高架桥路口超重警报系统的设计

姜根堂 孙林峰 肖广兵

摘  要： 高架桥路口超重警报系统以STM32单片机为主控芯片，结合压电石英晶体传感器和无线射频数据传输技术，可在车辆快速移动的车道上测量车辆的载荷、轴间距、车轮数等数据。压电石英传感器通过NRF905无线收发模块将检测到的数据传送至STM32F103C8T6微处理器，经处理的数据会及时有效的传至上位机软件供道路管理人员查看，从而达到对车辆超重监控和减少事故发生概率的目的。

关键词： 车辆称重;STM32;射频技术;无线传感网络;实时监测

中图分类号： TP39    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.021

本文著录格式：姜根堂，孙林峰，肖广兵. 高架桥路口超重警报系统的设计[J]. 软件，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

隨着国民生活水平的提高，车辆的使用频率也在不断增加，随之而来的问题是车辆超载超重现象层出不穷，因超载超重引发的事故时有发生。车辆超限不但会导致路面损坏加重，损害公路桥梁设施，还会严重威胁到道路上行人、车辆的安全。由于车辆在超重的情况下，车辆的各零部件会产生变形，操纵的稳定性也会下降，因此行驶的安全性也得不到保证。所以，车辆超限现象需要被及时发现处理，使车辆的载重量在安全标准之下。然而目前现有的道路称重系统普遍位于高速路口收费站，在大型桥梁，高架桥等桥梁设施中均没有称重系统，忽视了超限超重对桥梁，高架的影响[1]。

在对称重系统传感器的选择当中，陈楠[2]提出了一种GPRS和Internet网络的光纤传感器道路称重系统。传感器通过光通量的变化计算当前压力大小，从而可以对来往的车辆进行动态称重。但是GPRS网络在数据传输时容易造成丢包现象，不能及时传输有效数据且这种称重系统需要的光纤为特殊光纤，成本较高不适合大规模的铺设。闫晓磊[3]设计了一种基于电阻应变桥式的称重系统，该系统功能完善，并且电阻组成简单，测量精度高，但是应变式电阻应变片在长期使用下易产生变形，受电磁影响较大。

本文设计了一种基于STM32单片机的压电石英传感器高架桥路口超重警报系统，可以对即将上桥或高架的车辆重量数据进行及时收集，系统结合监控系统自动识别来往车辆的车牌号，并读取车辆载额定荷重量等相关信息，判别车辆是否超重。该系统使用STM32处理器结合无线数据传输技术，通过石英晶体谐振式传感器的压电效应完成对经过车辆重量的监测，具有抗干扰能力强，稳定性好，动态响应高的特点[4]。

1  系统设计

高架桥路口超重警报系统包括数据采集部分，数据传输部分和上位机软件管理系统组成，是一个具有较高自动化水平的智能称重系统。系统结构图如图1所示。

其中数据采集是利用石英晶体具有压电效应的激励特性，当晶体受到某方向固定的压力时，晶体内部就会产生电极化现象，产生电荷[5]。同时数据通过红外线传输将采集到的信号发送到数据处理系统，由处理器进行分析，决策，把监控结果上传至上位机管理系统。系统通过车牌识别技术调取车辆相关载重标准后，将当前车辆的载重量和其系统信息在允许误差范围内进行比对，一旦车辆超重，上位机蜂鸣警报器就会启动，将消息及时发送给道路监察人员，达到对车辆超重监控和预防事故发生的目的。

2  硬件电路设计

本系统的硬件系统包括基于ARMCortex-M3的控制模块、无线通信模块和称重传感器模块。

2.1  传感器模块设计

系统采用单芯片控制方案，根据系统特性和功能需求，选择的是意法半导体公司开发的STM32F103C8T6微控制器[6]。它是一款基于ARMCortex-M3的32位处理器内核的嵌入式芯片，工作频率为72 MHz，该芯片拥有64K字节闪存和64K字节的SARM，电源模块内嵌带校准的40 KHz的RC振荡器和最大可达16 MHz的晶振。该处理器具有丰富的片上资源，大大降低了系统成本。片上集成了高速存储器，通过两条APB总线连接112个增强的I/O端口和外设。

ARMCortex-M3采用ARMv7-M架构，集低功耗、低成本、高性能于一体。其内部指令和总线采用分开设计模式，流水线选择了三级流水线，增加了分支预测功能。指令集包含了所有16位指令集和32位Thumb-2指令集架构。支持多达240条外部中断输入的嵌套向量中断控制器具备先进的处理能力，在数据处理上更加快速精准。相比较ARM7的7种工作模式，Cortex-M3只有线程和处理两种模式，使用户上手更简单方便。

系统控制模块分析和处理传感器传输的车辆重量和温湿度数据。STM32F103C8T6系统电路图2如图所示。

2.2  无线通信模块设计

无线通信模块采用基于射频技术的近距离无线数据传输技术。射频的通信方式有蓝牙（Bluetooth）技术、ZigBee技术、Home RF等技术，其中蓝牙、Home RF技术成本过高，ZigBee应用的距离过短，以上几种方法均不适合无线称重的数据传输。无线射频技术具有数据存储量大、寿命长安全性高等优点，目前广泛用于制造、物流、交通、零售等行业[7-9]。本文以NRF905芯片为收发芯片，结合STM32单片机实现数据的传输、数据分析与处理。NRF905是Nordic公司推出的单片无线收发芯片。它的工作频率在433 Hz、868 Hz、915 MHz三个ISM（工业、科学和医学）频段，采用高效的GFSK调制，集成了频率合成器、接收解调器、功率放大器等功能，最高工作速率50 kbps，可在最远300 m处实现通信。NRF905采用32引脚，5 mm QFN封装技术，融合了ShockBurstTM技术，可自动处理数据包字头数据，内置8、16位CRC检错和点对点通信控制，保证数据可靠传输，具有低能耗、低电流、传输距离远等优点，搭配较少的外围器件就可设计强大的无线通信系统，非常适合中短距离数据传输的称重设备[10-12]。NRF905电路图如图3所示。

2.3  传感器模块设计

系统采用压电石英传感器，启动时控制系统初始化数据并判别本次启动是否为首次启动，若为首次启动会初始化系统参数，不是首次启动系统会加载已存储的数据。数据采集过程中会将已采集到的车辆重量通过射频技术传至上位机，显示在软件界面，供道路管理人员参考[13]。数据采集完成后，若没有得到终止命令，则又跳转至数据采集阶段，继续下一轮的循环。传感器工作原理流程图如图4所示。

3  系统软件设计

本软件采用微软开发的Visual Basic 6.0编程设计软件，基于Windows操作系统的可视化编程，可在Windows7，Windows10系统上平稳运行。用户登录流程图如图5所示，软件打开后，用户需输入账号密码，登录成功后，主程序开始运行，初始化设备，读取设备预存参数，并进行系统自检。系统把将登录用户分为两类，普通用户和管理员。管理员拥有软件全部的操作权限，普通用户可对系统进行一般性的操作，如调取监控、汽车超重违章报警和系统基础设置。

3.1  监控页面设计

超重警报系统的核心设计包括监控页面和车辆信息查询页面。监控页面6如图所示，页面功能包括对来往车辆量的监控画面显示，日期、温度、天气状况以及道路的湿滑状态。

3.2  车辆信息查询设計

信息页面查询如图7所示，主要包括违章信息、车辆信息和云台控制三个板块。超重警报系统结合路上的车牌识别摄像机会自动抓拍车辆图像，提取车牌数据，连同车辆图片一起传送至高速动态称重系统输出，并生成过车记录。动态超重警报系统对车辆数据进入分析，判断车辆是否超重，对超重车道路管理人员可根据车辆超重状况选择一键警告车主当前车辆正超重行驶或一键报警联系道路交通警察。

3.3  其他功能设计

除监控和车辆信息显示主程序外，系统拥有录像回放、车辆超重统计和系统设置模块，为道路管理人员提供全面的实用功能。录像回放模块可将保存在监控系统的三个月内数据调取回放，并能方便地查询、取证，为事后调查提供依据。道路管理人员根据日历选择近三个月的任意一天，点击检索，便可观看当天录像。录像回放界面如图8所示。

车辆超重统计模块也是本系统非常实用的设计，如图9所示，界面可显示过一周、月度或是季度超重违章车辆数据，以折线图显示。管理人员可将收集到的数据进行分析和整理，了解易超重车辆的类型，超重违章的高峰日期等情况，以制定相对应的策略减少车辆超重现象发生。

系统设置界面包括基本设置和高级设置两个模块。用户可根据需求对播放、下载和转码的格式进行设置。高级设置包括信息备份和账户设置，方便系统管理员及时备份信息和提高系统的安全性，系统设置界面如10图所示。

4  结论

本文结合动态称重检测技术和无线通信技术，设计了高架桥路口超重警报系统。系统采用STM主处理器和无线射频通信方式以实现对来往车辆的在线动态称重和自身数据的实时传输。本软件对车辆动态称重准确度高，数据传输及时，具有操作简单，安全性高，能耗低的特点。能够满足用户对车辆称重以及管理超重车辆和数据处理的需求。但是由于压电式传感器的本身具有高阻抗，在低信号时，频率响应不高，需要采用电荷放大器来克服这一缺陷。因此，增加在低频段输出环境中信号的输出效率，对车辆重量进行全面监测是进一步研究的目标。

参考文献

[1]张磊. 桥梁事故原因分析及其控制[J]. 科技与企业， 2014（16）： 250.

[2]陈楠. 车辆动态称重系统数据传输及算法研究[D]. 内蒙古大学， 2014.

[3]闫晓磊. 基于uCOSⅡ称重系统的设计与实现[D]. 苏州大学， 2014.

[4]张军伟， 郑琳. 基于STM32单片机的无线电子称重系统的设计与实现[J]. 河北农机， 2019（10）： 61.

[5]赵培杰. 基于压电石英传感器的高速动态称重系统设计[D]. 中北大学， 2018.

[6]胡进德. 单片机STM32F103C8T6的红外遥控器解码系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2019， 19（10）： 78-81+85.

[7]朱俊， 田作华， 何黎明. 基于射频技术的无线称重系统的设计[J]. 自动化仪表， 2007（2）： 10-12+15.

[8]杨剑. 基于nRF905的无线射频数据采集系统的开发与实现[D]. 中南大学， 2007.

[9]郑建霞. 红外线编码扫描式智能车辆分类计数器[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2003（3）： 85-87.

[10]高章飞， 朱善安. 基于MSP430和nRF905的多点无线通讯模块[J]. 电子器件， 2006（1）： 264-267+289.

[11]杨剑. 基于nRF905的无线射频数据采集系统的开发与实现[D]. 中南大学， 2007.

[12]高章飞， 朱善安. 基于MSP430和nRF905的多点无线通讯模块[J]. 电子器件， 2006（1）： 264-267+289.

[13]刘敏， 张强， 郝树虹， 王艳芬. 称重传感器的选用原则[J]. 硅谷， 2009（2）： 39.