基于飛思卡爾的城市道路檢修和通行車輛監測系統設計

鮑顥之　孫寧

摘 要： 為實現對檢修中道路和通行車輛的同步管理，本文設計了城市道路檢修和通行車輛監測系統。系統由供電模塊、飛思卡爾處理器模塊、GPRS無線通信模塊、車重監測模塊、揚塵監測模塊和上位機管理端組成。監測點會采集維修路段的車流量、施工現場圖像以及通行車輛的車速、整車重量、揚塵濃度等信息，通過GPRS無線通信模塊反饋至上位機系統，以協助管理員規范車輛行駛，避免道路受損，從而延長道路使用壽命，提升交通建設水平。

關鍵詞： MC9S12XS128MAA處理器; 道路檢修; 車輛監測; GPRS無線通信

文章編號： 2095-2163（2021）07-0151-05中圖分類號：U491文獻標志碼： A

Design of urban road maintenance and

vehicle monitoring system based on Freescale

BAO Haozhi， SUN Ning

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

【Abstract】In order to realize the synchronous management of road and vehicles in maintenance， this paper designs the urban road maintenance and vehicle monitoring system. The system consists of power supply module， Freescale processor module， GPRS wireless communication module， vehicle weight monitoring module， dust monitoring module and upper computer management terminal. The monitoring point will collect the traffic flow， construction site image， vehicle speed， vehicle weight， dust concentration and other information of the maintenance section， and upload it to the upper computer system through GPRS wireless communication module， so as to assist the administrator to regulate vehicle driving， avoid road damage， prolong the service life of the road and improve the level of traffic construction.

【Key words】MC9S12XS128MAA processor; road maintenance; vehicle monitoring; GPRS wireless communication

0 引 言

隨著國內城市建設水平的不斷提高，道路系統日趨復雜，增大了檢修維護的工作量。而傳統的施工管理機制由于不透明、無線上平臺等弊端，工程延誤率高達60%，不僅質量難以達標[1]，也無法防止車輛不規范行駛對道路造成二次傷害[2]。于俊鵬[3]提出將BIM技術應用于道路工程施工進度管理，為提高施工質量提供了解決方案，但沒有考慮實際交通因素和二次損害的問題，難以實現車路的統籌管理。

本文開發的路-車協同管理系統可為相關部門提供線上監管平臺。系統基于飛思卡爾MC9S12系列單片機接收由施工現場反饋的車流量以及監測點反饋的車速、整車重量、揚塵濃度等信息，管理者可在一些易損路段[4]設置監測點實現預防性管理，同時對市域范圍內的道路檢修維護予以統籌化管理[5]，從而在整體上提高市政道路管理水平[6]。本系統更加集成化、規范化，提高了工作效率，能更好地適應城市交通系統的建設進程。

1 系統設計

系統設計如圖1所示。本系統以MC9S12XS128MAA單片機為核心，通過攝像頭、稱重傳感器[7-8]、揚塵傳感器等硬件設備采集通過監測點的車輛信息，將處理器與無線通信模塊串口連接，實時將數據反饋給上位機系統。

同時，系統通過攝像頭以及云端數據統籌管理城市全域的道路檢修維護。為提高施工質量，防止二次受損，在施工路段周圍設置監測點，車輛在進入路段前即受到檢測。通過攝像頭，管理人員能直觀監督道路維修現場和監測點。在接收到由現場反饋的信息后，經綜合研判方可向現場發出指令[9]，從而達到規范車輛行駛、防止道路損傷、緩解交通壓力[10]的目的。

2 硬件電路設計

城市道路檢修和通行車輛監測系統的硬件部分主要由供電模塊、單片機處理器模塊、GPRS無線通信模塊、車輛稱重傳感器模塊以及揚塵傳感器模塊組成。以處理器為核心，其他模塊通過串口連接，即可實現對道路施工點和車輛監測點的遠程管控。

2.1 供電模塊

本系統中，飛思卡爾處理器模塊需3.3～5.5 V直流電壓，無線通信模塊需3.2～4.8 V直流電壓，揚塵監測傳感器需3～5 V直流電壓，車輛稱重傳感器模塊需要8～15 V直流電壓。電路設計如圖2所示，使用DC-DC變換芯片MC34063以及穩壓器LM2940構建供電模塊。MC34063可為稱重傳感器輸出8～10 V電壓，滿足其工作需求。LM2940則為16位MC9S12XS128單片機、SIM900A芯片和揚塵傳感器提供穩定的4.5 V電源，從而保證了系統各部分的穩定運行。

2.2 處理器模塊

本系統硬件部分的核心是處理器，在接收到監測點反饋的數據后處理器可以根據編程腳本進行分析，從而幫助管理者對道路交通情況和車輛行駛狀態做出判斷。

飛思卡爾處理器模塊如圖3所示。本系統選用飛思卡爾的16位單片機MC9S12 XS128MAA構建處理器模塊。該單片機的供電電壓為3.3～5.5 V，工作溫度為-40 ℃～125 ℃，最大時鐘頻率為40 MHz。其核心處理器HCS12X的亮點在于包括一個存儲器保護單元MPU，可大幅降低軟件執行過程中出現錯誤的幾率。同時設置有協處理器XGATE，這是一個16位的精簡指令集內核，擁有R0～R7八個通用寄存器，能減輕主處理器的負擔。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊負責實時將采集的數據反饋給上位機以及遠程音頻通訊。本系統中反饋的信息主要是車輛檢測數據和現場監控圖像，數據量不大，采用SIMCom公司的緊湊型芯片SIM900A。這是一個雙頻GSM/GPRS模塊，可在900 MHz或1 800 MHz下低功耗實現語音、數據和傳真信息的傳輸。芯片采用SMT封裝形式，性能穩定，應用在本系統中性價比較高。圖4是具體的電路設計圖，為維持通信穩定，使用DCD引腳實現模數轉換，當模塊掉線時會提供一個高電平，DCD引腳即可通過檢測電平的高低識別掉線情況并自動重連。

2.4 車重監測模塊

車輛的重量檢測使用德國HBM公司的C16IC3數字式稱重傳感器。該傳感器誤差小，使用壽命長，可在-20 ℃～70 ℃的環境中穩定工作，適用于高精度地磅，能滿足本系統中不停車稱重的要求。該傳感器的優勢在于具有自動復位和調心功能，抗側向力性能優異，并且能自診斷故障報警。考慮到大型特種車輛的檢測，本文選用量程為60t的型號。使用8～15 V激勵電壓，按圖5所示方式接線即可正常工作。

2.5 揚塵監測模塊

系統的揚塵監測模塊采用粉塵傳感器GP2Y1 010AU0F。該傳感器的電流功耗很低，工作時的峰值電流僅為20 mA。采用3～5 V直流電壓為其供電，可在-10 ℃～65 ℃的環境中穩定工作。該傳感器在檢測細微顆粒方面性能優異，最小粒子檢出直徑為0.8 μm，完全滿足道路車輛揚塵監測的要求。電路設計如圖6所示，使用一個發光二極管和一個光電晶體管檢測揚塵折射的光線，從而判斷不同直徑的顆粒物濃度。

3 軟件設計

城市道路檢修和通行車輛監測系統軟件選用Visual Basic 6.0搭建。

系統的主界面如圖7所示，軟件具有道路維護、車輛監測、歷史備案、反饋建議、個性設置等功能。通過綜合使用本軟件，能實現對城市道路檢修和通行車輛的線上監測管理。

系統操作流程如圖8所示，軟件兩大核心功能分別為道路維護和車輛監測，同時兼有歷史記錄及個性設置等功能。道路維護功能由查詢維護詳情、聯絡施工現場和道路限流管理三方面構成，可實現對維修施工的進度掌握和遠程調度。車輛監測功能由數據檢測、下達指令、查詢違章記錄三方面構成，可對通過監測點的車輛實現遠程管控[11]，對不規范行駛行為及時干預。道路限流管理和歷史備案查詢是管理員特有的權限，普通用戶只能使用其余基本功能。

圖9是道路維護管理[12]的界面，工作人員可在該界面檢索市域范圍內的道路維護施工點，其具體位置會在地圖上顯示出來[13]，誤差不超過3 m。點擊維護點標簽即可在右側顯示該點詳情，包括維護原因、當前施工進度和預計完成時間等。系統通過WiFi自動更新并備份后臺數據包，離線時也可查看。工作人員可通過監控直觀了解現場情況，根據需要向工程負責人發送安全警報或進行音頻聯絡，SIM900A的回聲抑制算法可用于提高語音通訊的清晰度。

圖10是道路限流管理界面。道路施工給交通流帶來了一定壓力，往往會在高峰期造成擁堵。該界面會統計匯總周邊攝像頭數據，自動計算出施工路段近幾個小時的車流量趨勢圖[14]，在擁堵風險較高時，管理員可在周邊的電子顯示屏上一鍵發布當前道路的車流量和預計通行時間，提醒車主可能存在堵車風險，從而避免更多車輛涌入[15]，該數據每30 s刷新一次。管理員也可以根據需要通知現場暫停施工。通過該界面的管理，能最大程度保證交通暢通和施工人員安全。

圖11是車輛監測及遠程管控[16]界面。通過分析從監測點傳輸回來的車速、整車重量、揚塵濃度等數據，綜合當前的道路車流量及后臺給出的處理意見[17]，即可對當前車輛的行駛狀態有一個較為全面的了解。無線通信模塊掉線時通過DCD引腳自動重連，保證數據收發流暢。數據異常時，工作人員可向現場發送警報或直接將該車攔停檢查。點擊“車輛歷史”按鍵可以查看該車的歷史違章記錄，可根據情況將車輛拉入重點關注名單，或當其下次經過監測點時通過圖像識別對其限行[18]。

圖12是歷史記錄界面。管理員可在本界面查看指定時間段和指定范圍的道路維護歷史記錄，包括維護時間和具體的維護項目。還可以根據需求自動或手動刷新數據、將歷史數據保存至本地、上傳至云端或清空歷史記錄。回收站將自動保存30天的記錄，超過期限將永久清除。

4 結束語

本文設計的城市道路檢修和通行車輛監測系統以飛思卡爾MC9S12XS128MAA處理器為核心，用稱重傳感器、揚塵監測儀[19]、攝像頭等硬件收集道路施工現場和通行車輛監測點的各項數據，及時反饋給上位機管理系統[20]，從而協助工作人員對路-車統籌同步管理。本系統不僅可以規范車輛行駛，避免道路受損，還可以統籌化集中管理城市道路的檢修維護，從整體上提升道路工程水平，延長道路使用壽命[21]。本系統硬件結合軟件，功能齊全，創新了管理思路，實踐運用前景廣闊。

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基金項目： 國家自然科學基金（61803206）;產業前瞻與共性關鍵技術重點項目（BE2017008-2）;南京林業大學青年科學創新基金（CX2018004）; 南京林業大學2020年大學生創新訓練計劃項目-車輛底盤系統分層式協調控制策略研究（2020NFUSPITP0746）。

作者簡介： 鮑顥之（2001-），男，本科生，主要研究方向：汽車運用工程; 孫 寧（1979-），女，博士，講師，主要研究方向：車載網絡。

通訊作者： 孫 寧Email：hitsunning@163.com

收稿日期： 2021-05-06