李文釗 李明 袁燦 張奔牛

摘要：針對高速公路交通異常事件檢測難度大、成本高等問題，提出了一種基于二值檢測器的高速公路異常事件傳感器的設(shè)計(jì)方法;利用二值檢測器的特點(diǎn)，通過對SCM設(shè)計(jì)并結(jié)合狀態(tài)識(shí)別算法獲得車流量、時(shí)間占有率等交通狀態(tài)參數(shù);為了降低管控中心異常事件檢測算法的設(shè)計(jì)難度，提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率，傳感器選擇性地提供必要的交通狀態(tài)參數(shù);最后管控中心通過對交通狀態(tài)參數(shù)分析處理，實(shí)現(xiàn)異常事件的檢測;仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具備可行性。

關(guān)鍵詞：傳感器;二值檢測器;交通狀態(tài)參數(shù);狀態(tài)識(shí)別算法;異常事件檢測算法

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

交通異常事件檢測是高速公路運(yùn)管部門進(jìn)行運(yùn)營管控、路況信息發(fā)布和交通誘導(dǎo)的基礎(chǔ)，對減少交通事故造成的人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和避免二次交通事故等方面具有重要的作用。隨著智能交通技術(shù)的發(fā)展和交通信息檢測手段的增加，利用交通信息檢測手段進(jìn)行異常事件自動(dòng)識(shí)別對于提升高速公路管理水平和服務(wù)水平具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

交通信息是刻畫和反映交通狀態(tài)正常與否的關(guān)鍵，獲取交通信息則是交通異常事件識(shí)別過程中最為基本和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對于高速公路這樣分布范圍廣的現(xiàn)場環(huán)境，獲取交通信息除了要考慮它的直觀（圖像）因素外，還必須考慮它的價(jià)格，傳輸成本等諸多經(jīng)濟(jì)因素。研究表明，經(jīng)典的California算法（又稱加州算法）作為評估新交通狀態(tài)判別算法性能的參考算法，其狀態(tài)判別原理為：比較相鄰檢測站間的交通狀態(tài)參數(shù)判別交通狀態(tài)，主要交通狀態(tài)參數(shù)為占有率?？梢钥闯?，利用這個(gè)交通狀態(tài)參數(shù)，通過合適的算法就可以實(shí)現(xiàn)高速公路交通異常事件的檢測。為了提高檢測的準(zhǔn)確性，檢測算法所需要的交通狀態(tài)參數(shù)還可以有交通流量、平均速度等，同樣經(jīng)典的MacMaster算法就需要多個(gè)交通狀態(tài)參數(shù)的支持。為了提高高速公路管控水平，各國都在研究更為準(zhǔn)確的智能交通異常事件檢測算法。這樣就對獲取交通信息的傳感器提出了更高的要求。能夠獲取多個(gè)交通狀態(tài)參數(shù)、傳輸方法靈活、價(jià)格低廉成為這種傳感器的研究方向。二值檢測器是相對于一般模擬檢測器而提出的，反映現(xiàn)場的信息僅有“有無”兩種狀態(tài)，而不必考慮“大小”的問題（如：激光、遠(yuǎn)紅外、取用二值特性的其它檢測器件等等），因此這種檢測器所構(gòu)成的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，特別適合高速公路這樣分布范圍廣的交通信息的檢測。這里就介紹一種基于二值檢測器的，可以分別獲取交通流量和時(shí)間占有率的傳感器設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)適合于所有二值檢測器的使用，可以靈活地響應(yīng)管控中心異常事件檢測算法對所需交通狀態(tài)參數(shù)的選擇。

1 傳感器所處系統(tǒng)整體架構(gòu)描述

由三個(gè)二值檢測器作為檢測器件構(gòu)成的傳感器均勻地布設(shè)在測試路段，檢測器I、II1分別處于單向兩車道的兩側(cè);檢測器I和II在道路同側(cè)的上、下空間位置布設(shè)，如圖1所示。

每個(gè)傳感器都使用串口（TTL或RS232）通過由ISM頻段通信模塊（無線串口服務(wù)器、ZigBee、433M等）構(gòu)成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)與管控中心PC構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)連接，每個(gè)傳感器可以設(shè)置自己的ID，方便組網(wǎng)，管控中心管理軟件（包含異常事件檢測算法）可以根據(jù)各傳感器的ID與其交換數(shù)據(jù)。整體架構(gòu)圖2所示。

2 傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SCM采用AT89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求。提供TTL和RS232兩種串口方式引出，采用UM3221E實(shí)現(xiàn)TTL電平到標(biāo)準(zhǔn)RS232電平的轉(zhuǎn)換，以方便各種無線傳輸模塊接駁。二值檢測器分別通過AT89S52的PO.O＼ P0.1、P0.2輸入到AT89S52，撥碼開關(guān)SW1和SW2分別通過P1.0～P1.7和P2.0～P2.7輸入到AT89S52來實(shí)現(xiàn)侍感器ID的設(shè)置和串口波特率的設(shè)置。具體電路如圖3所示。

3 傳感器軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本確定下來。根據(jù)傳感器的功能要求，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件部分資源定義如下：

定時(shí)器0用于記錄占有時(shí)間（遮擋時(shí)間）。

定時(shí)器l用于串口波特率發(fā)生器。

那么就有：

Q= P /P0

（1）

O=T/T0

（2）

式中：Q為車流量;O為占有率;P為車輛計(jì)數(shù)變量;T為占有時(shí)間變量;T0為取數(shù)時(shí)間間隔;由管控中心異常事件檢測算法確定。

軟件主要由系統(tǒng)初始化、二值狀態(tài)識(shí)別算法和串口數(shù)據(jù)傳輸三部分構(gòu)成。

3.1 系統(tǒng)初始化

初始化部分主要完成計(jì)時(shí)器的構(gòu)建。二值狀態(tài)識(shí)別算法中所使用的有關(guān)寄存器、中間變量、計(jì)時(shí)器的清零操作;讀取撥碼開關(guān)數(shù)值，設(shè)置串口數(shù)據(jù)傳輸中的波特率以及設(shè)置響應(yīng)管控中心管理軟件的身份辨別ID等。

3.2 二值狀態(tài)識(shí)別算法

二值狀態(tài)識(shí)別算法是傳感器設(shè)計(jì)的核心部分，它通過對三個(gè)二值檢測器電平的狀態(tài)的判斷，結(jié)合其位置等邏輯關(guān)系，可以有效的排除各種干擾（飛蟲等），準(zhǔn)確地獲得所需要的交通狀態(tài)參數(shù)。具體算法流程如圖4所示。

3.3 串口數(shù)據(jù)傳輸

串口數(shù)據(jù)傳輸主要分兩部分，一部分是讀取指令數(shù)據(jù)，指令由管控中心統(tǒng)一發(fā)送，兩個(gè)字節(jié)，分別代表：ID和何種交通狀態(tài)參數(shù)（只用兩位，后六位預(yù)留）;另一部分為發(fā)送數(shù)據(jù)，只要讀取到的指令數(shù)據(jù)中的ID和自己的ID相等，就將指定的交通狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給管控中心。串口數(shù)據(jù)傳輸程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

不難看出，最終的交通狀態(tài)參數(shù)是在管控中心形成的，因?yàn)門O是由管控中心異常事件檢測算法確定的。這樣的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高異常事件檢測算法設(shè)計(jì)的靈活性。如果想要傳感器直接提供最終的交通狀態(tài)參數(shù)或者在傳感器上實(shí)時(shí)顯示交通狀態(tài)參數(shù)，可以將TO放在預(yù)留位傳輸給傳感器使用。不僅如此，在擴(kuò)充功能方面也非常方便。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

將傳感器硬件電路及其軟件的Hex文件導(dǎo)入SCM電路仿真軟件Proteus，分別在三個(gè)二值檢測器處接入不同頻率，不同占空比、不同相位的方波信號(hào)以模擬兩個(gè)車道各種車輛通過的情況;用VC++編寫一串口通信軟件來模擬管控中心向Pro-teus虛擬串口發(fā)送10個(gè)字節(jié)的包含相應(yīng)ID和參數(shù)類型的取數(shù)據(jù)指令，同時(shí)讀取由Proteus虛擬串口反饋的仿真數(shù)據(jù)。仿真信號(hào)波形和車輛通過情況的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

那么，車流量和時(shí)間占有率就可以分別由仿真波形的頻率和占空比來表示。

選取不同頻率、占空比和相位（并行時(shí)）的信號(hào)按圖6的三種情況（ （3）又分三種）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。下面就通過對表l的這組隨機(jī)數(shù)據(jù)（To=60秒）的分析來對仿真結(jié)果進(jìn)行說明。

單一車道情況，TO與頻率之積為計(jì)數(shù)的理論值、占空比為時(shí)間占有率的理論值;雙車道情況，TO與各頻率之積的和為計(jì)數(shù)的理論值、各個(gè)占空比只和為時(shí)間占有率的理論值。把從虛擬串口讀到的數(shù)據(jù)與它對應(yīng)的理論值比較，即可完成傳感器的數(shù)據(jù)仿真。從表1的仿真數(shù)據(jù)可以看出，在一定的精度范圍內(nèi)，實(shí)際數(shù)值和理論值是完全相同的。

5 結(jié)語

本文提出了一種異常事件檢測傳感器的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法基于二值檢測器，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。二值狀態(tài)識(shí)別算法可以提供多種交通狀態(tài)參數(shù)，由于采用標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸數(shù)據(jù)，可以方便地與市面主流的無線通信模塊配接，傳感器自身ID的設(shè)置可以使數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加靈活多樣。該設(shè)計(jì)還具有體積小、安裝方便、對路面破壞小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。如果在實(shí)際道路中大規(guī)模地安裝使用，將會(huì)大大提高高速公路異常事件檢測的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭文川.MCS-51單片機(jī)原理、端口及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 李群芳，張士軍，黃建.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]潘霓，駱樂，聞?dòng)?基于磁阻傳感器的車輛檢測算法綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009 （19）：245-248.

[4]趙中琦，陳永銳，易衛(wèi)東.基于磁阻傳感器的無線車輛檢測器[J].電子測量技術(shù)，2013（1）：l-8.

[5]鄧自軍.基于433M模組局域網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012：1-56.

[6]王志超，劉波，花於鋒.基于移動(dòng)4G與ZigBee無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2014 （22）：863-865.