客車超載檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：超載是客車交通事故發(fā)生的一個(gè)重要因素，為了減少客車超載情況的發(fā)生，采用單片機(jī)、紅外傳感器以及OV7670相機(jī)針對客車超載情況設(shè)計(jì)了一套客車超載檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用紅外傳感器和圖像檢測模塊對乘客的上、下車情況進(jìn)行檢測和判斷并采用STM32F103ZET6微處理器分析處理，OLED顯示屏上顯示客車內(nèi)實(shí)時(shí)人數(shù)。當(dāng)紅外傳感器和圖像檢測模塊檢測到客車內(nèi)人數(shù)超載時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，并對電機(jī)限速；當(dāng)客車內(nèi)人數(shù)低于超載范圍時(shí)，聲光報(bào)警解除，電機(jī)限速解除，客車正常運(yùn)行。系統(tǒng)調(diào)試后，能夠較好地實(shí)現(xiàn)客車超載檢測，對客運(yùn)交通安全起到一定的保障作用。

關(guān)鍵詞：客車；超載；STM32F103ZET6；檢測系統(tǒng)；限速；紅外傳感器；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）03-00-04

0 引 言

公路運(yùn)輸是我國目前主要的運(yùn)輸方式之一，外出打工、回鄉(xiāng)探親、搭團(tuán)旅游的人越來越多，而與此相關(guān)的公路客運(yùn)的運(yùn)力持續(xù)緊缺，導(dǎo)致超員超載現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。一方面，客車超載會(huì)嚴(yán)重影響車輛本身的正常行駛，容易造成安全事故，客車一旦發(fā)生事故，極易發(fā)生群死群傷的特大惡性事故[1]；另一方面，客車超載會(huì)對公路造成很大的影響[2]，客車載重量超過標(biāo)準(zhǔn)載重量的一倍時(shí)，行駛公路1次，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)車輛行駛瀝青路面256次，這會(huì)縮短公路使用壽命，增加公路維護(hù)費(fèi)用。為了減少汽車超載事件的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一款客車超載檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)傳輸、分析、處理，再到輸出控制的完整系統(tǒng)，能夠監(jiān)測客車人數(shù)的變化并通過顯示器及時(shí)反饋數(shù)據(jù)、及時(shí)提醒，以保障車內(nèi)人員安全，防止客車實(shí)載人數(shù)超過限載人數(shù)。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6微處理器作為系統(tǒng)主控單元[3]，總體設(shè)計(jì)可分為4個(gè)模塊，分別是紅外計(jì)數(shù)模塊、圖像采集模塊、顯示器模塊和電源模塊。通過按鍵或程序設(shè)置客載人數(shù)，由紅外傳感器對上車或下車乘客進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且在OLED顯示器上顯示客載人數(shù)和當(dāng)前人數(shù)，檢測到乘客上車時(shí)計(jì)數(shù)增加，檢測到乘客下車時(shí)計(jì)數(shù)減少。電機(jī)啟動(dòng)后攝像頭采集圖像，并且通過圖像檢測模塊檢測人數(shù)[4]，由STM32F103ZET6處理信息，當(dāng)乘客人數(shù)超過設(shè)置好的客車可搭載最大人數(shù)時(shí)[5]，報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)限制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此保障客車始終處于安全狀態(tài)。超載檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體原理如圖2所示。

2.1 主控電路

本超載檢測系統(tǒng)采用STM32F103ZET6微處理器作為主控制器。STM32系列32位微控制器是ARM公司生產(chǎn)的具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核[6]，該內(nèi)核集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、性價(jià)比高等特點(diǎn)于一體[7]，可以配置鏈接多種外設(shè)，具有優(yōu)秀的圖像處理能力。STM32F103ZET6處理器是相應(yīng)系列中較為優(yōu)秀的芯片，能夠滿足客車超載檢測系統(tǒng)的硬件需求，且性能穩(wěn)定、成本較低。

2.2 紅外計(jì)數(shù)模塊

紅外對管有發(fā)射頭和接收頭，通過發(fā)射管將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成紅外光束，接收管檢測到紅外光束將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)[8]。利用乘客對紅外光束的遮擋和反射，從而檢測是否有乘客經(jīng)過。當(dāng)乘客經(jīng)過紅外對管時(shí)，接收器根據(jù)接收到的紅外光束強(qiáng)弱變化，相應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓的變化；電壓信號(hào)經(jīng)過處理和放大，再經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部分析和處理完成計(jì)數(shù)過程[9]。

2.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊采用OV7670相機(jī)進(jìn)行圖像檢測，通過STM32芯片對圖像進(jìn)行處理，并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。OV7670是一款1/6英寸CMOS VGA成像傳感器，由OV（Omni Vision）公司制造。該傳感器具有體積小、工作電壓低等特點(diǎn)，可為VGA單片攝像機(jī)及視頻處理系統(tǒng)提供全部功能[10]。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)[11]。OV影像感測器采用獨(dú)特的感測器技術(shù)，以降低或消除諸如固定圖案噪聲、拖尾、浮散等光學(xué)或電子方面的缺點(diǎn)，可以改善影像品質(zhì)，獲得清晰、穩(wěn)定的彩色影像。

2.4 顯示器模塊

OLED有機(jī)發(fā)光二極管，通過載流子的注入和復(fù)合而發(fā)光，發(fā)光強(qiáng)度與注入電流成正比[12]。收集到的信息經(jīng)單片機(jī)處理給OLED顯示屏，程序處理后會(huì)顯示設(shè)置好的客載人數(shù)和當(dāng)前實(shí)時(shí)人數(shù)。OLED顯示屏可視角度好，在較偏的角度也能看清，不受陽光影響，能耗低。

2.5 電源模塊

電源是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行[13]。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)主要考慮以下兩個(gè)方面：（1）系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性；（2）實(shí)現(xiàn)低成本和高效率。系統(tǒng)采用穩(wěn)定性較高的5 V直流電壓作為輸入電壓；電源模塊使用

5 V外接USB接口，由CN1接入，并提供CN2 5 V電壓，經(jīng)AMS117降壓為3.3 V；同時(shí)用LED燈來顯示電路接通是否正常。當(dāng)LED燈亮起，電路接通正常，降壓成功，提供

5 V電壓給部分器件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，將普通寄存器清零，儲(chǔ)存汽車內(nèi)目前的旅客數(shù)量。一個(gè)單位儲(chǔ)存預(yù)定車廂所能承載的最大旅客數(shù)目，再把儲(chǔ)存在寄存器里的現(xiàn)有旅客數(shù)輸入累積器；根據(jù)比對指令與單位內(nèi)容進(jìn)行比對，判斷目前車廂內(nèi)的人數(shù)是否符合預(yù)定人數(shù)。若目前車內(nèi)的人數(shù)多于最大客載人數(shù)，則會(huì)跳出警報(bào)命令，讓蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。若紅外計(jì)數(shù)的乘客人數(shù)沒有達(dá)到最大客載人數(shù)，進(jìn)行第二次圖像檢測計(jì)數(shù)；當(dāng)達(dá)到設(shè)置的客載人數(shù)時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

3.2 檢測程序設(shè)計(jì)

前后門均有紅外傳感器檢測乘客上車或下車。當(dāng)乘客上車時(shí)，紅外對管感應(yīng)到有人經(jīng)過，系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，并且計(jì)數(shù)增加；當(dāng)乘客下車時(shí)，紅外對管感應(yīng)到有人經(jīng)過，系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)減少。系統(tǒng)紅外計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

攝像頭采集圖像，將采集的圖像數(shù)據(jù)暫存到芯片里；調(diào)用圖像檢測子程序?qū)Ρ葟耐獠繉?dǎo)入的人像數(shù)據(jù)樣本庫，分析相似幅值特征；比對成功時(shí)，獲取成功個(gè)數(shù)并更新當(dāng)前的實(shí)載人數(shù)。圖像檢測模塊流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與測試

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

首先對照電路圖檢查硬件電路，排查電路連接故障，檢查單片機(jī)系統(tǒng)板電路是否正常。燒入程序至STM32F103ZET6微處理器檢查復(fù)位功能和程序燒寫是否正常。其次，調(diào)試紅外計(jì)數(shù)模塊、圖像采集模塊和顯示模塊部分的程序，測試報(bào)警模塊，在程序上設(shè)置客載人數(shù)，慢慢增加客載人數(shù)；當(dāng)實(shí)載人數(shù)達(dá)到客載人數(shù)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，進(jìn)行電機(jī)限速或限制啟動(dòng)；當(dāng)實(shí)載人數(shù)低于客載人數(shù)時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警，電機(jī)限制解除，達(dá)到預(yù)期效果。

4.2 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

對系統(tǒng)的精度進(jìn)行測試，由于小型客車一般人數(shù)不超過9人，在程序上設(shè)置客載數(shù)量為9。對比實(shí)際測量數(shù)和系統(tǒng)顯示在屏幕上的值，得到多組數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試結(jié)果見表1所列。

通過對以上測試數(shù)據(jù)的分析可知，由于客載人數(shù)上限設(shè)置的是9人，當(dāng)客車內(nèi)實(shí)時(shí)人數(shù)超過9人時(shí)，報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)限制電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)客車內(nèi)實(shí)時(shí)人數(shù)小于或等于9人時(shí)，聲光報(bào)警解除，電機(jī)限速解除，客車可以正常運(yùn)行。測試結(jié)果表明，從感應(yīng)到計(jì)數(shù)顯示有一定延遲，誤差都在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的客車超載檢測系統(tǒng)通過STM32F103ZET6微處理器統(tǒng)計(jì)乘客人數(shù)，向顯示模塊發(fā)送信號(hào)，同步在顯示屏上顯示當(dāng)前車內(nèi)人數(shù)。當(dāng)客車人數(shù)超限時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提醒司機(jī)客車已超載，并且根據(jù)電機(jī)狀態(tài)，進(jìn)行電機(jī)限速或限制啟動(dòng)，從而防止客車出現(xiàn)超載的情況。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、人數(shù)檢測精確，有很好的實(shí)現(xiàn)價(jià)值，但仍需針對一些調(diào)試中出現(xiàn)的問題加以解決，并不斷對系統(tǒng)功能進(jìn)行改進(jìn)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具科學(xué)性和高效性。

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作者簡介：馬佳樂（2001—），男，陜西咸陽人，本科，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ?、檢測與控制裝置。

楊延寧（1969—），男，陜西延安人，博士，教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。