基于STM32的高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)

梁益彰 肖廣兵

摘 要：本文設(shè)計了一套基于STM32的高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)，由供電模塊、STM32主處理器模塊、動態(tài)稱重模塊、監(jiān)測識別模塊、無線通訊模塊、上位機(jī)管理系統(tǒng)等組成。針對目前傳統(tǒng)的超重監(jiān)測設(shè)備檢測速度慢、準(zhǔn)確度低等問題，系統(tǒng)通過硬件設(shè)備在汽車不停車的情況下監(jiān)測汽車重量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，在超載行為成立后，對司機(jī)做出相應(yīng)處罰，避免由于測重引起的收費站道路擁堵，提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 高速公路超載; STM32; 動態(tài)稱重

文章編號： 2095-2163（2021）03-0158-06 中圖分類號： U495 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

【Abstract】This paper designs a set of highway overweight monitoring system based on STM32， which is composed of power supply module， STM32 main processor module， dynamic weighing module， monitoring recognition module， wireless communication module， host computer management system， etc. Aiming at the problems of slow detection speed and low accuracy of current traditional overweight monitoring equipment，the system monitors the weight of the car through hardware equipment when the car is not parked， processes the data ， and after determining the overload behavior ， the driver will be punished accordingly. Therefore road congestion at toll stations could be avoided caused by weight measurement and the accuracy of monitoring results could be improved.

【Key words】 highway overload; STM32; dynamic weighing

0 引 言

隨著國內(nèi)交通運輸事業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)動車輛運輸市場也已展露蓬勃活力，呈現(xiàn)出利好景象，但仍需指出的是，與此同時的車輛超載則成為普遍現(xiàn)象。調(diào)研可知，超重10%的貨車對高速公路的破壞會增加約40%[1]，產(chǎn)生額外路面維修經(jīng)費，嚴(yán)重時會造成道路或橋梁斷裂甚至坍塌，造成人民生命、財產(chǎn)的重大損失。陳廣華等人[2]利用粘貼式應(yīng)變傳感器實現(xiàn)車輛載重的動態(tài)全程監(jiān)測，并將超載信息以短消息的形式發(fā)送給有關(guān)部門，安裝方便，檢測精度高，但由于需要在汽車鋼板彈簧上安裝傳感器，因此檢測覆蓋面有限。溫福軍等人[3]通過監(jiān)測傳動軸輸出扭矩可以檢測出貨車載重量，但加載質(zhì)量與系統(tǒng)讀數(shù)存在一定相對誤差，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。趙楚亞等人[4]對于高速公路入口治超的研究，雖然一定程度上完善了治理高速公路超重的覆蓋面，但依然存在收費站入口擁堵，司機(jī)使用拖磅、跳磅的作弊手段等問題。

基于此，本文研發(fā)設(shè)計了基于STM32的高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)，在盡可能不停車的情況下，通過硬件系統(tǒng)識別出車輛信息并測量出車輛實時載重量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將超載信息反饋給現(xiàn)場交警工作人員，對車輛做進(jìn)一步的檢測或依法對駕駛員做出相應(yīng)的處罰。相對于傳統(tǒng)的超載監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，自動報警，降低人力物力消耗，提高處理效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。由圖1可知，高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)由上位機(jī)管理系統(tǒng)、供電模塊、信息處理模塊、監(jiān)控識別模塊、動態(tài)稱重模塊以及無線通訊模塊組成。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)在高速公路收費站對汽車重量進(jìn)行不停車檢測。汽車在經(jīng)過稱重設(shè)備時，檢測出汽車的實時重量，同時攝像頭識別汽車牌照，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，判別車輛是否超載，假如汽車超載，則將超載信息發(fā)送至現(xiàn)場交警工作人員，對駕駛員進(jìn)行進(jìn)一步處理。管理人員通過上位機(jī)管理系統(tǒng)實現(xiàn)對硬件設(shè)備運行狀態(tài)的管理，也可以查看通過監(jiān)測設(shè)備車輛歷史數(shù)據(jù)，方便分析原因，制定相關(guān)政策法規(guī)。

2 硬件電路設(shè)計

基于STM32的高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)的硬件電路主要包括：供電模塊、處理器模塊、無線通信模塊、動態(tài)稱重模塊、監(jiān)控識別模塊等。系統(tǒng)以STM32處理器為核心，使用基于PVDF的新型壓電薄膜傳感器進(jìn)行動態(tài)測重，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)，自動報警，及時對超載車輛進(jìn)行處理。對此擬做研究分述如下。

2.1 供電模塊

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能因為其普遍性和無害性，在人類使用的可再生能源中占據(jù)重要的地位，符合可持續(xù)發(fā)展要求[5]。供電模塊以太陽光作為超重監(jiān)測硬件設(shè)備主要能量來源，其設(shè)計電路如圖2所示。由圖2可知，為了保證STM32F103ZET6處理器的穩(wěn)定運行，采用LM1117-3.3 V穩(wěn)壓芯片控制電源進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)[6]，控制輸出電壓為3.3 V。在鋰電池的輸入端并聯(lián)2個電容，容量為0.2 μV和10 μV，可以濾除高頻干擾信號。在供電模塊的電路輸出端添加了2個去耦電容，使得系統(tǒng)運行時電流平緩，避免功耗變化對電路電流造成影響。供電模塊電路結(jié)構(gòu)簡單安全，輸出電壓穩(wěn)定，可以滿足系統(tǒng)工作需求。

2.2 處理器模塊

本系統(tǒng)的核心硬件在于STM32處理器，通過處理器對汽車信息及汽車實時重量分析處理，實現(xiàn)高速公路收費站汽車動態(tài)測重，快速通行。

STM32嵌入式單片機(jī)，擁有高性能處理器內(nèi)核，計算能力可達(dá)1.25 DMips/MHz，在最高工作頻率時，消耗能量僅有0.5 mA/MHz[7]。STM32處理器電路如圖3所示。由圖3可知，處理器模塊采用STM32F103ZET6型號單片機(jī)[8]，屬于增強(qiáng)型系列，在同種類型產(chǎn)品中，該處理器性能較高，含有144個引腳，片上集成512 KB的Flash存儲器，采用LQFP封裝，工作溫度范圍-40 ℃～85 ℃。擁有一流的外設(shè)和最大的集成度，多達(dá)13個通信接口，可以有效控制外部設(shè)備。處理器功耗低，性能強(qiáng)大，可以進(jìn)行測重數(shù)據(jù)的快速處理分析，實現(xiàn)汽車在高速公路收費站的動態(tài)測重。

2.3 無線通信模塊

通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）是建立在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上的無線分組交換技術(shù)。適用于間斷的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、自如切換的優(yōu)點[9]。無線通信模塊設(shè)計電路如圖4所示。由圖4可知，無線通信模塊選用SIEMENS公司的MC55[10]，配備GSM/GPRS全套語音及數(shù)據(jù)封裝功能，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)及信令，對網(wǎng)絡(luò)資源和無線資源的利用進(jìn)行優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)接入速度快，實現(xiàn)了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。分組業(yè)務(wù)信道可采用4種不同的編碼方式，當(dāng)編碼方式為CS-4時，并且無線環(huán)境良好，信道充足的條件下，GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到其理論最高速率171.2 kbps，滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。

2.4 動態(tài)稱重模塊

聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride，PVDF）是一種高分子壓電材料， 具有耐腐蝕、抗沖擊性能強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、介電常數(shù)高等多種優(yōu)點，所以能夠作為一種理想的傳感器材料[11]。動態(tài)稱重模塊設(shè)計電路如圖5所示。由圖5可知，動態(tài)稱重模塊采用了基于PVDF的新型壓電薄膜傳感器[12]，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，精度高，準(zhǔn)確性好，和現(xiàn)有的道路壓電傳感器不同，無需埋設(shè)在道路結(jié)構(gòu)中，根據(jù)收費站實際情況及測試數(shù)據(jù)，將多個傳感器并聯(lián)后安裝在道路表面，避免路面開挖，降低維護(hù)成本，高剛度扁平結(jié)構(gòu)，對道路結(jié)構(gòu)破壞極小。

2.5 監(jiān)測識別模塊

車輛信息匹配以智能攝像頭為設(shè)備基礎(chǔ)，通過識別汽車牌照，將車輛數(shù)據(jù)通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)管理系統(tǒng)，方便管理人員查看及管理。

監(jiān)測識別模塊設(shè)計電路如圖6所示。由圖6可知，本系統(tǒng)選用ON Semiconductor公司生產(chǎn)的MT9M001 CMOS數(shù)字圖像傳感器作為監(jiān)測識別模塊[13]，光學(xué)格式為1/2英寸，工作電壓3.3 V，總像素數(shù)130 W，支持輸出SXGA、VGA、QVGA、CIE、QCIE等大小的圖像，默認(rèn)以30 fps/s的速度輸出SXGA大小的圖像，具有低噪聲、低成本、成像質(zhì)量高的優(yōu)勢。為了方便模塊的使用[14]，在電路設(shè)計時將輸出使能引腳OE#連接一個4.7 K的電阻接地（低電平有效），重置引腳RESET#連接一個4.7 K的電阻接到3.3 V電源（高電平有效），使其處于一直使能狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)管理系統(tǒng)選用 Visual Basic 6.0軟件開發(fā)設(shè)計，搭建高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)的界面。

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖7所示。由圖7分析可知，軟件的核心在于超重監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到車輛實際載重超過系統(tǒng)設(shè)定值時，即將超載信息發(fā)送給現(xiàn)場交警工作人員，對駕駛員做出相應(yīng)處罰。軟件設(shè)置用戶權(quán)限，普通用戶僅有超重監(jiān)測界面及高速公路數(shù)據(jù)信息的查看權(quán)，管理員享有手動更改限重數(shù)據(jù)、查看實時監(jiān)控以及界面設(shè)置的權(quán)利。

3.1 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)主界面如圖8所示。由圖8可以看到，系統(tǒng)主界面由超重監(jiān)測、高速公路數(shù)據(jù)、監(jiān)測設(shè)備管理、個性化設(shè)置、問題反饋五個部分組成，分別實現(xiàn)汽車重量監(jiān)測、查詢及修改高速公路數(shù)據(jù)、監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)查詢、軟件界面調(diào)整和軟件使用問題反饋，左上角顯示此時的日期及時間。

3.2 超重監(jiān)測設(shè)計

超重監(jiān)測界面如圖9所示。由圖9可以看到，超重監(jiān)測界面可顯示當(dāng)前經(jīng)過監(jiān)測設(shè)備的車輛信息，檢測后與預(yù)設(shè)限重比較，一旦確定超載，可自動發(fā)送超載信息至現(xiàn)場交警工作人員，使用者也可使用一鍵報警功能發(fā)送超載信息，對駕駛員做出相應(yīng)處罰。

天氣界面如圖10所示。由圖10可以看到當(dāng)前天氣、溫度、濕度、降水量、風(fēng)向、風(fēng)力等實時天氣數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象部門信息，及時進(jìn)行災(zāi)害天氣預(yù)警，避免發(fā)生交通事故。

3.3 高速公路數(shù)據(jù)設(shè)計

高速公路數(shù)據(jù)界面如圖11所示。由圖11可以看到，通過確定省、市查詢高速公路限高、限重、全長及出入口數(shù)等信息，也可在搜索框中搜索具體的高速公路名稱查詢，方便使用者了解高速公路信息，這里以滬寧高速為例。

點擊添加高速公路，如圖12所示。由圖12可知，點擊后可以在現(xiàn)有地圖上添加新建成或原來沒有標(biāo)注的高速公路，對其進(jìn)行命名、添加出入口等相關(guān)操作，方便管理人員進(jìn)行及時的數(shù)據(jù)更新。

3.4 輔助功能設(shè)計

監(jiān)測設(shè)備管理界面，如圖13所示。由圖13可知，在左上角顯示當(dāng)前日期及時間，可以查看監(jiān)測道路的實時視頻監(jiān)控及實時測量重量，時刻查看監(jiān)測設(shè)備的運行狀況及網(wǎng)絡(luò)連接狀況，并且可以根據(jù)需要對系統(tǒng)內(nèi)高速公路的限重做出相應(yīng)調(diào)整，方便管理員對于設(shè)備運行進(jìn)行管理和及時的維修。

點擊歷史數(shù)據(jù)，如圖14所示。由圖14可知，當(dāng)選定年份、月份及日期后可以查詢具體每輛車的測重數(shù)據(jù)，還可以通過系統(tǒng)記錄統(tǒng)計出每日高速公路往來車流量，使管理員快速了解高速公路車輛的超載情況及收費站的擁堵情況，做出相應(yīng)決策。

4 結(jié)束語

本文以STM32為核心處理器，設(shè)計了一套高速公路汽車超重監(jiān)測系統(tǒng)，通過基于PVDF的新型壓電薄膜傳感器進(jìn)行測重，將信息發(fā)送至上位機(jī)，經(jīng)過信息處理，實現(xiàn)汽車在高速公路收費站的不停車測重，避免因測重導(dǎo)致的收費站擁堵，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，可以在應(yīng)用中實踐。

參考文獻(xiàn)

[1] ????周冰，魏文科. 公路超載行為的體制原因及其治理[J]. 山東大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2013（1）：141-147.

[2] 陳廣華，鞠娜，楊飛，等. 基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2011，37（4）：409-414.

[3] 溫福軍，趙新，郭嘉明，等. 基于傳動軸應(yīng)變的貨車載質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機(jī)床與液壓，2015，43（14）：162-165.

[4] 趙楚亞，張勇，任楠. 淺析河南高速公路入口治超[J]. 計量與測試技術(shù)，2019，46（5）：68-69.

[5] 樊汝森，謝方明，鐘振東，等. 太陽能供電系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J]. 電源技術(shù)，2017，41（6）：874-877.

[6] ?姚新和. 基于STM32的水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2019.

[7] ZHANG Huifu， KANGWei. Design of thedata acquisition system based on STM32[J]. Procedia Computer Science，2013，17：222-228.

[8] 丁承君，李宗奎，朱雪宏，等. 基于GPRS的智能彎箍機(jī)檢測控制系統(tǒng)開發(fā)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（5）：159-162.

[9] 楊磊. GPRS核心網(wǎng)向3G演進(jìn)[C]//中國通信學(xué)會無線及移動通信委員會、IP應(yīng)用與增強(qiáng)電信技術(shù)委員會2007年度聯(lián)合學(xué)術(shù)年會. 烏魯木齊：中國通信學(xué)會，2007：1-6.

[10]劉會濤. ?基于GPRS的橋梁檢測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸管理系統(tǒng)[D]. 西安：長安大學(xué)，2014.

[11]陶秀，劉禮勇，陶圣. 基于壓電薄膜的車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理[J]. 交通信息與安全，2011，29（2）：130-132.

[12]褚祥誠，徐亞楠，袁松梅，等. 基于PVDF的新型高速公路壓電動態(tài)稱重傳感器[J]. 振動，測試與診斷，2013，33（3）：351-356，521.

[13]ON Semiconductor. MT9M001：1/2-inch megapixel digital image sensor features[D]. USA：Micron Tehnology， Inc.， 2015.

[14]許曉. 嵌入式智能工業(yè)相機(jī)的研究與實現(xiàn)[D]. 煙臺：煙臺大學(xué)，2019.