高架橋路口超重警報系統的設計

姜根堂 孫林峰 肖廣兵

摘? 要： 高架橋路口超重警報系統以STM32單片機為主控芯片，結合壓電石英晶體傳感器和無線射頻數據傳輸技術，可在車輛快速移動的車道上測量車輛的載荷、軸間距、車輪數等數據。壓電石英傳感器通過NRF905無線收發模塊將檢測到的數據傳送至STM32F103C8T6微處理器，經處理的數據會及時有效的傳至上位機軟件供道路管理人員查看，從而達到對車輛超重監控和減少事故發生概率的目的。

關鍵詞： 車輛稱重;STM32;射頻技術;無線傳感網絡;實時監測

中圖分類號： TP39? ? 文獻標識碼： 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系統的設計[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，隨之而來的問題是車輛超載超重現象層出不窮，因超載超重引發的事故時有發生。車輛超限不但會導致路面損壞加重，損害公路橋梁設施，還會嚴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，車輛的各零部件會產生變形，操縱的穩定性也會下降，因此行駛的安全性也得不到保證。所以，車輛超限現象需要被及時發現處理，使車輛的載重量在安全標準之下。然而目前現有的道路稱重系統普遍位于高速路口收費站，在大型橋梁，高架橋等橋梁設施中均沒有稱重系統，忽視了超限超重對橋梁，高架的影響[1]。

在對稱重系統傳感器的選擇當中，陳楠[2]提出了一種GPRS和Internet網絡的光纖傳感器道路稱重系統。傳感器通過光通量的變化計算當前壓力大小，從而可以對來往的車輛進行動態稱重。但是GPRS網絡在數據傳輸時容易造成丟包現象，不能及時傳輸有效數據且這種稱重系統需要的光纖為特殊光纖，成本較高不適合大規模的鋪設。閆曉磊[3]設計了一種基于電阻應變橋式的稱重系統，該系統功能完善，并且電阻組成簡單，測量精度高，但是應變式電阻應變片在長期使用下易產生變形，受電磁影響較大。

本文設計了一種基于STM32單片機的壓電石英傳感器高架橋路口超重警報系統，可以對即將上橋或高架的車輛重量數據進行及時收集，系統結合監控系統自動識別來往車輛的車牌號，并讀取車輛載額定荷重量等相關信息，判別車輛是否超重。該系統使用STM32處理器結合無線數據傳輸技術，通過石英晶體諧振式傳感器的壓電效應完成對經過車輛重量的監測，具有抗干擾能力強，穩定性好，動態響應高的特點[4]。

1? 系統設計

高架橋路口超重警報系統包括數據采集部分，數據傳輸部分和上位機軟件管理系統組成，是一個具有較高自動化水平的智能稱重系統。系統結構圖如圖1所示。

其中數據采集是利用石英晶體具有壓電效應的激勵特性，當晶體受到某方向固定的壓力時，晶體內部就會產生電極化現象，產生電荷[5]。同時數據通過紅外線傳輸將采集到的信號發送到數據處理系統，由處理器進行分析，決策，把監控結果上傳至上位機管理系統。系統通過車牌識別技術調取車輛相關載重標準后，將當前車輛的載重量和其系統信息在允許誤差范圍內進行比對，一旦車輛超重，上位機蜂鳴警報器就會啟動，將消息及時發送給道路監察人員，達到對車輛超重監控和預防事故發生的目的。

2? 硬件電路設計

本系統的硬件系統包括基于ARMCortex-M3的控制模塊、無線通信模塊和稱重傳感器模塊。

2.1? 傳感器模塊設計

系統采用單芯片控制方案，根據系統特性和功能需求，選擇的是意法半導體公司開發的STM32F103C8T6微控制器[6]。它是一款基于ARMCortex-M3的32位處理器內核的嵌入式芯片，工作頻率為72 MHz，該芯片擁有64K字節閃存和64K字節的SARM，電源模塊內嵌帶校準的40 KHz的RC振蕩器和最大可達16 MHz的晶振。該處理器具有豐富的片上資源，大大降低了系統成本。片上集成了高速存儲器，通過兩條APB總線連接112個增強的I/O端口和外設。

ARMCortex-M3采用ARMv7-M架構，集低功耗、低成本、高性能于一體。其內部指令和總線采用分開設計模式，流水線選擇了三級流水線，增加了分支預測功能。指令集包含了所有16位指令集和32位Thumb-2指令集架構。支持多達240條外部中斷輸入的嵌套向量中斷控制器具備先進的處理能力，在數據處理上更加快速精準。相比較ARM7的7種工作模式，Cortex-M3只有線程和處理兩種模式，使用戶上手更簡單方便。

系統控制模塊分析和處理傳感器傳輸的車輛重量和溫濕度數據。STM32F103C8T6系統電路圖2如圖所示。

2.2? 無線通信模塊設計

無線通信模塊采用基于射頻技術的近距離無線數據傳輸技術。射頻的通信方式有藍牙（Bluetooth）技術、ZigBee技術、Home RF等技術，其中藍牙、Home RF技術成本過高，ZigBee應用的距離過短，以上幾種方法均不適合無線稱重的數據傳輸。無線射頻技術具有數據存儲量大、壽命長安全性高等優點，目前廣泛用于制造、物流、交通、零售等行業[7-9]。本文以NRF905芯片為收發芯片，結合STM32單片機實現數據的傳輸、數據分析與處理。NRF905是Nordic公司推出的單片無線收發芯片。它的工作頻率在433 Hz、868 Hz、915 MHz三個ISM（工業、科學和醫學）頻段，采用高效的GFSK調制，集成了頻率合成器、接收解調器、功率放大器等功能，最高工作速率50 kbps，可在最遠300 m處實現通信。NRF905采用32引腳，5 mm QFN封裝技術，融合了ShockBurstTM技術，可自動處理數據包字頭數據，內置8、16位CRC檢錯和點對點通信控制，保證數據可靠傳輸，具有低能耗、低電流、傳輸距離遠等優點，搭配較少的外圍器件就可設計強大的無線通信系統，非常適合中短距離數據傳輸的稱重設備[10-12]。NRF905電路圖如圖3所示。

2.3? 傳感器模塊設計

系統采用壓電石英傳感器，啟動時控制系統初始化數據并判別本次啟動是否為首次啟動，若為首次啟動會初始化系統參數，不是首次啟動系統會加載已存儲的數據。數據采集過程中會將已采集到的車輛重量通過射頻技術傳至上位機，顯示在軟件界面，供道路管理人員參考[13]。數據采集完成后，若沒有得到終止命令，則又跳轉至數據采集階段，繼續下一輪的循環。傳感器工作原理流程圖如圖4所示。

3? 系統軟件設計

本軟件采用微軟開發的Visual Basic 6.0編程設計軟件，基于Windows操作系統的可視化編程，可在Windows7，Windows10系統上平穩運行。用戶登錄流程圖如圖5所示，軟件打開后，用戶需輸入賬號密碼，登錄成功后，主程序開始運行，初始化設備，讀取設備預存參數，并進行系統自檢。系統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限，普通用戶可對系統進行一般性的操作，如調取監控、汽車超重違章報警和系統基礎設置。

3.1? 監控頁面設計

超重警報系統的核心設計包括監控頁面和車輛信息查詢頁面。監控頁面6如圖所示，頁面功能包括對來往車輛量的監控畫面顯示，日期、溫度、天氣狀況以及道路的濕滑狀態。

3.2? 車輛信息查詢設計

信息頁面查詢如圖7所示，主要包括違章信息、車輛信息和云臺控制三個板塊。超重警報系統結合路上的車牌識別攝像機會自動抓拍車輛圖像，提取車牌數據，連同車輛圖片一起傳送至高速動態稱重系統輸出，并生成過車記錄。動態超重警報系統對車輛數據進入分析，判斷車輛是否超重，對超重車道路管理人員可根據車輛超重狀況選擇一鍵警告車主當前車輛正超重行駛或一鍵報警聯系道路交通警察。

3.3? 其他功能設計

除監控和車輛信息顯示主程序外，系統擁有錄像回放、車輛超重統計和系統設置模塊，為道路管理人員提供全面的實用功能。錄像回放模塊可將保存在監控系統的三個月內數據調取回放，并能方便地查詢、取證，為事后調查提供依據。道路管理人員根據日歷選擇近三個月的任意一天，點擊檢索，便可觀看當天錄像。錄像回放界面如圖8所示。

車輛超重統計模塊也是本系統非常實用的設計，如圖9所示，界面可顯示過一周、月度或是季度超重違章車輛數據，以折線圖顯示。管理人員可將收集到的數據進行分析和整理，了解易超重車輛的類型，超重違章的高峰日期等情況，以制定相對應的策略減少車輛超重現象發生。

系統設置界面包括基本設置和高級設置兩個模塊。用戶可根據需求對播放、下載和轉碼的格式進行設置。高級設置包括信息備份和賬戶設置，方便系統管理員及時備份信息和提高系統的安全性，系統設置界面如10圖所示。

4? 結論

本文結合動態稱重檢測技術和無線通信技術，設計了高架橋路口超重警報系統。系統采用STM主處理器和無線射頻通信方式以實現對來往車輛的在線動態稱重和自身數據的實時傳輸。本軟件對車輛動態稱重準確度高，數據傳輸及時，具有操作簡單，安全性高，能耗低的特點。能夠滿足用戶對車輛稱重以及管理超重車輛和數據處理的需求。但是由于壓電式傳感器的本身具有高阻抗，在低信號時，頻率響應不高，需要采用電荷放大器來克服這一缺陷。因此，增加在低頻段輸出環境中信號的輸出效率，對車輛重量進行全面監測是進一步研究的目標。

參考文獻

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