田為廣徐海黎*殷戎飛邢 強沈 標
(1.南通大學機械工程學院,江蘇 南通226019;2.南通天承光電科技有限公司,江蘇 南通226100;3.南京藍泰交通設施有限責任公司,江蘇 南京210019)
實時的交通流量獲取是提升交通效率,構建智慧交通體系的重要基礎,在城市道路建設、交通管理、交通信號控制等方面起著越來越重要的作用。車流量檢測器作為智能交通系統(tǒng)的最前端部分,承擔著相關信息的采集任務,其準確性和實時性影響著系統(tǒng)的后續(xù)工作[1]。
車輛檢測和識別技術已經(jīng)廣泛應用于交通場景中,目前主流的車流量檢測方案為視頻、微波雷達、環(huán)形線圈和地磁檢測器等。 視頻檢測方式安裝簡便,不影響交通,直觀可靠,但受限于數(shù)據(jù)量大,處理復雜度高,易受惡劣天氣影響。 微波雷達可檢測交通流量、車速等多項交通流信息,但安裝和調試的要求較高且價格昂貴。 環(huán)形線圈檢測技術成熟,精度高,性能穩(wěn)定,但安裝維護繁瑣,且易使路面壽命降低[2-4]。 地磁檢測器利用傳感器檢測周圍磁場的變化以判斷車輛的經(jīng)過,可很好地實現(xiàn)車輛檢測、分類[5-7]。 因其體積小、功耗低、環(huán)境適應性好,在無線車輛檢測的應用逐漸增多[8-11]。 但無線檢測系統(tǒng)中,檢測器通常以道釘形式安裝在道路中,供電電池需頻繁更換。 無線通信在戶外復雜環(huán)境下,信號會大幅度衰減,導致通信距離大大縮減,易出現(xiàn)通信異常。
針對現(xiàn)有地磁檢測器取電難、通信不穩(wěn)定的問題,本文基于南通天承光電科技有限公司生產(chǎn)的道路交通發(fā)光地磚進行功能拓展,設計一種車流量檢測應用系統(tǒng),具有檢測、展示、數(shù)據(jù)入云等多重功能。檢測器采用RM3100 磁場傳感器,檢測精度高、功耗低。 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通過RS485 總線進行傳輸,穩(wěn)定高效。 此外,本系統(tǒng)結合道路發(fā)光磚,可方便地將檢測器安裝在道路上,供電穩(wěn)定便捷。
道路交通發(fā)光地磚是近期國內(nèi)應用的智慧發(fā)光斑馬線系統(tǒng)的組成部分之一。 在惡劣天氣或視線受阻情況下,鋪設在斑馬線周圍與車道停止線上的發(fā)光磚將交通信號燈同步映射到地面,不僅能起到提示作用,也為安裝車流量檢測器提供了便利條件。
地球磁場強度一般在30 至65 微特斯拉左右,不同位置的地球表面磁場強度存在一定的差異,但是在一定的區(qū)域內(nèi),地磁場強度可以近似為恒定不變。 車輛本身帶有大量的鐵磁質,具有很大的磁導率,因此行駛的車輛會對周圍的環(huán)境磁場產(chǎn)生影響[12]。
北京科技大學相關研究人員進行了大量實驗后,分析數(shù)據(jù)得出,當傳感器位于車輛下方,采集到的數(shù)據(jù)變化最為明顯[13]。 因此,在相關區(qū)域安裝傳感器采集磁場信號,分析信號的變化便能夠完成過往車輛的檢測。
整個系統(tǒng)由前端檢測系統(tǒng)、中繼處理裝置和后臺管理端三個部分組成,其結構如圖1 所示。 前端檢測系統(tǒng)為嵌入在發(fā)光地磚中的車流量檢測器,主要包括傳感器檢測模塊、主控處理單元和數(shù)據(jù)傳輸模塊。 中繼處理裝置包括嵌入式工控機、LED 顯示屏和4G 網(wǎng)絡通信模塊等。
系統(tǒng)工作流程如下:傳感器實時采集原始地磁信號,STM32 獲取數(shù)據(jù)后根據(jù)相關算法計算車流量,然后將數(shù)據(jù)按照協(xié)議進行打包并通過485 總線發(fā)送至中繼處理裝置。 中繼處理裝置將數(shù)據(jù)進行匯總,在LED 信息發(fā)布屏上實時顯示已統(tǒng)計到的車流量,同時數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡上傳至服務器。 后臺管理中心可根據(jù)相關信息進行決策參考,實現(xiàn)信號配時自適應優(yōu)化,以及后續(xù)的拓展應用。
圖1 檢測系統(tǒng)整體架構
車流量檢測器主要實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理及傳輸功能,包括電源模塊、STM32 主控、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊,結構框架如圖2 所示。
圖2 檢測器總體框架圖
發(fā)光地磚是通過開關電源進行24 h 供電,因此也可以給檢測器提供持續(xù)穩(wěn)定的供電。 檢測器正常工作電壓為5 V,需將12 V 開關電源作降壓處理。考慮到檢測器埋在發(fā)光磚中,散熱效率較低,所以選擇發(fā)熱量較小的DC-DC 穩(wěn)壓方案。 本文選用XL7005A 穩(wěn)壓芯片,最高可實現(xiàn)80 V 輸入電壓轉換。 電路設計如圖3 所示。
圖3 電源轉換電路
數(shù)據(jù)采集模塊選用PNI 公司的RM3100 傳感器。 RM3100 是由三個分立的磁感線圈和一個MAGI2C 驅動芯片組成的磁場傳感器,可提供三軸的磁場強度測量。 該模塊量程為±800 μT,滿足測量范圍要求;分辨率高達0.015 μT,可以進行精確的測量。 RM3100 可以直接通過SPI 總線與MCU 連接,傳輸磁場數(shù)據(jù),完成采集工作,如圖4 所示。
圖4 傳感器與控制器連接
本系統(tǒng)通過RS485 進行數(shù)據(jù)的高效快速傳輸。由于檢測器埋設于道路當中,工況復雜,為確保數(shù)據(jù)端口能夠在惡劣環(huán)境中正常工作,需要對通信接口電路進行電氣保護,相關電路設計如圖5 所示。
圖5 RS485 通信保護電路原理圖
選用TDH541S485H 芯片,這是一款隔離型收發(fā)器,可有效保護邏輯側電路不受傳輸總線的影響。
傳輸總線的電路保護采用氣體放電管GDT+自恢復保險絲PPTC+瞬態(tài)抑制二極管TVS 架構方案。本系統(tǒng)中TVS 選用SM712,PPTC 選用15 V/0.5 A規(guī)格,GDT 選用3R090 陶瓷氣體放電管。
邏輯側通過三極管開關電路實現(xiàn)硬件自動流向控制,自動識別收發(fā)方向,以節(jié)省單片機硬件資源,降低軟件編程復雜度。
RM3100 的三個傳感器線圈能測量以傳感器為中心的三維空間的磁場強度,傳感器X、Y軸中的其中一個與車輛行駛方向平行,Z軸的方向垂直于地平面,如圖6 所示。 將設計的檢測器封裝進發(fā)光地磚鋪設在測試車道中央,駕駛汽車沿傳感器X軸方向從檢測器上方駛過,采集車輛通過前后的磁場強度。
圖6 傳感器測量坐標系示意圖
然后采用滑動平均濾波算法對采集的數(shù)據(jù)進行預處理,繪制出磁場強度的變化情況,如圖7 所示。圖7 中三條曲線分別對應RM3100 傳感器的三軸磁感線圈檢測到的磁場強度。
圖7 傳感器三軸磁場強度變化
初步分析傳感器三軸的信號得出,車輛未通過時,采樣數(shù)據(jù)在某一基準值周圍小幅度波動。 車輛經(jīng)過時,各軸的數(shù)據(jù)都會發(fā)生一定程度的變化。 Z軸信號的變化尤其明顯,遠超過基準值的漂移,考慮到安裝位置,這種情況符合實際。
當車輛以不同速度通過檢測器時,傳感器Z軸的磁場強度均能產(chǎn)生超過基準值10 μT 以上的變化,如圖8 所示,證明上述磁場強度變化具有普遍性。 因此,可以直接將Z軸的輸出信號用于車輛特征檢測。
考慮到相鄰車道之間可能產(chǎn)生相互干擾,對車輛駛過測試車道時,相鄰車道磁場強度的變化進行了測量,如圖9 所示。 結果表明,車輛正常行駛時,對相鄰車道的影響可忽略不計。
3.1.1 特征波形提取
本文采用雙窗口法提取有效波形,如圖10 所示,以采樣信號與基準值的差分數(shù)據(jù)ΔBZ作為判斷對象,步驟如下:①計算基準值。 基于基準值,設定車輛到來窗口W1與離開窗口W2的高度,即判斷閾值上、下限a與b。 ②當采樣點處于閾值下限范圍內(nèi),則保持等待。 如出現(xiàn)超出范圍的采樣點,說明車輛即將駛入,開啟窗口W1。 ③當采樣點超出W1的邊界即閾值上限a,記錄這些點。 若其達到一定數(shù)量N,說明車輛駛入,此時為進入時刻T1。 ④車輛駛入后,當采樣點開始回歸到閾值下限范圍內(nèi)時,開啟窗口W2。 若此后所有采樣點都在W2內(nèi),說明車輛駛出,記錄離去時刻T2,T1與T2之間即為提取的特征波形。
圖8 不同車速對傳感器Z 軸磁場強度的影響
圖9 車輛對相鄰車道磁場的影響
圖10 波形特征提取示意圖
3.1.2 有限狀態(tài)機算法
在實際檢測過程中,因周圍環(huán)境干擾,基準值容易產(chǎn)生漂移現(xiàn)象,本文通過動態(tài)調整的方法,在無車狀態(tài)下及時更新基準。 在此基礎上,設定閾值,得到用于區(qū)分有無車輛的自適應閾值。 在閾值判斷的基礎上引入有限狀態(tài)機,進行整體判斷。
狀態(tài)機分為初始化、車輛預駛入、有車、車輛預駛離和無車狀態(tài),狀態(tài)機轉換如圖11 所示,各狀態(tài)描述如下:
圖11 車輛檢測狀態(tài)機
State 0 系統(tǒng)初始化,測量一組數(shù)據(jù),計算其均值作為基準值。 在該基準值基礎上設定初始閾值上下限a、b,并進入無車狀態(tài)State 1。
State 1 在無車狀態(tài)下,車輛檢測標志flag 置0。 采樣數(shù)據(jù)波動不超過閾值下限b時依舊為無車狀態(tài)。 若超過b但未超過a,則進入預駛入狀態(tài)State2。 如果在無車狀態(tài)持續(xù)等待時間過長,則進行基準值的更新。
State 2 進入預駛入狀態(tài)后,對超過閾值a的檢測值進行跟蹤,記錄數(shù)量num_in,并在預駛入狀態(tài)等待。 若num_in 超過計數(shù)閾值N,則進入有車狀態(tài)State 3。 若不超過N且持續(xù)等待時間過長,則為數(shù)據(jù)波動,返回無車狀態(tài)State 1。
State 3 此狀態(tài)下,將車輛檢測標志flag 置1,表示有車進入。 該狀態(tài)下若檢測值低于閾值下限b,則進入車輛預駛離狀態(tài)State 4,否則保持有車狀態(tài)。
State 4 在該狀態(tài)下,開啟一個定時計數(shù)器。當檢測值大于b時,將定時器清空關閉,回到State 3。 若采樣值連續(xù)低于閾值下限,則波形趨于穩(wěn)定,定時器正常計數(shù),等到計數(shù)溢出,產(chǎn)生中斷信號后,則車輛離去,回到無車狀態(tài)State 1,車輛計數(shù)加1,隨后進行閾值更新。
檢測系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)三個功能:傳感器模塊的數(shù)據(jù)采集、主控單元的數(shù)據(jù)處理和通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸。 圖12 為檢測系統(tǒng)的軟件功能架構,由多個模塊化子程序組成。
圖12 檢測器軟件架構框圖
系統(tǒng)上電后,先初始化各功能外設。 隨后STM32 通過SPI 訪問RM3100 內(nèi)部寄存器,讀取原始磁場數(shù)據(jù)。 得到數(shù)據(jù)后,先進行滑動平均濾波處理,去除噪聲;然后基于上文的算法思想,編程實現(xiàn)特征提取和狀態(tài)機判斷,得到車流量數(shù)據(jù),存放在內(nèi)部Flash 中。 完成處理工作后,將數(shù)據(jù)按照制定的協(xié)議打包,待接收到中繼處理裝置的查詢命令后上傳,軟件運行流程如圖13 所示。
圖13 檢測器軟件工作流程圖
圖14 所示的上位機程序運行在嵌入式工控機當中,主要負責匯總檢測器的數(shù)據(jù),進行顯示、上傳等工作。 上位機可還以查看檢測器運行的相關參數(shù),并進行設置,方便在各種現(xiàn)場環(huán)境下安裝調試。
圖14 上位機軟件運行界面
完成系統(tǒng)設計后,在G228 國道與南通市海門區(qū)民生路交界處進行了實地測試。 該路段為國道匯入口,相比于城市道路,經(jīng)過的車輛較多,類型豐富,非常適合車流量檢測。 圖15 所示為實際測試場地,地磁檢測地磚鋪設于兩個車道中心,在路邊的LED屏顯示工控機的上位機程序,觀察測試效果。 同時,設置了一臺攝像機進行現(xiàn)場視頻監(jiān)控,便于人工標定對比。
測試分別在早高峰、中午平峰、晚高峰三個時間段進行3 次。 系統(tǒng)運行同時拍攝現(xiàn)場視頻,然后根據(jù)視頻人工統(tǒng)計實際車輛數(shù)。 由于測試的路口之前并未安裝檢測車流量的設備,因此本文在進行實驗對比時,以人工統(tǒng)計的車輛作為實際車流量,檢測正確率等于系統(tǒng)檢測車流量/人工計數(shù)車流量,對比結果如表1 所示。
可以看出,在每個時段測試中,該系統(tǒng)檢測的準確率能達到97%左右。 由此可知,所設計的車流量檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)高精度的交通車輛檢測。 但是每次都出現(xiàn)一定的漏檢情況,這是由于交通高峰期間,出現(xiàn)一定的擁堵,車輛的跟車距離遠小于正常行駛間距,傳感器采集到的波形變化間隔太短,以至于檢測系統(tǒng)將其作為連續(xù)波形,出現(xiàn)誤判。 因此,檢測算法可進一步優(yōu)化,降低誤檢率。
圖15 實驗測試場景
表1 不同時段測試結果對比分析
系統(tǒng)自8 月11 日安裝測試起至10 月15 日,連續(xù)運行了兩個月,未出現(xiàn)故障。 在戶外高溫環(huán)境以及雷雨天氣下,也未發(fā)生檢測或通信異常,因此系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性符合實際的交通現(xiàn)場要求。
本文基于RM3100 地磁傳感器設計了車流量檢測器,并融合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術開發(fā)了一套應用系統(tǒng)。 結合道路交通發(fā)光磚系統(tǒng),相較于傳統(tǒng)的無線地磁檢測系統(tǒng),具有供電方便、通信穩(wěn)定、功能全面等優(yōu)勢。 實驗測試證明,設計的檢測器識別交通車輛的準確率可達97%左右,但仍需進行一定優(yōu)化以達到更好的檢測效果。 同時,系統(tǒng)硬件也能適應惡劣的工作環(huán)境,保證穩(wěn)定的工作效率。 因此,本文設計的檢測器及系統(tǒng)具有良好的應用前景。