專利名稱：基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及車輛檢測監(jiān)控技術和無線傳感器領域，是用于車輛計數(shù)及測速的 測量節(jié)點，應用Zigbee無線通訊協(xié)議，具有無線自組網(wǎng)的能力。
背景技術：
隨著交通問題的日益嚴重，智能交通系統(tǒng)(Intel ligent Transportation System, ITS)應運而生。ITS是將先進的信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、電子傳感技術、電子 控制技術以及計算機處理技術等有效地集成運用于整個交通運輸管理體系，而建立起的一 種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統(tǒng)。ITS包括交通 信息采集子系統(tǒng)、信息處理分析子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)等子系統(tǒng)。其中交通信息采集子系 統(tǒng)為ITS系統(tǒng)提供實時的交通信息(如流量、車速等)，是ITS系統(tǒng)的基礎，在ITS系統(tǒng)發(fā)揮 了重要的作用。交通信息采集子系統(tǒng)的基礎則是車輛檢測器，車輛檢測器的種類很多，按其安裝 方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。其中接觸式包括環(huán)形線圈、摩擦電、磁成像等；非 接觸式包括視頻、微波、聲波、紅外等，不同的檢測器具有自身的優(yōu)缺點。由于環(huán)形線圈檢 測的精確度相對較高，因此在交通信息采集子系統(tǒng)中被較廣泛的應用。但其在使用中仍存 在如下問題環(huán)形線圈投資及施工費用較高，在施工時交通受阻現(xiàn)象嚴重，埋置線圈的切縫 軟化了路面，容易使路面受損；當路面變形(如沉降、裂縫等)或工程施工時，環(huán)形線圈極易 受損，其使用效果及壽命一般會受影響；環(huán)境變化和環(huán)形線圈的正常老化會對檢測器的正 常工作也有較大的影響；環(huán)形線圈壽命較短(一般為二年)，之后又要破壞路面，重新鋪設 等。此外，未來的ITS要求交通信息采集子系統(tǒng)能以網(wǎng)絡化形式覆蓋大部分的路網(wǎng)，并將實 時采集所得的數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，獲取各種各樣的交通特征。因此，一種先進的、能 自組網(wǎng)的、安裝便捷的、穩(wěn)定長壽的且檢測準確的車輛檢測器已成為迫切需要。申請?zhí)枮?00410027326. X，公開號為CN1700261A，名稱為“道路交通狀況數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利申請公開書中，公開了一種道路檢測系統(tǒng)。該發(fā)明專利公開的是一 種檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用的是GSM短信/GPRS無線通訊方式，不具備自組網(wǎng)協(xié)調(diào)工作的能力， 使用時有附加通訊費用；系統(tǒng)是將傳感器檢測的信息集中于中央處理單元進行處理，檢測 器本身并不進行運算；功能相對比較單一。申請?zhí)枮?00710010086. 6，公開號為CN101025863A，名稱為“交通流量、車輛檢測
無線傳感器節(jié)點”的中國發(fā)明專利申請公開書中，公開了一種檢測器。該檢測器采用了兩 片HMC1051進行兩個軸向上的地磁信號采集，成本相對很高；所使用的無線通訊芯片是工 作在433Mhz頻段的nRF905，該芯片不支持Zigbee協(xié)議，最多支持8個設備進行星型組網(wǎng)通 訊，無法構成正在意義上的無線通訊網(wǎng)絡。本實用新型將交通信息采集子系統(tǒng)實際的需求，應用最新的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議 及技術，構建一種新型的交通檢測器節(jié)點。該節(jié)點在單獨工作時，具有車輛計數(shù)的能力；在 組網(wǎng)工作時，將具有更強的功能，如車輛測速等。此外，還具有鋪設方便，成本低廉等優(yōu)點。發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種既能單獨工作、又能成對工作或組網(wǎng) 工作，功能強大且使用方便的基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點，從而克服 現(xiàn)有檢測器的缺點，滿足交通信息采集子系統(tǒng)未來發(fā)展的需求。為此，本實用新型采用以下 技術方案它包括外殼、所述外殼內(nèi)設有核心處理板和與該核心處理板相連的供電電池，所 述核心處理板上設有相連的車輛信號采集單元、信號處理單元和無線通信單元。由于采用 本實用新型的技術方案，本實用新型通過車輛信號采集單元采集車輛經(jīng)過的信息，并通過 信號處理單元和無線通信單元完成相應的車輛計數(shù)和車輛測速的功能。

[0009]圖1是本實用新型核心處理板的系統(tǒng)框圖；[0010]圖2是本實用新型核心處理板程序的主流程圖[0011]圖3是本實用新型道釘外殼的透視圖；[0012]圖4是本實用新型植入式筒形外殼的透視圖；[0013]圖5是本實用新型成對出現(xiàn)，工作與成對模式，進行車速檢測的示意圖[0014]圖6是本實用新型組網(wǎng)工作時的示意圖；[0015]圖7是本實用新型自適應閾值檢測算法的框圖；[0016]圖8是本實用新型滑動窗體原始信號示意圖；[0017]圖9是本實用新型滑動窗體濾波后信號示意圖；[0018]圖10是本實用新型自適應閾值檢測算法中所采用的狀態(tài)機圖；[0019]圖11是本實用新型自適應閾值檢測算法閾值在線更新圖。
具體實施方式
本實用新型包括外殼、所述外殼內(nèi)設有核心處理板和與該核心處理板相連的供電 電池，所述外殼用于封裝檢測節(jié)點，保護其正常工作，所述核心處理板上設有相連的車輛信 號采集單元、信號處理單元和無線通信單元，所述核心處理板是檢測節(jié)點的核心，供電電池 用于向核心處理板進行供電，在本實用新型中采用了 3. 6V，1. 7Ah的鋰電池。所述核心處理板集成于兩塊3. 2cm*3. 7cm的PCB板上。分別稱為地磁信號采集板 和無線通訊板，其中地磁信號采集板放置了 Honeywell HMC1052雙軸磁阻傳感器，無線通訊 板上放置了 Ti CC2430和Ti CC2591，兩塊板通過排針直接相連，板間高度為7mm。兩塊板 必須連接后才能正常工作。所述車輛信號采集單元所使用的磁阻傳感器為Honeywell HMC1052異向性雙軸磁 阻傳感器，可以測量兩個方向上的磁阻變化值。即當車輛通過傳感器時，傳感器將測量出地 球磁場的變化，并將其轉變?yōu)殡妷毫枯敵?。所述信號處理單元所使用的微處理芯片為Ti CC2430,芯片集成了射頻通訊模塊， 所述無線通信單元所使用的射頻放大芯片為Ti CC2591。其中Ti CC2430在單個芯片上整 合了 Zigbee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器(MCU)，用于進行信號的A/D采樣，實現(xiàn)自適應門限算法，和Zigbee無線通訊協(xié)議，Ti CC2591為射頻前端芯片，集成了功率放大器、低噪 聲放大器、平衡轉換器、交換機、電感器和RF匹配網(wǎng)絡等，可以將CC2430的通訊范圍提高到 500米左右。所述外殼包括道釘外殼和植入式筒形外殼，對應于路面安裝方式和路面鉆孔安裝 方式。在不同的路面場景(城市道路和高速道路)，采用不同的外殼封裝。在城市道路采用 道釘外殼封裝，在高速道路采用植入式筒形外殼。本實用新型在埋設時不需要引入額外的 數(shù)據(jù)線和電源線。當采用道路方式封裝時，采用防爆螺絲直接固定在道路表面；當采用植入 式筒形外殼，需要在路面上鉆孔徑為3. 8cm，深度為7. 5cm孔洞，然后將本檢測節(jié)點埋入孔 中，并在表面使用浙青重新添裝，恢復路面原貌。本實用新型具有工作周期長、易于鋪設和 翻修、成本低廉等優(yōu)點。特別適合以組網(wǎng)的方式進行工作，且當以組網(wǎng)方式工作時，將具有 更多的交通流特征數(shù)據(jù)分析能力。本實用新型微處理芯片采用了特有的自適應閾值檢測算法，該算法包括信號預處 理、自適應基線、閾值更新、狀態(tài)機檢測等部分。由于該算法引入了基線和閾值自適應更新 機制，從而使檢測裝置具有對磁場基準的自適應性，從而使檢測裝置具有很強的環(huán)境適應 性，環(huán)境變換或變化對檢測節(jié)點影響不大，甚至可以忽略。檢測節(jié)點可以很快速的部署到不 同的環(huán)境場景中。當檢測節(jié)點處于單機工作狀態(tài)時，基于上述算法，可以實現(xiàn)車輛的計數(shù)； 當成對出現(xiàn)且采用成對工作模式時，可以進行車輛速度的測算。即檢測節(jié)點具有兩種工作 模式。本實用新型應用了 Zigbee無線通訊協(xié)議，該協(xié)議是由Zigbee聯(lián)盟制定基于 IEEE802. 15. 4，具有高可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡應用規(guī)格，具有低功耗、低成本、低速 率、高容量、高安全和免執(zhí)照頻段等特點。使用沒有任何附加通訊費用，相比GPRS無線通訊 方式便捷經(jīng)濟，并具備自組織網(wǎng)的特點，且網(wǎng)絡拓撲可為網(wǎng)絡型。應用該協(xié)議的任意一個 檢測節(jié)點可以自主式的加入某一 Zigbee無線通訊網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)信息的傳遞。此外由于 Zigbee協(xié)議的低功耗的特點，因此本實用新型所提出的基于Zigbee無線協(xié)議的磁阻車輛 數(shù)量及速度檢測節(jié)點可以不間斷工作3 5年。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。如圖1給出了本實用新型核心處理板的系統(tǒng)框圖，包括車輛信號采集單元、信號 處理單元、無線通信單元三個單元，電池將向這3個單元進行供電。車輛信號采集單元采用 的是Honeywell HMC1052雙軸磁阻傳感器，可以測量兩個方向上的磁阻變化值。即當車輛 通過傳感器時，傳感器將測量出地磁場的變化，并將其轉變?yōu)殡妷毫枯敵?。信號處理單元?無線通信單元選用Ti CC2430和Ti CC2591，其中Ti CC2430在單個芯片上整合了 Zigbee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器(MCU)，用于進行信號的A/D采樣，實現(xiàn)自適應門限算法，和 Zigbee無線通訊協(xié)議，Ti CC2591為射頻前端芯片，集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡 轉換器、交換機、電感器和RF匹配網(wǎng)絡等，可以將CC2430的通訊范圍提高到500米左右。核心處理板的數(shù)據(jù)流程如下，首先當車輛通過檢測節(jié)點時車輛信號采集單元會檢 測出地磁場的變化，并轉化為電壓量信號；然后該信號經(jīng)微處理芯片A/D轉換口，被轉換成 相應的數(shù)字量信號；最后數(shù)字量信號被送入微處理芯片內(nèi)的自適應閾值檢測算法進行處 理。當一系列的電壓量信號采集到檢測節(jié)點中后，通過自適應閾值檢測算法就可以完成相 應的車輛計數(shù)和車輛測速的功能。[0030]圖2給出了本實用新型核心處理板程序的主流程圖，硬件系統(tǒng)初始化后程序進入 循環(huán)執(zhí)行。當檢測檢點單獨工作時，每隔1/128秒，程序將調(diào)用一次自適應閾值檢測算法， 進行車輛計數(shù)；每隔5分鐘，程序將啟動Zigbee無線通訊一次，向無線中繼傳回在5分鐘間 隔內(nèi)的車輛數(shù)。當檢測檢點成對出現(xiàn)且采用成對工作模式時，檢測節(jié)點將被配置成為主節(jié) 點和從節(jié)點。主節(jié)點和從節(jié)點每隔1/128秒，均將調(diào)用一次自適應閾值檢測算法；主節(jié)點和 從節(jié)點每隔5分鐘，程序將啟動Zigbee無線通訊一次，從節(jié)點會向主節(jié)點傳送時間信息，主 節(jié)點根據(jù)從節(jié)點所提供的時間信息進行速度的測算，并將測算后的速度和車輛個數(shù)發(fā)送回 無線中繼。圖3給出了本實用新型道釘外殼的透視圖；圖4給出了本實用新型植入式筒形外 殼的透視圖。本實用新型有兩種外殼分裝，道釘外殼封裝和植入式筒形外殼封裝，兩種封裝 應用在不同的場合，在城市道路采用的是道釘外殼封裝，在高速公路采用的是植入式筒形 外殼封裝。采用兩種封裝的原因是由于車輛在城市道路和高速公路上的平均車速不同，車 輛在高速公路上的車速較快，如果采用道釘外殼封裝將會對高速公路形成帶來危險。當檢 測節(jié)點采用道路方式封裝時，采用防爆螺絲直接固定在道路表面；當檢測節(jié)點采用植入式 筒形外殼，需要在路面上鉆孔徑為3. 8cm，深度為7. 5cm孔洞，然后將檢測節(jié)點埋入孔中，并 在表面使用浙青重新添裝，恢復路面原貌。本實用新型的使用方法包括單獨使用檢測節(jié)點的方法、成對使用檢測節(jié)點的方法 和組網(wǎng)使用檢測節(jié)點的方法。當本實用新型單獨使用時，單檢測節(jié)點就能完成車輛計數(shù)的 功能，發(fā)送給終端直接是分析處理后的數(shù)量信息。當本實用新型成對使用且采用成對工作 模式時，可以進行車輛速度的測算，并可將測量后的速度發(fā)送給終端。本實用新型所述單獨使用檢測節(jié)點的方法包括單獨的檢測節(jié)點和配套使用的無 線中繼，所述檢測節(jié)點內(nèi)的核心處理板上設有循環(huán)執(zhí)行程序，當檢測檢點單獨工作時，每隔 1/128秒，程序將調(diào)用一次自適應閾值檢測算法，進行車輛計數(shù)；每隔5分鐘，程序將啟動 Zigbee無線通訊一次，向無線中繼傳回在5分鐘間隔內(nèi)的車輛數(shù)。無線中繼用于實現(xiàn)自組 織組網(wǎng)的功能，當無線中繼存在時，檢測節(jié)點可以自動加入該網(wǎng)絡。圖5是本實用新型成對出現(xiàn)，工作與成對模式，進行車速檢測的示意圖。當本實用 新型成對出現(xiàn)，工作與成對模式時，兩個檢測節(jié)點將被配置成為主節(jié)點和從節(jié)點，在主、從 節(jié)點中均存儲了對應節(jié)點的地址。從節(jié)點會向其所屬的主節(jié)點發(fā)送相關的信息，主節(jié)點接 到后再本機中進行處理，并將車輛計數(shù)和車速發(fā)送回無線中繼。主節(jié)點和從節(jié)點每隔1/128 秒，均將調(diào)用一次自適應閾值檢測算法；主節(jié)點和從節(jié)點每隔5分鐘，程序將啟動Zigbee無 線通訊一次，從節(jié)點會向主節(jié)點傳送時間信息，主節(jié)點根據(jù)從節(jié)點所提供的時間信息進行 速度的測算，并將測算后的速度和車輛個數(shù)發(fā)送回無線中繼。所述無線中繼用于實現(xiàn)自組 織組網(wǎng)的功能，當無線中繼存在時，檢測節(jié)點可以自動加入該網(wǎng)絡。圖6是本實用新型組網(wǎng)工作時的示意圖，在組網(wǎng)工作時，網(wǎng)絡中將存在無線中繼、 路由節(jié)點和檢測節(jié)點，檢測節(jié)點按一定時間間隔通過路由節(jié)點向無線中繼進行通訊，無線 中繼和路由節(jié)點則一直處于工作作態(tài)。采用上述方式，可以讓檢測節(jié)點工作在最省電的狀 態(tài)，從而延長檢測節(jié)點的工作時間。無線中繼和路由節(jié)點一般放置在道路一側，需要接入電 源進行供電。要使本實用新型的檢測節(jié)點正常工作，必須存在一個無線中繼，無線中繼主要 用于實現(xiàn)自組織組網(wǎng)的功能，當無線中繼存在時，檢測節(jié)點可以自動加入該網(wǎng)絡。無線路由用于擴展網(wǎng)絡的通訊范圍，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。本實用新型采用了特有的基于閾值在線更新的自適應閾值檢測算法(Adaptive Baselineand Threshold Detection Algorithm，ABTDA)，算法總體流程如圖 7，基線值和閾 值是由根據(jù)狀態(tài)機的輸出狀態(tài)確定。ABTDA算法描述如下1、信號預處理信號預處理采用滑動窗體濾波的算法(Eq. 1)。r (k)是采集到的某一時刻某個軸 向上原始的磁場信號序列；a(k)是經(jīng)過滑動窗體濾波后的平滑信號；N是滑動濾波窗體的 長度，該值與信號采樣頻率和檢測地點車輛的平均速度有關，設定值的選取如果合適，可以 濾掉由于車輛內(nèi)部鐵磁分布造成的波動，但若太大，波峰和波谷可能出現(xiàn)疊加，會影響到檢 測結果。圖9 (a)是原始波形信號，圖9(b)是經(jīng)過滑動窗體濾波處理后的波形信號。
J (r(X)+ r(fc-1) +…+ Kl))/眾 k<Na{ )~^r(-k>) + r('k_V) + r^k_N + r)yk k>N 如 J2、背景磁場的學習由于背景磁場的漂移對交通流量的檢測精度有著不可忽視的影響，因此需要對 當前背景磁場進行在線的學習(Eq.2)。Eq.2*M_baseline(k)表示當前時刻的背景磁 場，M_baSeline(k-l)表示上一時刻的背景磁場，c是遺忘因子，當檢測狀態(tài)處于0n_baSe_ line (state = S2)(即判斷沒有車處于傳感器檢測范圍內(nèi))時，才對背景磁場進行學習。
,7 「M—doye/meR-lXl —+state = S2M _ baseline{k) = < ~
—[M _ baselineik -1) otherwisegq 23、閾值H更新閾值的選取主要涉及磁場的方向和干擾源的大小等，如果僅通過經(jīng)驗的方法(即 通過觀察有車干擾時波形的幅度變化范圍來確定閾值)，顯然會影響到算法的精度。因此 可以在判斷車輛進入和離開時對閾值H作一些調(diào)整，如Eq. 3所示。Eq. 3中Tt^l)為前面 M個時刻信號變化的均值，Y ( < 1)為狀態(tài)處于Event_detected (state = S5)時的閾值影 響因子，β O 1)為狀態(tài)處于其它狀態(tài)時的閾值影響因子，Toffset為最小閾值。顯然選擇 合理Y，β和Toffset，可以較好的獲取動態(tài)變化的閾值H。f (k) = |a(k)-M_baseline(k)舟-l)= /(" + /(眾—2) + .../(眾—M)
M
iyf (fe -1) + Τ· state = S5 —
β f(k-l) + Tom otherwise34、狀態(tài)機檢測狀態(tài)機圖(如圖10所示)的輸入為經(jīng)Eq. 4處理后的0或1信號，即背景磁場信 息經(jīng)處理后的狀態(tài)機輸入信號T (k)。[0050]
權利要求基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點，其特征在于它包括外殼、所述外殼內(nèi)設有核心處理板和與該核心處理板相連的供電電池，所述核心處理板上設有相連的車輛信號采集單元、信號處理單元和無線通信單元。
2.如權利要求1所述的基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點，其特征在于 所述核心處理板集成于兩塊3. 2cm*3. 7cm的PCB板上。
3.如權利要求1所述的基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點，其特征在于 所述信號處理單元所使用的微處理芯片為CC2430，芯片集成了射頻通訊模塊，所述車輛信 號采集單元所使用的磁阻傳感器為HMC1052異向性雙軸磁阻傳感器，所述無線通信單元所 使用的射頻放大芯片為CC2591。
4.如權利要求1所述的基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點，其特征在于 所述外殼包括道釘外殼和植入式筒形外殼。
專利摘要本實用新型提供一種基于Zigbee協(xié)議的磁阻車輛數(shù)量及速度檢測節(jié)點。它包括外殼、所述外殼內(nèi)設有核心處理板和與該核心處理板相連的供電電池，所述核心處理板上設有相連的車輛信號采集單元、信號處理單元和無線通信單元。本實用新型通過車輛信號采集單元采集車輛經(jīng)過的信息，并通過信號處理單元和無線通信單元完成相應的車輛計數(shù)和車輛測速的功能。
文檔編號G08G1/042GK201707792SQ20092019859
公開日2011年1月12日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權日2009年10月19日
發(fā)明者何至初, 劉泓, 李辰, 王慧, 韓義 申請人:浙江大學