高架橋路口超重警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜根堂 孫林峰 肖廣兵

摘? 要： 高架橋路口超重警報(bào)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合壓電石英晶體傳感器和無(wú)線射頻數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可在車輛快速移動(dòng)的車道上測(cè)量車輛的載荷、軸間距、車輪數(shù)等數(shù)據(jù)。壓電石英傳感器通過(guò)NRF905無(wú)線收發(fā)模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送至STM32F103C8T6微處理器，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)有效的傳至上位機(jī)軟件供道路管理人員查看，從而達(dá)到對(duì)車輛超重監(jiān)控和減少事故發(fā)生概率的目的。

關(guān)鍵詞： 車輛稱重;STM32;射頻技術(shù);無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TP39? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.021

本文著錄格式：姜根堂，孫林峰，肖廣兵. 高架橋路口超重警報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（10）：8891

【Abstract】： The Viaduct intersection overweight alarm system uses STM32 single-chip as the main control chip， combined with piezoelectric quartz crystal sensor and wireless radio frequency data transmission technology， can measure the vehicle's load， axle spacing， number of wheels and other data in the fast-moving lane of the vehicle. The piezoelectric quartz sensor transmits the detected data to the STM32F103C8T6 microprocessor through the NRF905 wireless transceiver module. The processed data will be timely and effectively transmitted to the host computer software for road management personnel to view， so as to achieve vehicle overweight monitoring and reduce accidents the purpose of probability.

【Key words】： Vehicle weighing; STM32; RF technology; Wireless sensor network; Real-time monitoring

0? 引言

隨著國(guó)民生活水平的提高，車輛的使用頻率也在不斷增加，隨之而來(lái)的問(wèn)題是車輛超載超重現(xiàn)象層出不窮，因超載超重引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生。車輛超限不但會(huì)導(dǎo)致路面損壞加重，損害公路橋梁設(shè)施，還會(huì)嚴(yán)重威脅到道路上行人、車輛的安全。由于車輛在超重的情況下，車輛的各零部件會(huì)產(chǎn)生變形，操縱的穩(wěn)定性也會(huì)下降，因此行駛的安全性也得不到保證。所以，車輛超限現(xiàn)象需要被及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，使車輛的載重量在安全標(biāo)準(zhǔn)之下。然而目前現(xiàn)有的道路稱重系統(tǒng)普遍位于高速路口收費(fèi)站，在大型橋梁，高架橋等橋梁設(shè)施中均沒(méi)有稱重系統(tǒng)，忽視了超限超重對(duì)橋梁，高架的影響[1]。

在對(duì)稱重系統(tǒng)傳感器的選擇當(dāng)中，陳楠[2]提出了一種GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)的光纖傳感器道路稱重系統(tǒng)。傳感器通過(guò)光通量的變化計(jì)算當(dāng)前壓力大小，從而可以對(duì)來(lái)往的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重。但是GPRS網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易造成丟包現(xiàn)象，不能及時(shí)傳輸有效數(shù)據(jù)且這種稱重系統(tǒng)需要的光纖為特殊光纖，成本較高不適合大規(guī)模的鋪設(shè)。閆曉磊[3]設(shè)計(jì)了一種基于電阻應(yīng)變橋式的稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能完善，并且電阻組成簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，但是應(yīng)變式電阻應(yīng)變片在長(zhǎng)期使用下易產(chǎn)生變形，受電磁影響較大。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的壓電石英傳感器高架橋路口超重警報(bào)系統(tǒng)，可以對(duì)即將上橋或高架的車輛重量數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)收集，系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別來(lái)往車輛的車牌號(hào)，并讀取車輛載額定荷重量等相關(guān)信息，判別車輛是否超重。該系統(tǒng)使用STM32處理器結(jié)合無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過(guò)石英晶體諧振式傳感器的壓電效應(yīng)完成對(duì)經(jīng)過(guò)車輛重量的監(jiān)測(cè)，具有抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)高的特點(diǎn)[4]。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高架橋路口超重警報(bào)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)傳輸部分和上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)組成，是一個(gè)具有較高自動(dòng)化水平的智能稱重系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)采集是利用石英晶體具有壓電效應(yīng)的激勵(lì)特性，當(dāng)晶體受到某方向固定的壓力時(shí)，晶體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，產(chǎn)生電荷[5]。同時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)紅外線傳輸將采集到的信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由處理器進(jìn)行分析，決策，把監(jiān)控結(jié)果上傳至上位機(jī)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)車牌識(shí)別技術(shù)調(diào)取車輛相關(guān)載重標(biāo)準(zhǔn)后，將當(dāng)前車輛的載重量和其系統(tǒng)信息在允許誤差范圍內(nèi)進(jìn)行比對(duì)，一旦車輛超重，上位機(jī)蜂鳴警報(bào)器就會(huì)啟動(dòng)，將消息及時(shí)發(fā)送給道路監(jiān)察人員，達(dá)到對(duì)車輛超重監(jiān)控和預(yù)防事故發(fā)生的目的。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括基于ARMCortex-M3的控制模塊、無(wú)線通信模塊和稱重傳感器模塊。

2.1? 傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用單芯片控制方案，根據(jù)系統(tǒng)特性和功能需求，選擇的是意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的STM32F103C8T6微控制器[6]。它是一款基于ARMCortex-M3的32位處理器內(nèi)核的嵌入式芯片，工作頻率為72 MHz，該芯片擁有64K字節(jié)閃存和64K字節(jié)的SARM，電源模塊內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40 KHz的RC振蕩器和最大可達(dá)16 MHz的晶振。該處理器具有豐富的片上資源，大大降低了系統(tǒng)成本。片上集成了高速存儲(chǔ)器，通過(guò)兩條APB總線連接112個(gè)增強(qiáng)的I/O端口和外設(shè)。

ARMCortex-M3采用ARMv7-M架構(gòu)，集低功耗、低成本、高性能于一體。其內(nèi)部指令和總線采用分開(kāi)設(shè)計(jì)模式，流水線選擇了三級(jí)流水線，增加了分支預(yù)測(cè)功能。指令集包含了所有16位指令集和32位Thumb-2指令集架構(gòu)。支持多達(dá)240條外部中斷輸入的嵌套向量中斷控制器具備先進(jìn)的處理能力，在數(shù)據(jù)處理上更加快速精準(zhǔn)。相比較ARM7的7種工作模式，Cortex-M3只有線程和處理兩種模式，使用戶上手更簡(jiǎn)單方便。

系統(tǒng)控制模塊分析和處理傳感器傳輸?shù)能囕v重量和溫濕度數(shù)據(jù)。STM32F103C8T6系統(tǒng)電路圖2如圖所示。

2.2? 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊采用基于射頻技術(shù)的近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。射頻的通信方式有藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Home RF等技術(shù)，其中藍(lán)牙、Home RF技術(shù)成本過(guò)高，ZigBee應(yīng)用的距離過(guò)短，以上幾種方法均不適合無(wú)線稱重的數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線射頻技術(shù)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、壽命長(zhǎng)安全性高等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛用于制造、物流、交通、零售等行業(yè)[7-9]。本文以NRF905芯片為收發(fā)芯片，結(jié)合STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)分析與處理。NRF905是Nordic公司推出的單片無(wú)線收發(fā)芯片。它的工作頻率在433 Hz、868 Hz、915 MHz三個(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段，采用高效的GFSK調(diào)制，集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器等功能，最高工作速率50 kbps，可在最遠(yuǎn)300 m處實(shí)現(xiàn)通信。NRF905采用32引腳，5 mm QFN封裝技術(shù)，融合了ShockBurstTM技術(shù)，可自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭數(shù)據(jù)，內(nèi)置8、16位CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信控制，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，具有低能耗、低電流、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，搭配較少的外圍器件就可設(shè)計(jì)強(qiáng)大的無(wú)線通信系統(tǒng)，非常適合中短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆Q重設(shè)備[10-12]。NRF905電路圖如圖3所示。

2.3? 傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用壓電石英傳感器，啟動(dòng)時(shí)控制系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)并判別本次啟動(dòng)是否為首次啟動(dòng)，若為首次啟動(dòng)會(huì)初始化系統(tǒng)參數(shù)，不是首次啟動(dòng)系統(tǒng)會(huì)加載已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中會(huì)將已采集到的車輛重量通過(guò)射頻技術(shù)傳至上位機(jī)，顯示在軟件界面，供道路管理人員參考[13]。數(shù)據(jù)采集完成后，若沒(méi)有得到終止命令，則又跳轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)采集階段，繼續(xù)下一輪的循環(huán)。傳感器工作原理流程圖如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本軟件采用微軟開(kāi)發(fā)的Visual Basic 6.0編程設(shè)計(jì)軟件，基于Windows操作系統(tǒng)的可視化編程，可在Windows7，Windows10系統(tǒng)上平穩(wěn)運(yùn)行。用戶登錄流程圖如圖5所示，軟件打開(kāi)后，用戶需輸入賬號(hào)密碼，登錄成功后，主程序開(kāi)始運(yùn)行，初始化設(shè)備，讀取設(shè)備預(yù)存參數(shù)，并進(jìn)行系統(tǒng)自檢。系統(tǒng)把將登錄用戶分為兩類，普通用戶和管理員。管理員擁有軟件全部的操作權(quán)限，普通用戶可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一般性的操作，如調(diào)取監(jiān)控、汽車超重違章報(bào)警和系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)置。

3.1? 監(jiān)控頁(yè)面設(shè)計(jì)

超重警報(bào)系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)包括監(jiān)控頁(yè)面和車輛信息查詢頁(yè)面。監(jiān)控頁(yè)面6如圖所示，頁(yè)面功能包括對(duì)來(lái)往車輛量的監(jiān)控畫(huà)面顯示，日期、溫度、天氣狀況以及道路的濕滑狀態(tài)。

3.2? 車輛信息查詢?cè)O(shè)計(jì)

信息頁(yè)面查詢?nèi)鐖D7所示，主要包括違章信息、車輛信息和云臺(tái)控制三個(gè)板塊。超重警報(bào)系統(tǒng)結(jié)合路上的車牌識(shí)別攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)抓拍車輛圖像，提取車牌數(shù)據(jù)，連同車輛圖片一起傳送至高速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)輸出，并生成過(guò)車記錄。動(dòng)態(tài)超重警報(bào)系統(tǒng)對(duì)車輛數(shù)據(jù)進(jìn)入分析，判斷車輛是否超重，對(duì)超重車道路管理人員可根據(jù)車輛超重狀況選擇一鍵警告車主當(dāng)前車輛正超重行駛或一鍵報(bào)警聯(lián)系道路交通警察。

3.3? 其他功能設(shè)計(jì)

除監(jiān)控和車輛信息顯示主程序外，系統(tǒng)擁有錄像回放、車輛超重統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)置模塊，為道路管理人員提供全面的實(shí)用功能。錄像回放模塊可將保存在監(jiān)控系統(tǒng)的三個(gè)月內(nèi)數(shù)據(jù)調(diào)取回放，并能方便地查詢、取證，為事后調(diào)查提供依據(jù)。道路管理人員根據(jù)日歷選擇近三個(gè)月的任意一天，點(diǎn)擊檢索，便可觀看當(dāng)天錄像。錄像回放界面如圖8所示。

車輛超重統(tǒng)計(jì)模塊也是本系統(tǒng)非常實(shí)用的設(shè)計(jì)，如圖9所示，界面可顯示過(guò)一周、月度或是季度超重違章車輛數(shù)據(jù)，以折線圖顯示。管理人員可將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，了解易超重車輛的類型，超重違章的高峰日期等情況，以制定相對(duì)應(yīng)的策略減少車輛超重現(xiàn)象發(fā)生。

系統(tǒng)設(shè)置界面包括基本設(shè)置和高級(jí)設(shè)置兩個(gè)模塊。用戶可根據(jù)需求對(duì)播放、下載和轉(zhuǎn)碼的格式進(jìn)行設(shè)置。高級(jí)設(shè)置包括信息備份和賬戶設(shè)置，方便系統(tǒng)管理員及時(shí)備份信息和提高系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設(shè)置界面如10圖所示。

4? 結(jié)論

本文結(jié)合動(dòng)態(tài)稱重檢測(cè)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了高架橋路口超重警報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM主處理器和無(wú)線射頻通信方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)往車輛的在線動(dòng)態(tài)稱重和自身數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。本軟件對(duì)車輛動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)，具有操作簡(jiǎn)單，安全性高，能耗低的特點(diǎn)。能夠滿足用戶對(duì)車輛稱重以及管理超重車輛和數(shù)據(jù)處理的需求。但是由于壓電式傳感器的本身具有高阻抗，在低信號(hào)時(shí)，頻率響應(yīng)不高，需要采用電荷放大器來(lái)克服這一缺陷。因此，增加在低頻段輸出環(huán)境中信號(hào)的輸出效率，對(duì)車輛重量進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)是進(jìn)一步研究的目標(biāo)。

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