謝健 劉偉 羅嶸 余思遠(yuǎn) 胡順仁

摘 要：根據(jù)鐵磁性物體會引起周圍地磁場擾動這一現(xiàn)象，利用磁阻傳感器，可實現(xiàn)對車輛的實時檢測。以開源硬件Arduino為平臺，結(jié)合高集成度、低功耗和低成本的HMC5883L磁阻傳感器，設(shè)計了一種車輛檢測器。在實驗室條件下，使用條形磁鐵進(jìn)行測試。結(jié)果表明，附近有鐵磁性物體存在時，地磁場檢測信號有顯著變化，且信號特征與物體的距離、移動方向和速度有明顯聯(lián)系。該設(shè)計可用于道路車流量、車位占用等交通基礎(chǔ)信息的獲取。

關(guān)鍵詞：低功耗；Arduino；磁阻傳感器；地磁場；車輛檢測

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和城市化進(jìn)程的持續(xù)深入，汽車保有量快速增長的同時，也帶來了各種城市交通問題，如擁堵嚴(yán)重、停車?yán)щy等。為了緩解日益嚴(yán)重的城市交通壓力，對交通系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，實時獲取整個城市范圍內(nèi)的交通基礎(chǔ)信息[1]，包括道路車流量、車道占用率、停車位占用情況等，從而優(yōu)化城市交通的運行和管理。因此，低成本、高精度、小體積、易安裝和易維護(hù)的車輛檢測器成為實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵。

目前，常用的車輛檢測器包括地感線圈、視頻檢測器、紅外線檢測器和超聲波檢測器等[2]。地感線圈[3]主要用于道路車輛的檢測，其技術(shù)成熟、準(zhǔn)確性高，但體積較大、安裝維護(hù)需要破壞路面。視頻檢測器[4]主要用于道路車輛的檢測，能提供更為豐富的車輛信息，但造價昂貴、對環(huán)境光線要求較高。紅外線檢測器[5]主要用于道路車輛的檢測，其成本低、響應(yīng)快，但性能受天氣變化影響較大。超聲波檢測器[6]主要用于車位車輛的檢測，其體積小、易于安裝，但性能受環(huán)境溫度影響較大。

綜上所述，傳統(tǒng)車輛檢測器無法滿足大規(guī)模交通基礎(chǔ)信息獲取的要求，且不能同時用于道路和車位的車輛檢測。近年來，基于地磁場變化的車輛檢測的技術(shù)開始出現(xiàn)，特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微機電系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用低功耗磁阻傳感器芯片檢測地磁場成為可能[7-10]。本文以開源硬件Arduino UNO為平臺[11]，結(jié)合高集成度、低功耗和低成本的HMC5883L磁阻傳感器[12]，設(shè)計了一種車輛檢測器原型。該車輛檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低等優(yōu)點，易于安裝和維護(hù)，不受外界環(huán)境因素干擾，能夠同時用于道路和車位的車輛檢測。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

本文設(shè)計和構(gòu)建的車輛檢測器由HMC5883L磁阻傳感器模塊、Arduino UNO和筆記本電腦組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。Arduino UNO通過I2C接口與磁阻傳感器模塊通信，控制磁阻傳感器進(jìn)行模式配置、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)炔僮?。Arduino UNO與筆記本電腦通過USB接口連接，為了實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸，利用Atmega16U微控制器實現(xiàn)USB接口到UART接口的轉(zhuǎn)換。HMC5883L采集的數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino UNO傳輸?shù)焦P記本電腦進(jìn)行顯示、存儲和處理。Arduino UNO的電源由筆記本電腦通過USB接口提供，而HMC5883L模塊的電源則由Arduino UNO的3.3 V穩(wěn)壓輸出提供。

2 檢測器硬件設(shè)計

2.1 開源硬件Arduino

Arduino是一款流行的開源電子原型平臺，包含一系列型號的Arduino開發(fā)板和Arduino IDE集成開發(fā)環(huán)境。其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，適用于產(chǎn)品開發(fā)早期驗證系統(tǒng)功能和可行性，能夠快速建立產(chǎn)品原型、縮短研發(fā)上市時間。本文使用的Arduino UNO是Arduino USB接口系列的入門版本，具有14路數(shù)字輸入輸出引腳，6路模擬輸入引腳，一個USB接口，一個電源插座，一個在線串行編程接口和一個復(fù)位按鈕。Arduino UNO上已經(jīng)預(yù)置了Bootloader程序，因此可通過Arduino IDE直接下載程序到UNO中。

Arduino UNO的主控芯片是Atmel公司生產(chǎn)的Atmega328微控制器，其工作電壓范圍為1.8～5.5 V，最大頻率為20 MHz。Atmega328擁有32 kB的FLASH程序存儲器和2 kB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器，及1 kB的E2PROM存儲器。雖只有28個引腳，Atmega328仍提供了包括1個UART，1個I2C，1個SPI和1個6通道10 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的多種外設(shè)。為滿足電池供電應(yīng)用的需求，Atmega328還提供了五種可軟件選擇的低功耗模式。上述特征使其完全滿足了車輛檢測器的功能設(shè)計要求。

2.2 HMC5883L傳感器模塊

地球可以被視為南北方向的巨大磁體，其磁感應(yīng)強度范圍約為250～650 mG，且在一個相對廣闊的區(qū)域內(nèi)，磁場強度基本恒定。當(dāng)周圍有鐵磁性物體存在時，會引起地磁場分布情況的擾動。車輛可以看作是由多個雙極性磁鐵組成的鐵磁性物體，因此可通過測量其對地磁場的擾動來檢測車輛的存在[8]。地磁傳感器根據(jù)鐵鎳合金的磁阻效應(yīng)制成，當(dāng)傳感器周圍的地磁場發(fā)生微小擾動時，沉積在硅片上的鐵鎳薄膜的電阻會發(fā)生改變。利用這一特性，構(gòu)建通過檢測地磁場變化來判斷車輛存在的車輛傳感器。與傳統(tǒng)車輛檢測技術(shù)相比，使用地磁傳感器進(jìn)行車輛檢測具有體積小、功耗低、成本低、靈敏度高和范圍較大等優(yōu)點。

目前可用于車輛檢測的地磁傳感器主要包括各向異性磁阻傳感器[9]（Anisotropic Magneto Resistive，AMR）和巨磁阻傳感器[10]（Giant Magneto Resistive，GMR）兩大類。鑒于車輛檢測器需大規(guī)模部署，長時間免維護(hù)運行等實際需求，高集成度、小體積、低功耗和低成本成為選擇地磁傳感器型號的基本要求。因此，選擇了Honeywell公司生產(chǎn)的HMC5883L芯片。該芯片的工作電壓范圍為2.16～3.6 V，測量模式電流僅有100 μA，待機模式電流更低至2 μA。最大磁場強度測量范圍為-8.1～8.1 G，可通過內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，以滿足不同的量程需求。HMC5883L具有很高的集成

度，在3.0 mm×3.0 mm×0.9 mm的尺寸上集成了三軸高精度HMC118X系列磁阻傳感器和用于信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換的專用集成電路。因此，只需一個微控制器接口和少量外部阻容器件即可使用，如圖2所示。三軸HMC118X傳感器具有很高的軸內(nèi)靈敏度和很低的跨軸靈敏度，這使得它可以測量地磁場的方向和幅度。

在HMC5883L的外圍電路中，C1用作內(nèi)部電路的充電電容器，其標(biāo)稱值為4.7 μF；C2用于內(nèi)部的SET/RESET驅(qū)動電路，其標(biāo)稱值為0.22 μF；C3用作電源電路的去耦電容，其標(biāo)稱值為0.1 μF。R10和R11分別用作I2C接口數(shù)據(jù)線和時鐘線的上拉電阻，取值均為2.2 kΩ。按照I2C規(guī)范，空閑時數(shù)據(jù)線和時鐘線必須為高電平，因此需要這兩個電阻在其不工作時將電壓拉高。HMC5883L的I2C接口直接與Arduino UNO的對應(yīng)I2C管腳連接，同時將數(shù)據(jù)采集完成指示引腳DRDY連接到Arduino UNO的一個數(shù)字輸入輸出引腳，用于通知其接收數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Arduino與磁阻傳感器模塊之間的操作

在本設(shè)計中，Arduino UNO與HMC5883L磁阻傳感器模塊使用I2C接口通信，其中Arduino UNO為主設(shè)備，HMC5883L為從設(shè)備。HMC5883L的7位從設(shè)備地址為0x1E。Arduino UNO發(fā)出的控制命令與HMC5883L返回的傳感器測量數(shù)據(jù)都通過I2C總線進(jìn)行傳輸。單次數(shù)據(jù)采集的操作流程如下：

（1）Arduino UNO向HMC5883L內(nèi)部寄存器寫入命令，初始化傳感器、配置采集模式并發(fā)起采集操作；

（2）HMC5883L進(jìn)行地磁信號采集，并在完成后通過DRDY低電平信號通知Arduino UNO；

（3）Arduino UNO從HMC5883L內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。

Arduino開發(fā)環(huán)境提供對I2C接口的函數(shù)庫支持，通過在源文件添加#include 預(yù)處理命令可直接使用。發(fā)送數(shù)據(jù)可調(diào)用Wire.write（）實現(xiàn)。接收數(shù)據(jù)時，可通過Wire.available（）查詢緩沖區(qū)是否收到數(shù)據(jù)，如果收到可調(diào)用Wire.read（）讀取。例如發(fā)起一次傳感器測量，部分代碼如下：

Wire.beginTransmission（0x1E）；

Wire.write（0x02）；

Wire.write（0x01）；

Wire.endTransmission（）；

通過將微控制器的底層硬件操作抽象為易于理解和記憶的函數(shù)，Arduino大大簡化了原型開發(fā)的復(fù)雜度。

3.2 Arduino與筆記本電腦之間的操作

Arduino UNO與筆記本電腦通過USB接口連接，其板載芯片Atmega16U實現(xiàn)USB接口到主控芯片UART接口的轉(zhuǎn)換。因此對筆記本電腦而言，可將Arduino UNO視為串口設(shè)備，可通過設(shè)備管理器查詢其端口號，并利用串口工具讀取數(shù)據(jù)。Arduino UNO讀取HMC5883L采的集數(shù)據(jù)后，直接通過UART接口傳送到筆記本電腦。本設(shè)計使用Matlab串口函數(shù)庫來控制串口，并實時顯示和存儲。

Arduino開發(fā)環(huán)境同樣提供對UART接口的函數(shù)庫支持。使用UART接口前，需要設(shè)置波特率等參數(shù)，可以直接調(diào)用Serial.begin（）實現(xiàn)。通過UART接口發(fā)送數(shù)據(jù)可調(diào)用Serial.print（）實現(xiàn)。接收數(shù)據(jù)時，可通過Serial. available（）查詢緩沖區(qū)是否收到數(shù)據(jù)，如果收到可調(diào)用Serial.read（）讀取。

3.3 軟件流程描述

根據(jù)以上分析，檢測器的軟件部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、I2C數(shù)據(jù)收發(fā)、UART數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能。軟件流程如圖3所示，簡要描述如下：Arduino UNO平臺上電后，首先調(diào)用Wire.begin（），Serial.begin（）等函數(shù)進(jìn)行外設(shè)接口初始化。其次通過I2C接口發(fā)送命令對HMC5883L進(jìn)行初始化。程序進(jìn)入無限循環(huán)，調(diào)用I2C接口發(fā)送命令配置HMC5883L進(jìn)入單次采集模式（HMC5883L每次采集完成后會回到空閑模式，因此每次采集前都要使其進(jìn)入單次采集模式）。輪詢DRDY信號，當(dāng)其為低電平時，通過I2C接口讀取傳感器X，Y，Z三軸數(shù)據(jù)。由于原始數(shù)據(jù)輸出為二進(jìn)制補碼形式，所以通過預(yù)處理函數(shù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并將處理后的數(shù)據(jù)通過UART接口傳輸?shù)焦P記本電腦進(jìn)行顯示和存儲。為了實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)采集速率，可在循環(huán)末尾延時特定的時間，可使用Arduino自帶的延時函數(shù)delay（）來實現(xiàn)。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗方法說明

為了驗證車輛檢測器原型的功能，在實驗室使用條形磁鐵進(jìn)行測試。一方面，條形磁鐵具有已知的磁場分布，有利于對實驗結(jié)果進(jìn)行分析；另一方面，地磁場分布與條形磁鐵相似，對條形磁鐵的實驗結(jié)論可以擴展到地磁場。具體方案如圖4所示。條形磁鐵與HMC5883L模塊位于同一水平面，且二者的中心距離為L。條形磁鐵沿HMC5883L的X軸方向勻速運動（先從X軸正方向往負(fù)方向移動，到達(dá)預(yù)定位置后，再以相同速度沿相同路徑從負(fù)方向往正方向移動）。第一組實驗測量同一距離，測試不同移動速度對地磁信號檢測的影響。第二組實驗測量相同移動速度，測試不同距離對地磁信號檢測的影響。測量時，距離L分別取10 cm和20 cm。

4.2 實驗結(jié)果分析

第一組實驗的地磁響應(yīng)信號波形如圖5所示。從圖中波形可以看出，傳感器對條形磁鐵的經(jīng)過有明顯的響應(yīng)。當(dāng)條形磁鐵從X軸正方向向負(fù)方向移動時，由于條形磁鐵的磁場分布特性，X軸、Y軸和Z軸輸出顯現(xiàn)出不同的信號特征。對于X軸而言，當(dāng)條形磁鐵接近傳感器時，磁場強度向正方向增強后迅速向負(fù)方向減小，在條形磁鐵與傳感器垂直的地方達(dá)到負(fù)向最大值；隨著條形磁鐵遠(yuǎn)離傳感器，磁場強度回到初始值。對于Y軸而言，當(dāng)條形磁鐵接近傳感器時，磁場強度向正方向增強后向負(fù)方向減小，但在條形磁鐵與傳感器垂直的地方回到初始值（此時條形磁鐵施加的磁場方向與Y軸垂直）；隨著條形磁鐵遠(yuǎn)離傳感器，磁場強度向負(fù)方向增強后向正方向減小。對于Z軸而言，當(dāng)條形磁鐵接近傳感器時，磁場強度向正方向增強，在條形磁鐵與傳感器垂直的地方達(dá)到正向最大值；隨著條形磁鐵遠(yuǎn)離傳感器，磁場強度回到初始值。

從圖5可以清楚地看出，當(dāng)條形磁鐵從X軸正方向往負(fù)方向移動時，傳感器的響應(yīng)信號與以相同速度沿相同路徑從X軸負(fù)方向往正方向移動時是對稱的。分析兩種運動方向的磁場分布特性比較不同移動速度下的響應(yīng)信號，可以發(fā)現(xiàn)信號具有相似的信號特征以及相同的峰值幅度和出現(xiàn)位置，只是信號的持續(xù)時間不同，這是由于在相同的數(shù)據(jù)采集速率下，速度快時采集的數(shù)據(jù)點更少，因此信號更窄。這一特性可用于評估鐵磁性物體的經(jīng)過速度，比如在道路上測量車輛通行速度等。

第二組實驗的地磁響應(yīng)信號波形如圖6所示。從圖中波形可以看出，當(dāng)條形磁鐵與HMC5883L模塊之間的距離增加時，響應(yīng)信號的幅度會大大減小。間距為10 cm時，各軸信號的最大變化量為間距為20 cm時的6～7倍。另一方面，雖然在不同距離下，響應(yīng)信號仍具有相似的特征，但隨著距離的增加，信號細(xì)節(jié)會部分丟失。從兩組實驗結(jié)果可以看出，傳感器響應(yīng)信號包含非常豐富的信息，能夠反映鐵磁性物體的磁場分布特征，因此本文設(shè)計的車輛檢測器原型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的檢測，還能用于車速、車型等參數(shù)的評估。

5 結(jié) 語

本設(shè)計以開源硬件Arduino UNO為平臺，結(jié)合HMC5883L磁阻傳感器模塊，設(shè)計了一種低功耗車輛檢測器原型。實驗結(jié)果表明，在采用USB接口為原型系統(tǒng)供電的情況下，傳感器對條形磁鐵移動有明顯的響應(yīng)，其信號特征與根據(jù)條形磁鐵磁場分布所做的理論分析相吻合。當(dāng)條形磁鐵移動速度不同時，響應(yīng)信號具有相似的信號特征和不同的持續(xù)時間。當(dāng)條形磁鐵與傳感器距離增加時，響應(yīng)信號的幅度會大大減小，同時部分細(xì)節(jié)丟失。這些現(xiàn)象不僅可以用來評估車輛的存在、車輛的通行速度等，還可判斷車輛類型。因此，可同時用于道路和車位的車輛檢測，實現(xiàn)普適的交通基礎(chǔ)信息獲取。

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