道路无线地磁传感器设计方案

无线地磁车检器设计方案

一、开发背景

由于道路建设周期一般较长，其增长远远跟不上车辆的

急剧增长，使得交通状况日益恶化，这几乎成为所有城市的

通病。改变目前这种交通现状的有效办法就是在城市交通管

理部门建立完善的交通监控系统。交通监控系统的主要目标

是适应动态交通状况的变化，即通过采集交通数据并将其传

输到交通管理中心，在中心进行分析，根据分析结果，中心

通过控制车辆出入和信号灯，从而更好地管制交通。中心还

可以利用这些数据在发生交通事故时迅速采取措施。同时管

理中心可把采集的交通数据传给司机，这有助于减缓交通拥

挤，优化行车路线。运用交通监控系统可以提高现有道路的

通行能力，协调处理突发性交通事件，缓和交通阻塞，从而

改善交通状况。

数据采集系统在交通监控系统中起着非常重要的作用，

所以研究有更高应用价值的数据采集系统是必要的。传感器

是数据采集系统的关键部分，传感器的性能对数据采集系统

的准确性起决定作用。传统的交通数据采集是通过在路面上

铺设感应线圈传感器，这种方法有以下缺点：一是线圈在安

装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会受到阻碍；二是

埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损；三是工程施

工时，出于无意或由于需要切断线圈的现象也会发生，结果

常常使线圈无法使用；四是感应线圈易受到冰冻、盐碱或繁

忙交通的影响；五是感应线圈寿命一般为2〜3年，之后要破

坏路面，重新铺设等。其它传感器如超声波传感器容易受环

境的影响，当风速6级以上时,反射波产生漂移而无法正常

检测；探头下方通过的人或物也会产生反射波，造成误检;红

外传感器工作现场的灰尘、冰雾会影响系统的正常工作。在

未来的智能交通运输系统中，交通数据采集器将大范围覆盖

街道和公路，从而发挥数据采集的优势。传感器的检测准确

度对区域监控方案的产生非常重要，所以用一种先进的、稳

定准确的传感系统代替现有的落后的传感系统就成为一个

亟待解决的问题。

在高速公路方面，目前的收费站大大地降低了高速公路

的通行能力，国外已有实行不停车收费的例子。在国内，不

停车收费也是发展的方向，在不停车收费中，需要数据采集

器自动识别车型以便根据不同的车型收取相应的费用，这就

要求数据采集器不仅能检测车流，而且还要准确识别出过往

车辆的类型。现有的数据采集系统通常都是根据车长来识别

车型，无法识别载重车辆，更不能满足收费系统中根据车重

来收费的要求。

二、设计目标及技术优点

1.设计目标

根据交通监管对交通信息采集的需要，设计和实现了一

种基于无线磁阻传感器的车辆检测系统，这种车辆检测系统

与传统的车辆检测系统相比，有较高的检测精度且方便安装

和维护。根据磁阻传感器检测原理和EZRadioPRO无线通信

方式的特点，在此基础上给出设计方案。对检测器硬件系统

进行测试的过程中，总结出一种有利于提高检测精度的检测

器放置方式，并通过分析产生检测误差的原因，提出了基于

小波变化的最优阂值车辆检测算法，并在传统方法的基础上

提出了基于时钟同步的车速检测方法，完成了车流量、车速

和车辆行驶方向的检测功能。

2.地磁传感器技术及优点

地球的磁场在很广阔的区域内（大约几公里）是一定的。

大的铁磁物体的磁扰动，如一辆汽车，可看作多个双极性磁

铁组成的模型。这些双极性磁铁具有北一南的极化方向，引

起地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明

显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它铁

磁物质。

图1说明了一个铁磁性物体，如汽车，是如何扰动地球

磁场的，无论它是运动的还是静止的。车辆经过AMR传感器

摆放的区域时，由于车辆内部铁磁性物质的存在导致了该区

域磁场分布不均匀。AMR传感器可检测由于车辆干扰而引起

的地磁场的变化，可以用于很多应用场合。

磁阻传感器感应到磁场分布这一变化，引起MR的限值

发生变化，从而电路中的电流电压产生变化，通过AD一记

录连续的电压，通过信号的分析得出相应区域的交通流参

数，如车速、车流量等。

传感器位置不同

位置

地磁偏量

图1车辆通过引起的地磁场变化

基于磁阻传感器的车辆检测器有几种应用方式：单轴检

测器可以用来检测车辆是否存在，根据车辆铁磁物质含量的

不同，最远检测距离可达15米；两人检测器可以检测车速;

检测器还可以用于停车场的车位指示，让司机选择将车停在

何处。三个检测器可以检测车辆长度识别不同类型的车辆，

可应用于交费系统中。

AMR磁阻传感器的优点有：安装、维修方便，不必封闭

车道、破坏路面，只需在需要检测的检测点吊架或路面装置

即可；维修时只需换下AMR磁阻传感器即可；检测点不易遭

到破坏，不受路面移动影响；因为AMR磁阻传感器是利用地

球磁场在铁磁物体通过时的变化来检测，所以它不受气候的

影响；非车辆的铁磁性物体通过时通过对数据库的查询可以

避免误检；容易集成化。

3.EZRadioPRO无线通讯应用及优点

基于无线磁阻传感器的车辆检测系统分为路上设备（无

线传感器节点sensorNode）和路旁设备（路边汇聚节点

AeeessPoint）,sN采集到交通流信息后传输给AP。所以采

用ZigBee通讯方式来进行SN和AP之间的数据传输。硬件

采用了EZRadioPRO低功耗无线模块来实现。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据

传输速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控

制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定

位功能。

zigBee是一种基于IEEE802.15.4规范的全新无线网络

数据通信技术协议，是一个由可多到65000个无线数据传输

模块组成的一个无线数据传输网络平台。每一个zigBee网

络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，

它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从

标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；整个ZigBee

网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

三、设计内容

1.总图

A无

线

M通

R讯

电

地

路

磁信号处理器

处主

理CPU

时钟电

电

路

电池管理电路

2.各单元设计分析

(1)信号处理器

为了满足低功耗的需求，特采用了Sillicon公司的

SH004处理器为信号处理器，该处理器可以达到250UW/MHZ

的低功耗水平，而且自带10位AD传感器、EZRadioPRO无线

模块和DC-DC电源转换器，极大的减少了外围器件，降低了

系统的整体功耗，提高了系统的可靠性。

(2)AMR地磁感应处理电路

为了今后扩展和升级的需要，特采用了3轴的地磁传感

器进行数据的采集，通过调研最后采用了霍尼韦尔的

HMC1021单轴、HMC1022双轴AMR地磁传感器构成3轴地磁

传感器。然后将得到的信号通过放大器进行放大，经过带通

滤波器进行信号处理，最后通过SH004单片机自带的10位

AD进行转换得到所需要的数据。

(3)射频电路

EZRaidoPRO无线模块载波率段设定在