《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee的車量數(shù)據(jù)采集器的研究
來源:微型機與應(yīng)用2012年第15期
孔俊麗,王 菡,李漠辰
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院,北京 100083)
摘要: 針對現(xiàn)有機動車性能檢測儀器的不足,利用各向異性磁阻傳感器和ZigBee技術(shù),設(shè)計了一款無線交通量數(shù)據(jù)采集器,并對該傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計分別作了詳細介紹。該傳感器將所采集到的交通量數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機,由上位機對相關(guān)信息進行處理,實現(xiàn)對車輛進行分類的功能。
Abstract:
Key words :

摘  要: 針對現(xiàn)有機動車性能檢測儀器的不足,利用各向異性磁阻傳感器和ZigBee技術(shù),設(shè)計了一款無線交通量數(shù)據(jù)采集器,并對該傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計分別作了詳細介紹。該傳感器將所采集到的交通量數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機,由上位機對相關(guān)信息進行處理,實現(xiàn)對車輛進行分類的功能。
關(guān)鍵詞: 交通量;HMC2003CC2430;硬件;軟件

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

 檢測行駛車輛采用磁傳感器,車輛含有大量鋼鐵,從傳感器經(jīng)過時,引起周圍磁場發(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個特性相同元件組成的惠斯通電橋,將磁場轉(zhuǎn)化為不同的輸出電壓。其最小可以感應(yīng)到40 μGs的磁場強度,而且具有1 mV/V/Gs的靈敏度以及-2~2 Gs的量程,可為低磁場的測量提供一種緊湊、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中時,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)用磁開關(guān)技術(shù)(SR+/SR-),借助一個偏置磁場補償干擾磁場,即通過集成在芯片內(nèi)部的置位/復(fù)位合金帶對薄膜施加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。0 Gs對應(yīng)2.5 V輸出(典型值),該電壓實際值由參考電壓Vref決定。地球磁場通常為0.5 Gs,輸出模擬量在0.5 V~4.5 V范圍內(nèi)變化,因此,HMC2003的輸出信號不需要被放大。
 由于傳感器的輸出信號中混雜著大量的干擾信號,來自車輛的發(fā)動機的干擾尤為明顯。因此在輸出信號進入微控制器之前,要對其進行濾波[2]。本設(shè)計采用巴特沃斯五階低通濾波器。
2.3 微控制器模塊
 微控制器模塊負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點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)測量的磁場范圍考慮為±600 mGs,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)若為12 bit,可測得最小磁場為600/2 048=0.296 mGs,是HMC2003測得的最小磁場量的4倍多(HMC2003可測得的最小磁場量為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)點特殊的工作環(huán)境,其結(jié)構(gòu)設(shè)計要求緊湊,電路設(shè)計低功耗,本文采用TI公司的MSP430F149微控制器,它的主要特點為[4]:
 (1)具有60 KB的在線可編程Flash、2 KB的RAM,因此在整個硬件電路上無須外加程序存儲器,體積小。
?。?)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I/O引腳,每個I/O端口分別對應(yīng)輸入、輸出和功能模塊選擇。其中,P0、P1口具有中斷功能,這大大增強了端口的功能性和靈活性。此外,還具有多路定時/計數(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,大大減小了開發(fā)的難度,提高了使用的方便性。
由以上特點可知,MSP430F149滿足本系統(tǒng)對微控制器模塊的設(shè)計要求。
2.4 無線通信模塊
 無線通信模塊是傳感器節(jié)點的關(guān)鍵模塊,負責(zé)傳感器節(jié)點與路旁設(shè)備進行無線通信,接收控制命令和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。本文采用CC2430,它結(jié)合了一個高性能2.4 GHz直接序列擴頻(DSSS)的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級8051單片機控制器。CC2430在單個芯片上整合了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、定時器、看門狗定時器、AES128密保協(xié)同處理器、32 kHz晶振的休眠狀態(tài)定時器、掉電檢測功能電路和內(nèi)置上電復(fù)位電路等。
2.5 電源模塊
 過車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兩部分。供電部分為整個系統(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)、輸入過壓保護功能和低功耗的特點。當(dāng)檢測到電源的電壓低于一定值時,發(fā)射模塊發(fā)射需要充電的信號,通知工作人員對車輛傳感器的電池進行充電,電量檢測部分可及時檢測鋰電池電量,以保證傳感器工作的正常進行。
3 軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)軟件功能

 根據(jù)車輛檢測傳感器的功能要求,結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的軟件[5]主要實現(xiàn)以下功能:
 (1)實時檢測和處理AMR磁阻傳感器HM2003傳入的磁場改變(由于車輛通過)信息,定時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。
?。?)配置無線發(fā)射接收模塊,定義好發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀格式。
?。?)傳感器丟失報警。傳感器會定時向上位機發(fā)送信號,如果上位機連續(xù)10次沒有接收到此信號,就認為此傳感器丟失,便發(fā)出警報,通知工作人員處理相關(guān)問題。
?。?)傳感器低壓報警。當(dāng)傳感器供電電壓低于一定值時,便向上位機發(fā)出信號,上位機即時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)計流程圖
 程序開始執(zhí)行后,首先進行系統(tǒng)初始化,主要包括MSP430F149時鐘的設(shè)置、I/O口的設(shè)置和A/D采樣的設(shè)置等,然后對通信部分進行設(shè)置,最后對上傳到上位機的磁場信息通過固定算法進行數(shù)據(jù)處理[6]。程序流程圖如圖3所示。

 

 

 本文提出了一種車輛檢測器的設(shè)計方法,其基于各向異性磁阻傳感器,結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù),可以靈敏地感知到車輛對地磁場的擾動,并從擾動中提取車輛信息,具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。該設(shè)計還具有體積小、安裝方便、對路面破壞小和易于維護等優(yōu)點。如果在實際道路中大規(guī)模地安裝該系統(tǒng),可以采集大量的真實交通數(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。
參考文獻
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[2] 王遠.模擬電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.
[3] 戰(zhàn)延謀,王卓柱,陳明,等.基于HMC1022磁引信的信號采集模塊設(shè)計[J].兵工自動化,2007,26(12):69-70.
[4] 魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.
[5] KERNIGHAN B W, RITCHIE D M. C程序設(shè)計[M].徐寶文,等,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2004.
[6] 潘霓,駱樂,聞育.基于磁阻傳感器的車輛檢測算法綜述[J].計算機工程與應(yīng)用,2009,45(19):245-248.

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