基于压力传感器的混合交通道路流量采集系统

基于压力传感器的混合交通道路流量采集系统

作者：张铮

来源：《新生代·下半月》2018年第11期

【摘要】：目前我国不少城市存在着机动车和自行车混行现象，增加了交通事故隐患，降低了道路通行能力。及时获取可靠的混合交通流数据，在城市交通管理规划中起着关键作用，而现有的交通流采集方法，以机动车交通流为主，不太适合混合的交通环境。为此本文研究实现了一种利用橡胶气压管检测技术的采集系统，采集车辆通过橡胶气压管的时间信息和气压值的大小数据，上传到监控中心交通数据分析系统进行处理獲得混合交通流参数。

【关键词】：混合交通信号采集交通数据分析系统

1.引言

目前我国不少城市存在着机动车和自行车混行现象，增加了交通事故隐患，降低了道路通行能力。及时获取可靠的混合交通流数据，在城市交通管理规划中起着关键作用。而现有的交通流采集方法，大部分是以机动车交通流为主，不太适应这种混合的交通环境。

目前常用的交通检测技术有视频、超声波、微波、环形线圈、地磁影像以及橡胶气压管检测技术。其中，橡胶气压管是基于气压脉冲原理的，车辆分型较为精确而成本较低的检测技术，可以较好地区分车型及行人。本设计采用该项技术采集机动车和自行车混合交通流参数。

2.系统组成框图

本系统硬件主要由橡胶气压管、压力传感器、信号处理单元、存储单元、实时时钟单元、主控单元、无线通信单元、监控中心组成。

3.系统实现

3.1 信号采集单元

信号采集单元主要是压力变送器，完成车辆轧过气压管时对压力信号的转换，把采集的压力信号转换为电压信号，然后通过A/D转换器把电信号转变成数字信号，传送给主控单元处理。

压力变送器由压力传感器、放大电路、信号调理变换电路等组成，其选型的合适与否影响整个系统的性能。

因压力变送器常遇到遇到尘土掩埋，雨水浸泡，外力破坏等，因此要求其有较高的灵敏度、精度、坚固耐用、抗腐蚀性好并尽可能无源等特性。经现场测试，本文选择具有此优点，量程为20KPa的扩散硅压力变送器，并采用宝塔嘴接口，可有效防止与橡胶气压管接口处漏气并方便更换新的橡胶管。

压力变送器连接主控芯片S3C44BOX，由其自带的10位A/D转换器进行模数转换，以精简电路。

3.2 单片机主控单元

主控芯片采用基于ARM7内核、自带10位A/D转换器的S3C44BOX。其功能强大，功耗低，为应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。

3.3 实时时钟单元

本系统采用时钟芯片DS1302来进行时间管理。其性能高、功耗低，只需一纽扣电池供电，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能；采用串行数据传输，占用口线少，遇闰年自动修正，适合本系统的设计要求。

3.4 无线通信单元

S3C44BOX 控制 CDMA 码分多址无线通信技术实现无线网络链接和数据发送。首先CDMA 与监控中心建立数据链路，当监控中心收到链路信息后就能接收主控单片机采集的数据，同时经过中心处理，将反馈的信息发送到主控单片机。

3.5 信息储存单元

本系统采用SD卡存储流量数据，使用CLK、CMD、DATA0～DATA3与主控芯片进行数据通信。

3.7 软件设计

本系统软件分为数据采集系统和交通数据分析系统两部分。

在数据采集系统中，通过大量实验分析自行车和机动车分别轧过气压管时产生的压力信号波形，本系统主要有两种干扰，一种是不规则的小锯齿波干扰，一种是突然凸起的尖峰干扰。

锯齿形干扰与信号波形相比要小得多，且很均匀地分布在采集信号的每个时刻。为了防止小信号与其他干扰充当有用数据，进行了必要的软件滤波。

软件滤波中，对于第一种不规则的小锯齿波干扰，需要设定一个门限值，当采集数据小于这个门限值时，都粗略认为是干扰引起的，通过程序滤除。对于第二种尖峰干扰，设定了采集常数，只有当采集的压力信号大于门限值并且达到一定次数时，才认为不是尖峰干扰而是有车辆通过。对于门限值的确定，采用了加权求平均的方法。另外由于大气压会随着温度的变化而变化，封闭的橡胶管中气压也会受大气压的影响而变化，所以门限值不能是一个固定值。通过实验得出了实际橡胶管内气压随日常大气压变化的规律，根据这种规律系统自动定时更新门限值。

在交通数据分析系统中，现场采集数据后，无线上传至监控中心，此时数据为文本格式（也同时兼容excel格式），内容为车辆车轴时间标和车轴压力值。在导入原始数据后，系统将原始数据处理为车辆数据。具体的处理程序流程如下：

（1）根据压力大小，将气压管上的车轴数据分为非机动车数据与机动车数据，并依据时间排序。

（2）针对机动车，假设铺设在路上的两根气压管之间距离为L，当车辆第一轴通过传感器M1时，记录计时时间T1，在第一轴经过传感器M2时，记录计时时间T2，依次类推，可以得到后轴通过M1和M2的时间T3和T4。这样可以方便地算出车辆的速度V和1、2轴之间的轴距D。从而根据国家建设部或交通部的标准，判断车辆的车型。计算公式如下：

车辆速度V ：

4.总结

针对目前我国城市道路交通中存在的混合交通现状，本文提出了一种基于压力传感器的混合交通流采集方法，开发了检测混合交通流参数的交通数据采集系统，该系统在检测原理及数据处理算法上均做了相应的改进，实现了一种低成本、便携式的单车道混合交通流参数采集系统。

【参考文献】

【1】陶志兴.机非混行路段交通流特性研究[D].长春：吉林大学，2007

【2】孙亚，朱鲤.ITS检测器交通流数据质量控制系统研究[J].测控技术.2008，27（7）

资助项目：2017年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）资助项目

（2017R452004）