏角设计的霍尼韦尔HMC2003三轴磁性传感器作为车辆检测传感器。