超重車輛檢測和預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：為應(yīng)對超重車輛導(dǎo)致橋梁垮塌頻發(fā)的問題，設(shè)計一種新型超重車輛檢測和預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為主控芯片、稱重傳感器、MCP3911芯片作為檢測元件，并采用HC-SR04超聲波測距模塊、攝像頭等模塊實現(xiàn)新型超重車輛通過橋梁時的預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)車輛行駛至鋪設(shè)有地感線圈的路面時，傳感器開始感受到壓力的變化，隨著車輛前輪和后輪依次駛離地感線圈，傳感器將動態(tài)采集到的車重實時信號通過具有高共模抑制比的電橋電路放大，并通過信號濾波處理電路進行分析處理；同時攝像頭會實時抓拍，最后將采集到的圖片通過阿里云搭建的FTP服務(wù)器進行存儲。經(jīng)實驗測試，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地測量行駛中的車輛重量，并及時預(yù)警。該系統(tǒng)具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單、實時預(yù)警的特點。

關(guān)鍵詞：超重車輛檢測；實時預(yù)警；地感線圈；壓力傳感器；FTP服務(wù)器；超聲波測距

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善，道路橋梁等基建工程得到了較為完備的發(fā)展，道路里程迅速增長，橋梁數(shù)目大大增加，隨之而來的還有橋梁的安全性問題。由于車輛超載、超重和橋梁本身的自然老化等因素的影響，橋梁的安全隱患增大。橋梁的安全風(fēng)險問題越來越受到人們的重視，現(xiàn)今迫切需要建立一種方便合理的安全風(fēng)險預(yù)測、評估和保障機制，以提高橋梁的抗風(fēng)險能力，保證橋梁在運營期間的安全。在眾多對橋梁安全的威脅因素中，超重車輛過橋無疑是較為嚴(yán)重的問題之一[1-3]。交通部門往往會在車輛通過橋梁時給出明顯的限重提示，但是由于司機的疏忽大意，安全意識不足，以及受到光線反射等因素的影響，常常會將超重車輛駛?cè)霕蛎妫瑩p害橋梁壽命，甚至存在釀成一場不必要的事故的風(fēng)險[4-5]。在傳統(tǒng)的車重測量系統(tǒng)中，需要將車輛測重儀器放置在平整路面上[6]，在儀表上設(shè)置好參數(shù)之后再讓車輛緩慢通過，最后得到車重[7]。這種傳統(tǒng)檢測方式效率低下，費時費力，會大大降低車輛通行的速度，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致交通擁堵，造成不良影響。針對傳統(tǒng)檢測方式效率低下、易造成擁堵等缺點，亟需一種能夠動態(tài)測量超重車輛并預(yù)警的車輛重量檢測系統(tǒng)。

為此本文設(shè)計出一款車輛重量動態(tài)檢測系統(tǒng)，在車輛行駛過程中就可以對其重量進行檢測，免去停車的過程；在測量出車輛超重之后，系統(tǒng)會啟動攝像頭對違法車輛進行抓拍，獲取超重車輛的信息，并且在橋梁上方LED顯示屏上顯示“已超重”字樣對超重車輛進行提醒。如若車輛不停車?yán)^續(xù)駛?cè)霕蛄郝范?，系統(tǒng)會將所拍的違法車輛信息上傳，存儲至系統(tǒng)后臺供管理人查閱，為交通管理部門執(zhí)法提供證據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)由電源模塊、若干位于不同位置的車重檢測模塊、頂部攝像頭以及顯示模塊、單片機模塊等四部分組成。電源部分將外部220 V交流電處理成各個模塊和電路板所需要的電源，分別保證各模塊正常工作；稱臺、信號調(diào)理、ADC以及單片機構(gòu)成系統(tǒng)的車重檢測模塊；秤臺上的壓力傳感器能將車重所產(chǎn)生的電壓信號調(diào)理成適合ADC檢測的模擬電壓，單片機部分根據(jù)ADC測得的電壓大小，理論上可以測得車的重量。系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

2.1 稱重傳感器的分類與選擇

目前國內(nèi)外的動態(tài)稱重系統(tǒng)常用的稱重傳感器主要有三類，分別是壓阻式傳感器、壓電式傳感器、應(yīng)變式傳感器。三種傳感器的優(yōu)缺點見表1所列。其中應(yīng)變式傳感器是基于應(yīng)變效應(yīng)工作的，應(yīng)變式傳感器可以把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，應(yīng)變片的材質(zhì)一般是金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，阻值隨力的變化而變化。綜合來看，更適合采用電阻式應(yīng)變傳感器。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器主要由三部分組成：彈性體、電阻應(yīng)變片、測量電路。當(dāng)傳感器沒有受到外界壓力時，傳感器內(nèi)部的彈性體不發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片由于是粘貼于彈性體表面，所以同樣不發(fā)生形變，此時電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零；當(dāng)傳感器受到外力的作用時，傳感器內(nèi)部的彈性體將會發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片也會發(fā)生形變，其阻值相應(yīng)改變，單橋不平衡，輸出電壓不為零，也就實現(xiàn)了將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出的過程。在眾多傳感器中，更推薦使用窄條式彎板稱重傳感器，此傳感器具有防護等級高、容錯率高的特點，同時具有高強度純受彎板結(jié)構(gòu)，傳感器厚度低于55 mm，具有IP68級防水，對于具有動態(tài)響應(yīng)特性的可測車速高達165 km/h。耐熱性、耐寒性較強，受季節(jié)影響較小。在路面鋪設(shè)時，可用于交通流量軸載調(diào)查、車輛超重預(yù)警、貨場物料稱重等；在橋面鋪設(shè)時，可以用于車輛超重預(yù)警[8-9]。窄條式彎板稱重傳感器采取集點非線性分布支撐[10]，變截面受彎板梯度應(yīng)變感應(yīng)方式[11]，通過同相應(yīng)變的差值獲取輪重數(shù)據(jù)。

2.2 單片機的選擇

系統(tǒng)主控芯片為ST公司生產(chǎn)的32位且自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器STM32F103RCT6單片機[12-13]。STM32F103RCT6內(nèi)部包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）、定時器（TIMER）、串行通信接口（USART）、串行外設(shè)接口（SPI）、串行總線接口（I2C）。

STM32F103RCT6具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計時器、PWM計時器、標(biāo)準(zhǔn)和高級通信接口，全面的省電模式允許設(shè)計者設(shè)計低功率應(yīng)用。運行電壓范圍為2～3.6 V。

支持CAN、USB和Ethernet等多種通信協(xié)議。此外，STM32F103RCT6芯片集成了多個外設(shè)接口，接口資源豐富。該芯片具有512 KB閃存和64 KB SRAM以及多種保護機制，例如CRC校驗、獨立看門狗和低功耗模式等，可以幫助開發(fā)者提高系統(tǒng)可靠性和安全性。

除此之外，STM32F103RCT6也提供了豐富的開發(fā)工具和軟件庫。例如Keil MDK、IAR Embedded Workbench和STMCubeMX等常用的開發(fā)軟件，方便開發(fā)者進行系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試，對開發(fā)者十分友好。

由于眾多優(yōu)點，STM32F103RCT6在工業(yè)自動化、嵌入式系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、智能家居等等領(lǐng)域中獲得了廣泛、深入的應(yīng)用。

將秤臺上讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路進行處理后，單片機兩個ADC信號通道接收處理后的測量信號，完成對這兩路信號的采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換；采用無線通信的4G模塊通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，而遠程客戶端下發(fā)的指令進行接收并完成解析操作，做出相應(yīng)的響應(yīng)；LCD液晶顯示屏實時顯示處理得到的數(shù)據(jù)，并做出相應(yīng)的警示或正常響應(yīng)顯示。此外，單片機內(nèi)部還結(jié)合了高性能的RISC內(nèi)核，運行頻率可達72 MHz，并內(nèi)嵌了高速存儲器[14]，掉電后數(shù)據(jù)仍能保持不變。

2.3 攝像頭的選擇

圖像采集設(shè)備采用海康威視的DS-2DC4223IW-D/GLT（D），該設(shè)備與普通攝像頭相比具有顯著優(yōu)勢[15]，其本身集成了4G模塊和網(wǎng)線端口，并且還提供了上位機軟件。按照系統(tǒng)要求，當(dāng)稱重傳感器測得車輛超重時，攝像頭啟動抓拍，并將抓拍到的圖片通過FTP的方式，上傳到利用阿里云搭建的FTP服務(wù)器上進行存儲，圖片的名稱可以統(tǒng)一命名為“時間+重量”。通過開發(fā)PC端的軟件，實現(xiàn)對FTP服務(wù)器的定期訪問，將云端的照片存入本地。FTP是一種處于應(yīng)用層的用于文件傳輸?shù)膮f(xié)議，與眾不同的是FTP使用2個端口：1個數(shù)據(jù)端口和1個命令端口（也可叫做控制端口）。FTP協(xié)議包括兩個組成部分：其一為FTP服務(wù)器；其二為FTP客戶端，實現(xiàn)文件共享服務(wù)。FTP服務(wù)FTP協(xié)議訪問位于FTP服務(wù)器上的資源，并將文件下載到本地，服務(wù)器也可允許客戶端將本地文件上傳到服務(wù)器。由于FTP傳輸效率非常高，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸大的文件時，一般也采用該協(xié)議。因此利用該協(xié)議，完成4G攝像頭采集的圖片的傳輸。同時FTP云服務(wù)器的搭建也會提供一個公網(wǎng)IP，解決了公網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)之間的訪問問題。

2.4 超聲波測速模塊

載重車輛在橋梁道路上行駛運動過程中，車輛速度是一個相當(dāng)重要的指標(biāo)，也是交通信息采集系統(tǒng)檢測的主要動態(tài)參數(shù)之一。超聲波測速模塊是實現(xiàn)行駛車輛速度測量的關(guān)鍵模塊，本系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波測距模塊。該模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，利用發(fā)射和接收的時間差再加上回傳距離即可求出車速。

超聲波測距原理如圖2所示。超聲波測速是每隔一段相等時間，發(fā)出一超聲脈沖信號，接著再每隔一段時間接收到經(jīng)汽車反射回的該超聲脈沖信號。若車輛勻速行駛，則間隔時間相同，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號間的時間間隔差和聲速，測出被測汽車的速度。HC-SR04測速基本工作原理：首先，使用單片機的一個引腳發(fā)送一個至少10 μs高電平的TTL脈沖信號到模塊的Trig引腳，用于觸發(fā)模塊工作。其次，模塊檢測到觸發(fā)信號之后，會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，然后自動切換至監(jiān)測模式，監(jiān)測是否有信號返回（超聲波信號遇障礙物會返回）。如果有信號返回，通過模塊的Echo引腳會輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。因為聲音在空氣中的速度為340 m/s，即可計算出所測的距離。最后，再利用采集到發(fā)射和接收的時間差，通過速度的定義公式將車輛行駛速度計算出來。

超重車輛檢測的原理如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以Visio Studio2016為集成開發(fā)環(huán)境，以C#為開發(fā)語言，并結(jié)合SQL server數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)，將照片信息、拍攝時間、車輛速度等信息進行持久化存儲以供查閱。當(dāng)測到車輛動態(tài)重量之后，系統(tǒng)根據(jù)車速對車重進行補償，當(dāng)判定為系統(tǒng)超重時，LED顯示屏?xí)@示 “已超重”并對違規(guī)車輛信息進行抓拍記錄。軟件的整體流程如圖4所示。軟件整體界面如圖5所示。

4 實驗結(jié)果與分析

由于實際布設(shè)完整系統(tǒng)的花費太大，在沒有項目需求的情況下難以完成，因此本文著重對于一些關(guān)鍵模塊和設(shè)計進行了測試和分析，借此分析和測評整個系統(tǒng)設(shè)計的合理性和正確性。

4.1 報警模塊測試

當(dāng)系統(tǒng)檢測到車輛超重，報警模塊需要進行聲光報警并且抓拍圖片。目前單片機模塊的時鐘為50 MHz，由于整個系統(tǒng)代碼并不復(fù)雜，理論上微處理器可以在幾十微秒內(nèi)完成對超重車輛的判斷。當(dāng)車輛的行駛速度在5～100 km/h這個區(qū)間時，攝像頭可以在10 ms內(nèi)完成拍照，而此時車輛的位移為1.38×10-5～2.77×10-4 m，可以認為車輛基本不動。因此聲光報警可以被司機察覺，且具有自動調(diào)焦功能的攝像頭可以完成拍照操作。

4.2 超重檢測模塊的測試和分析

傳統(tǒng)動態(tài)稱重系統(tǒng)主要由稱臺（壓力變送器）、運放、ADC和單片機等部分構(gòu)成。相較于靜態(tài)稱重系統(tǒng)，動態(tài)稱重系統(tǒng)對ADC和單片機部分的要求較高，要求系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地測得稱臺輸出的電壓信號。由于車輛一直運動，導(dǎo)致車輛給稱臺的壓力也在隨時間變化。采用高精度ADC、MCP3911配合STM32完成檢測。實驗發(fā)現(xiàn)該ADC檢測部分能對±0.6 V范圍內(nèi)的電壓進行分辨率優(yōu)于15位的模數(shù)轉(zhuǎn)換，且轉(zhuǎn)換速度達20 kHz以上，即在1 ms內(nèi)就有20個有效檢測結(jié)果，因此當(dāng)車輛通過稱臺時可以獲得多組測量結(jié)果來分析是否超重。實際上需要將稱臺的輸出電壓調(diào)理到±0.6 V范圍內(nèi)。模擬稱重及誤差數(shù)據(jù)見表2所列。

4.3 車輛抓拍模塊測試

車輛抓拍系統(tǒng)包括攝像機、4G通信模塊、FTP服務(wù)器以及管理中心的軟件等。當(dāng)稱重系統(tǒng)檢測到超重時，通知抓拍系統(tǒng)工作。實驗發(fā)現(xiàn)，采用的攝像頭能在1 ms內(nèi)響應(yīng)STM32的抓拍指令并完成拍照，能夠獲得清晰度滿足要求的車輛照片，攝像頭自帶的緩存和圖片格式轉(zhuǎn)換功能，能根據(jù)預(yù)先配置將圖片上傳至指定的FTP服務(wù)。傳輸一張完整圖片的耗時可能因為4G速度變化而變化，但是實驗發(fā)現(xiàn)通常能在1 ms內(nèi)完成傳輸，而且相應(yīng)的軟件配置支持?jǐn)帱c續(xù)傳，圖片發(fā)送完成后該圖片在緩存中刪除。圖片將在FTP服務(wù)器上長期保存，管理部門登錄該服務(wù)器可以隨時下載查看或刪除圖片?？傊?，該部分的性能滿足使用要求。

5 結(jié) 語

在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益完善的今天，道路橋梁工程的建設(shè)也日益完備，橋梁路段增多，橋梁安全事故發(fā)生的風(fēng)險也隨之增加，因此橋梁安全越來越受重視。超重車輛通過橋梁會對橋梁造成很大損害，車輛超重是影響橋梁安全最重要的因素之一。傳統(tǒng)檢測方式落后、檢測效率低下，往往會造成交通擁堵。為此本文設(shè)計了一種新型超重車輛通過橋梁預(yù)警系統(tǒng)，對于超重車輛過橋起到一定的警示作用，有利于減少事故的發(fā)生。

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作者簡介：趙 寧（1981—），男，工程碩士，正高級工程師，研究方向為公路建設(shè)與養(yǎng)護。

葛富元，男，本科生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。

屈八一，男，副教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。

收稿日期：2023-04-23 修回日期：2023-05-22

基金項目：國家自然科學(xué)基金（11873039，1177302）；陜西省自然科學(xué)基金（2019JM-80）；長安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助（300102240107）；長安大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（2019710082）