超重車輛檢測和預警系統的設計與實現

摘 要：為應對超重車輛導致橋梁垮塌頻發的問題，設計一種新型超重車輛檢測和預警系統。系統以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、攝像頭等模塊實現新型超重車輛通過橋梁時的預警系統。當車輛行駛至鋪設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服務器進行存儲。經實驗測試，該系統能夠精準地測量行駛中的車輛重量，并及時預警。該系統具有小型化、結構簡單、實時預警的特點。

關鍵詞：超重車輛檢測；實時預警；地感線圈；壓力傳感器；FTP服務器；超聲波測距

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

0 引 言

隨著我國基礎設施建設的完善，道路橋梁等基建工程得到了較為完備的發展，道路里程迅速增長，橋梁數目大大增加，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。橋梁的安全風險問題越來越受到人們的重視，現今迫切需要建立一種方便合理的安全風險預測、評估和保障機制，以提高橋梁的抗風險能力，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入橋面，損害橋梁壽命，甚至存在釀成一場不必要的事故的風險[4-5]。在傳統的車重測量系統中，需要將車輛測重儀器放置在平整路面上[6]，在儀表上設置好參數之后再讓車輛緩慢通過，最后得到車重[7]。這種傳統檢測方式效率低下，費時費力，會大大降低車輛通行的速度，嚴重時還會導致交通擁堵，造成不良影響。針對傳統檢測方式效率低下、易造成擁堵等缺點，亟需一種能夠動態測量超重車輛并預警的車輛重量檢測系統。

為此本文設計出一款車輛重量動態檢測系統，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。如若車輛不停車繼續駛入橋梁路段，系統會將所拍的違法車輛信息上傳，存儲至系統后臺供管理人查閱，為交通管理部門執法提供證據。

1 系統總體方案設計

本系統由電源模塊、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、信號調理、ADC以及單片機構成系統的車重檢測模塊；秤臺上的壓力傳感器能將車重所產生的電壓信號調理成適合ADC檢測的模擬電壓，單片機部分根據ADC測得的電壓大小，理論上可以測得車的重量。系統的總體設計方案如圖1所示。

2 系統硬件部分設計

2.1 稱重傳感器的分類與選擇

目前國內外的動態稱重系統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、應變式傳感器。三種傳感器的優缺點見表1所列。其中應變式傳感器是基于應變效應工作的，應變式傳感器可以把壓力的變化轉換成電阻值的變化，應變片的材質一般是金屬導體或者半導體，阻值隨力的變化而變化。綜合來看，更適合采用電阻式應變傳感器。

電阻應變式稱重傳感器主要由三部分組成：彈性體、電阻應變片、測量電路。當傳感器沒有受到外界壓力時，傳感器內部的彈性體不發生形變，電阻應變片由于是粘貼于彈性體表面，所以同樣不發生形變，此時電橋處于平衡狀態，輸出電壓為零；當傳感器受到外力的作用時，傳感器內部的彈性體將會發生形變，電阻應變片也會發生形變，其阻值相應改變，單橋不平衡，輸出電壓不為零，也就實現了將阻值的變化轉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構，傳感器厚度低于55 mm，具有IP68級防水，對于具有動態響應特性的可測車速高達165 km/h。耐熱性、耐寒性較強，受季節影響較小。在路面鋪設時，可用于交通流量軸載調查、車輛超重預警、貨場物料稱重等；在橋面鋪設時，可以用于車輛超重預警[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變感應方式[11]，通過同相應變的差值獲取輪重數據。

2.2 單片機的選擇

系統主控芯片為ST公司生產的32位且自帶12位模數轉換器STM32F103RCT6單片機[12-13]。STM32F103RCT6內部包括模數轉換器（ADC）、數字模擬轉換器（DAC）、定時器（TIMER）、串行通信接口（USART）、串行外設接口（SPI）、串行總線接口（I2C）。

STM32F103RCT6具有12位模數轉換器、計時器、PWM計時器、標準和高級通信接口，全面的省電模式允許設計者設計低功率應用。運行電壓范圍為2～3.6 V。

支持CAN、USB和Ethernet等多種通信協議。此外，STM32F103RCT6芯片集成了多個外設接口，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，可以幫助開發者提高系統可靠性和安全性。

除此之外，STM32F103RCT6也提供了豐富的開發工具和軟件庫。例如Keil MDK、IAR Embedded Workbench和STMCubeMX等常用的開發軟件，方便開發者進行系統設計和調試，對開發者十分友好。

由于眾多優點，STM32F103RCT6在工業自動化、嵌入式系統、醫療設備、智能家居等等領域中獲得了廣泛、深入的應用。

將秤臺上讀取的數據經過信號調理電路進行處理后，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轉換；采用無線通信的4G模塊通過串口將數據發送出去，而遠程客戶端下發的指令進行接收并完成解析操作，做出相應的響應；LCD液晶顯示屏實時顯示處理得到的數據，并做出相應的警示或正常響應顯示。此外，單片機內部還結合了高性能的RISC內核，運行頻率可達72 MHz，并內嵌了高速存儲器[14]，掉電后數據仍能保持不變。

2.3 攝像頭的選擇

圖像采集設備采用海康威視的DS-2DC4223IW-D/GLT（D），該設備與普通攝像頭相比具有顯著優勢[15]，其本身集成了4G模塊和網線端口，并且還提供了上位機軟件。按照系統要求，當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服務器上進行存儲，圖片的名稱可以統一命名為“時間+重量”。通過開發PC端的軟件，實現對FTP服務器的定期訪問，將云端的照片存入本地。FTP是一種處于應用層的用于文件傳輸的協議，與眾不同的是FTP使用2個端口：1個數據端口和1個命令端口（也可叫做控制端口）。FTP協議包括兩個組成部分：其一為FTP服務器；其二為FTP客戶端，實現文件共享服務。FTP服務FTP協議訪問位于FTP服務器上的資源，并將文件下載到本地，服務器也可允許客戶端將本地文件上傳到服務器。由于FTP傳輸效率非常高，在網絡上傳輸大的文件時，一般也采用該協議。因此利用該協議，完成4G攝像頭采集的圖片的傳輸。同時FTP云服務器的搭建也會提供一個公網IP，解決了公網與內網之間的訪問問題。

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重要的指標，也是交通信息采集系統檢測的主要動態參數之一。超聲波測速模塊是實現行駛車輛速度測量的關鍵模塊，本系統采用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；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路，利用發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，發出一超聲脈沖信號，接著再每隔一段時間接收到經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，根據發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，用于觸發模塊工作。其次，模塊檢測到觸發信號之后，會自動發送8個40 kHz的方波，然后自動切換至監測模式，監測是否有信號返回（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，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。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 系統軟件設計

本系統以Visio Studio2016為集成開發環境，以C#為開發語言，并結合SQL server數據庫相關技術，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。當測到車輛動態重量之后，系統根據車速對車重進行補償，當判定為系統超重時，LED顯示屏會顯示 “已超重”并對違規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 實驗結果與分析

由于實際布設完整系統的花費太大，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鍵模塊和設計進行了測試和分析，借此分析和測評整個系統設計的合理性和正確性。

4.1 報警模塊測試

當系統檢測到車輛超重，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，由于整個系統代碼并不復雜，理論上微處理器可以在幾十微秒內完成對超重車輛的判斷。當車輛的行駛速度在5～100 km/h這個區間時，攝像頭可以在10 ms內完成拍照，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

傳統動態稱重系統主要由稱臺（壓力變送器）、運放、ADC和單片機等部分構成。相較于靜態稱重系統，動態稱重系統對ADC和單片機部分的要求較高，要求系統能快速、準確地測得稱臺輸出的電壓信號。由于車輛一直運動，導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。實驗發現該ADC檢測部分能對±0.6 V范圍內的電壓進行分辨率優于15位的模數轉換，且轉換速度達20 kHz以上，即在1 ms內就有20個有效檢測結果，因此當車輛通過稱臺時可以獲得多組測量結果來分析是否超重。實際上需要將稱臺的輸出電壓調理到±0.6 V范圍內。模擬稱重及誤差數據見表2所列。

4.3 車輛抓拍模塊測試

車輛抓拍系統包括攝像機、4G通信模塊、FTP服務器以及管理中心的軟件等。當稱重系統檢測到超重時，通知抓拍系統工作。實驗發現，采用的攝像頭能在1 ms內響應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換功能，能根據預先配置將圖片上傳至指定的FTP服務。傳輸一張完整圖片的耗時可能因為4G速度變化而變化，但是實驗發現通常能在1 ms內完成傳輸，而且相應的軟件配置支持斷點續傳，圖片發送完成后該圖片在緩存中刪除。圖片將在FTP服務器上長期保存，管理部門登錄該服務器可以隨時下載查看或刪除圖片。總之，該部分的性能滿足使用要求。

5 結 語

在我國基礎設施建設日益完善的今天，道路橋梁工程的建設也日益完備，橋梁路段增多，橋梁安全事故發生的風險也隨之增加，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。為此本文設計了一種新型超重車輛通過橋梁預警系統，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與養護。

葛富元，男，本科生，研究方向為嵌入式系統設計。

屈八一，男，副教授，研究方向為嵌入式系統設計及應用。

收稿日期：2023-04-23 修回日期：2023-05-22

基金項目：國家自然科學基金（11873039，1177302）；陜西省自然科學基金（2019JM-80）；長安大學中央高校基本科研業務費專項資金資助（300102240107）；長安大學大學生創新創業訓練計劃（2019710082）