基于STM32的高速公路汽車超重監測系統

梁益彰 肖廣兵

摘 要：本文設計了一套基于STM32的高速公路汽車超重監測系統，由供電模塊、STM32主處理器模塊、動態稱重模塊、監測識別模塊、無線通訊模塊、上位機管理系統等組成。針對目前傳統的超重監測設備檢測速度慢、準確度低等問題，系統通過硬件設備在汽車不停車的情況下監測汽車重量，經過數據處理，在超載行為成立后，對司機做出相應處罰，避免由于測重引起的收費站道路擁堵，提高監測結果的準確性。

關鍵詞： 高速公路超載; STM32; 動態稱重

文章編號： 2095-2163（2021）03-0158-06 中圖分類號： U495 文獻標志碼： 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

隨著國內交通運輸事業的不斷發展，機動車輛運輸市場也已展露蓬勃活力，呈現出利好景象，但仍需指出的是，與此同時的車輛超載則成為普遍現象。調研可知，超重10%的貨車對高速公路的破壞會增加約40%[1]，產生額外路面維修經費，嚴重時會造成道路或橋梁斷裂甚至坍塌，造成人民生命、財產的重大損失。陳廣華等人[2]利用粘貼式應變傳感器實現車輛載重的動態全程監測，并將超載信息以短消息的形式發送給有關部門，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]通過監測傳動軸輸出扭矩可以檢測出貨車載重量，但加載質量與系統讀數存在一定相對誤差，檢測結果不準確。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，司機使用拖磅、跳磅的作弊手段等問題。

基于此，本文研發設計了基于STM32的高速公路汽車超重監測系統，在盡可能不停車的情況下，通過硬件系統識別出車輛信息并測量出車輛實時載重量，經過數據處理，將超載信息反饋給現場交警工作人員，對車輛做進一步的檢測或依法對駕駛員做出相應的處罰。相對于傳統的超載監測系統，實現動態監測，自動報警，降低人力物力消耗，提高處理效率。

1 系統設計

系統設計如圖1所示。由圖1可知，高速公路汽車超重監測系統由上位機管理系統、供電模塊、信息處理模塊、監控識別模塊、動態稱重模塊以及無線通訊模塊組成。

系統主要實現在高速公路收費站對汽車重量進行不停車檢測。汽車在經過稱重設備時，檢測出汽車的實時重量，同時攝像頭識別汽車牌照，通過無線通訊網絡將數據傳輸至數據處理系統，經過數據處理，判別車輛是否超載，假如汽車超載，則將超載信息發送至現場交警工作人員，對駕駛員進行進一步處理。管理人員通過上位機管理系統實現對硬件設備運行狀態的管理，也可以查看通過監測設備車輛歷史數據，方便分析原因，制定相關政策法規。

2 硬件電路設計

基于STM32的高速公路汽車超重監測系統的硬件電路主要包括：供電模塊、處理器模塊、無線通信模塊、動態稱重模塊、監控識別模塊等。系統以STM32處理器為核心，使用基于PVDF的新型壓電薄膜傳感器進行動態測重，通過無線通訊網絡傳輸數據，上位機處理數據，自動報警，及時對超載車輛進行處理。對此擬做研究分述如下。

2.1 供電模塊

隨著科學技術的不斷發展，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重要的地位，符合可持續發展要求[5]。供電模塊以太陽光作為超重監測硬件設備主要能量來源，其設計電路如圖2所示。由圖2可知，為了保證STM32F103ZET6處理器的穩定運行，采用LM1117-3.3 V穩壓芯片控制電源進行穩壓調節[6]，控制輸出電壓為3.3 V。在鋰電池的輸入端并聯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。供電模塊電路結構簡單安全，輸出電壓穩定，可以滿足系統工作需求。

2.2 處理器模塊

本系統的核心硬件在于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，實現高速公路收費站汽車動態測重，快速通行。

STM32嵌入式單片機，擁有高性能處理器內核，計算能力可達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[8]，屬于增強型系列，在同種類型產品中，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 ℃。擁有一流的外設和最大的集成度，多達13個通信接口，可以有效控制外部設備。處理器功耗低，性能強大，可以進行測重數據的快速處理分析，實現汽車在高速公路收費站的動態測重。

2.3 無線通信模塊

通用無線分組業務（General Packet Radio Service，GPRS）是建立在GSM系統基礎上的無線分組交換技術。適用于間斷的、少量的數據傳輸，具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、自如切換的優點[9]。無線通信模塊設計電路如圖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全套語音及數據封裝功能，高效傳輸高速或低速數據及信令，對網絡資源和無線資源的利用進行優化，網絡接入速度快，實現了與現有數據網的無縫連接。分組業務信道可采用4種不同的編碼方式，當編碼方式為CS-4時，并且無線環境良好，信道充足的條件下，GPRS網絡能夠達到其理論最高速率171.2 kbps，滿足系統的數據傳輸需求。

2.4 動態稱重模塊

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、熱穩定性高、介電常數高等多種優點，所以能夠作為一種理想的傳感器材料[11]。動態稱重模塊設計電路如圖5所示。由圖5可知，動態稱重模塊采用了基于PVDF的新型壓電薄膜傳感器[12]，結構簡單，制作方便，精度高，準確性好，和現有的道路壓電傳感器不同，無需埋設在道路結構中，根據收費站實際情況及測試數據，將多個傳感器并聯后安裝在道路表面，避免路面開挖，降低維護成本，高剛度扁平結構，對道路結構破壞極小。

2.5 監測識別模塊

車輛信息匹配以智能攝像頭為設備基礎，通過識別汽車牌照，將車輛數據通過無線通訊網絡發送至上位機管理系統，方便管理人員查看及管理。

監測識別模塊設計電路如圖6所示。由圖6可知，本系統選用ON Semiconductor公司生產的MT9M001 CMOS數字圖像傳感器作為監測識別模塊[13]，光學格式為1/2英寸，工作電壓3.3 V，總像素數130 W，支持輸出SXGA、VGA、QVGA、CIE、QCIE等大小的圖像，默認以30 fps/s的速度輸出SXGA大小的圖像，具有低噪聲、低成本、成像質量高的優勢。為了方便模塊的使用[14]，在電路設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。

3 系統軟件設計

上位機管理系統選用 Visual Basic 6.0軟件開發設計，搭建高速公路汽車超重監測系統的界面。

系統軟件設計流程如圖7所示。由圖7分析可知，軟件的核心在于超重監測，當監測到車輛實際載重超過系統設定值時，即將超載信息發送給現場交警工作人員，對駕駛員做出相應處罰。軟件設置用戶權限，普通用戶僅有超重監測界面及高速公路數據信息的查看權，管理員享有手動更改限重數據、查看實時監控以及界面設置的權利。

3.1 系統主界面

系統主界面如圖8所示。由圖8可以看到，系統主界面由超重監測、高速公路數據、監測設備管理、個性化設置、問題反饋五個部分組成，分別實現汽車重量監測、查詢及修改高速公路數據、監測設備數據查詢、軟件界面調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 超重監測設計

超重監測界面如圖9所示。由圖9可以看到，超重監測界面可顯示當前經過監測設備的車輛信息，檢測后與預設限重比較，一旦確定超載，可自動發送超載信息至現場交警工作人員，使用者也可使用一鍵報警功能發送超載信息，對駕駛員做出相應處罰。

天氣界面如圖10所示。由圖10可以看到當前天氣、溫度、濕度、降水量、風向、風力等實時天氣數據，結合氣象部門信息，及時進行災害天氣預警，避免發生交通事故。

3.3 高速公路數據設計

高速公路數據界面如圖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，點擊后可以在現有地圖上添加新建成或原來沒有標注的高速公路，對其進行命名、添加出入口等相關操作，方便管理人員進行及時的數據更新。

3.4 輔助功能設計

監測設備管理界面，如圖13所示。由圖13可知，在左上角顯示當前日期及時間，可以查看監測道路的實時視頻監控及實時測量重量，時刻查看監測設備的運行狀況及網絡連接狀況，并且可以根據需要對系統內高速公路的限重做出相應調整，方便管理員對于設備運行進行管理和及時的維修。

點擊歷史數據，如圖14所示。由圖14可知，當選定年份、月份及日期后可以查詢具體每輛車的測重數據，還可以通過系統記錄統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，做出相應決策。

4 結束語

本文以STM32為核心處理器，設計了一套高速公路汽車超重監測系統，通過基于PVDF的新型壓電薄膜傳感器進行測重，將信息發送至上位機，經過信息處理，實現汽車在高速公路收費站的不停車測重，避免因測重導致的收費站擁堵，監測數據準確，設備結構簡單，可以在應用中實踐。

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