智能交通安全货车超载智能检测系统

孙张涛 李祖松 宣 阳 罗 玲

(皖西学院 电子与信息工程学院，安徽 六安 237012)

车辆超载不仅会对路面，桥梁造成严重损害，更有甚者，对货车进行非法改装，严重危及国家和人民的生命财产安全，诱发了大量的道路交通事故[1]。我国每年由货车超载引发的公路养护、维修成本高达700亿元，而其中50%的交通事故人员伤亡和超载有着密不可分的关系[2]；另外超载加大了事故的发生率和严重性[3]。

针对以上问题，由最初的加强源头监管、强化道路治理、完善法律体系等[4]；到目前市场上以收费站的过磅检查为主[5]。同时又陆续出现一些新技术应用于货车超载中，如单片机技术、GPRS技术等，但在实时警报、数据及时更新、待机能力上存在局限性[6]。针对现有的道路监测系统的缺陷，其设计利用了硬件与软件之间的相互作用从而实现防超载与智能功能。一方面我们通过按附于车厢底部的压力传感器实时检测压力值，将采集的数据传输给处理器并通过预设程序判断之后是否需要发出警报信息，从而排除因超载造成道路安全的隐患，给予一定安全作用;另一方面则是通过其GPS定位模块、烟雾传感器、温湿度传感器利用了内嵌式的传感器与定位器的方法来获取货车状态，数据经处理器处理后由LORA传输给软件显示终端，从而实时监控货车状态，实现对货车车厢安全的智能监控。本文将从系统设计、硬件组成、软件终端三个部分进行阐述我们的产品设计。

1 系统设计

智能交通安全货车超载智能检测系统，采用了LoRa无线通信技术和GPS定位技术实现对道路货车车辆超载进行监测的功能。监测模块通过称重传感器、声光报警器、GPS定位模块、温湿度、烟雾传感器，采集货车重量和环境数据。通过LORA无线通信技术对数据进行传输，传输到主功能模块，进行数据分析，若超过限度发出报警。同时数据也会传输到人机交互终端，在软件显示终端进行数据处理，向工作人员展示相关信息，通知交管人员及时出警处理该车，同时也会发出声音报警信号通知司机进行减重处理，能够有效防止货车超载。另外，通过温度传感器、烟雾传感器对车厢内的温度及烟雾信号进行检测，实现实时监测车厢，并将火灾信息传送至人机交互终端，以通知交管人员及时出警灭火、抢救人员，同时通过声光报警器发出声光报警信号，以提示司机和行人紧急远离货车，确保司机和行人的人身安全。此外，供电模块由两部分组成：一部分为货车蓄电池直接供电；另一部分为太阳能电池板供电。

货车超载智能检测系统的结构设计如下，其设计分为监测模块、供电模块、通信模块、人机交互模块四部分。货车超载智能检测系统总体框架(如图1所示)。

图1 货车超载智能检测系统总体

为了应对实际状况，在实际安装中采用如下布局。其车厢上所述的各智能模块由导线接入主控模块，实际走线方式为在车厢内壁秉持最近路径原则，尽量减少导线环绕，从而实现了线路连接和车厢一体化。称重传感器设置在货车车厢的底部， GPS模块、LORA数据传输模块均与控制器相连，并实时传送重量信号至微控制器中进行处理，太阳能电池板通过支架延伸设置于货车车厢的外侧，并设置于车厢外侧底部四周，并高度位于车轮之上，可有效确保太阳能电池板最大程度接收太阳能并转换为电能传输至供电电池组进行存储，以便为称重传感器供电，供电电池组为称重传感器、GPS模块、LORA数据传输模块等供电(如图2所示)。

图2 系统安装示意图

为了验证这一结构设计方法的可行性，笔者进行了数据收集与测试，系统实物(如图3所示)。

图3 系统实物图

2 硬件组成

硬件分为五大模块，分别为：主功能数据分析处理模块、LORA嵌入式串口通讯模块、GPS定位模块、监测模块、供电模块。

2.1 主功能数据分析处理模块

单片机电路作为电路的核心控制单元，采用了STM32F103RCT6型号的单片机，该单片机工作电压为5v，片内Flash程序存储器为256KB字节，SRAM为64字节，8个定时器，6个中断源，共有32个通用IO口。单片机STM32F103RCT6最小系统由电源VCC、晶振电路和复位电路构成。

2.2 LORA嵌入式串口通讯模块

本模块用来和PC端进行LORA无线通信，系统电路中采用E32嵌入式LORA串口通讯模块进行无线通信。E2嵌入式LORA串口通讯模块具有自动连接工作模式。当LORA传输模块在工作模式下工作时，会自主根据系统设定的方式连接进行数据传输；通过对模块外部引脚(PI12)的控制，如图4所示，从而实现模块工作状态的动态转换及所收集数据的收发工作。

图4 LORA通讯模块

2.3 GPS定位模块

本模块可提供移动货车的位置信息，当ATK1218-BD模块处于正常工作状态时，其将自动按照事先设定的方式进行数据传输，如图5所示；实现模块工作状态的动态转换是通过控制模块外部引脚(PIO9)，由于GPS在室内密封环境中难以正常工作，所以将GPS模块安装于靠近车门处，此外由于LORA的相对定位技术，当本系统应用的货车数目达到一定范围时，各货车可等同于一个节点，起到相对定位的作用。

图5 GPS报警模块

2.4 监测模块设计

监测模块是系统的重要模块组成部分，主要用来监测重量、烟雾、温湿度等环境数据。分别由称重传感器(DYMH)，烟雾传感器(MQ-2)，温湿度SHT11传感器来实现对以上数据的检测。如图6所示，分别为重量监测、烟雾监测、温湿度监测工作电路图；其中温湿度传感器实时检测车厢内的温湿度，烟雾传感器实时检测车厢内有无燃烧烟雾，并将数据传送给控制器，以实现车厢火灾的监测。为了降低成本并提高监测时效性，采用SHT11温湿度检测器，能够简便、准确地测量温湿度；采用MQ-2烟雾传感器，该传感器可检测多种可燃性气体，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想。其中所用检测传感器为工业传感器，以便最大限度保证所测数据的准确性。

图6 烟雾器监测、重量监测、温湿度监测

2.5 供电模块介绍

供电模块由两部分组成：一部分为货车蓄电池直接供电；另一部分为太阳能电池板供电。在太阳能电池板经阳光照射后，产生的电能由电压转化器转化为低电压储存于货车蓄电池中。太阳能电池板通过支架延伸设置于货车车厢的外侧，可有效确保太阳能电池板最大程度接收太阳能并转换为电能传输至供电电池组进行存储，同时为称重传感器供电，供电方式优选采用太阳能电池板为各模块进行供电，当太阳能电池板无电能提供给各模块时，则启用蓄电池直接供电方式为系统供电。

3 系统软件设计

软件界面采用NI LabVIEW图形化界面，该可视化软件终端可用于PC端和手机端，旨在服务交通管理部门和客户。通过称重传感器和GPS模块可对货车实现超载监测，并在货车车厢已超载时，GPS模块通过LORA无线数据传输模块将货车重量、位置及其他预设信息传送给远端的人机交互终端，以通知交管人员及时出警处理该车，能够有效防止货车超载。另外，通过温度传感器、烟雾传感器对车厢内的温度及烟雾信号进行检测，实现实时监测车厢，并将火灾信息传送至人机交互终端，以通知交管人员及时出警灭火、抢救人员，同时通过声光报警器发出声光报警信号以提示司机和行人紧急远离货车，确保司机和行人的人身安全。

3.1 软件流程设计

如图7所示，首先对各设备进行初始化，然后加入网络，接着读取监测模块中所有传感器的数值，同时设置各环境变量的限度。这里以重量监测为例，设置重量限度H，调动监测模块中的重量传感器读取重量h。此时程序进行判断，若测得的重量超出设置的重量限度，则调用声光报警器报警；若测得的重量不超出设置的重量限度，则继续调用重量监测，实时地对数据进行读取。

3.2 软件界面设计

软件界面采用NI LabVIEW图形化界面，如图8所示。其中可分别显示系统是否连接成功、温湿度、经纬度等数据数值，当货车超重时，在显示具体的载重同时显示警报信号；以及车牌号等基本信息。

图7 软件流程设计图

图8 界面显示图

4 结语

硬件部分以STM32F103RCT6处理器、烟雾传感器、温湿度传感器、称重传感器、声光报警器、GPS定位模块为基础平台，软件部分以物联网互联技术为基础，以LoRaWAN为核心通信协议，使用软件终端对服务器进行读取及显示，用户以此得到相关数据信息。此系统实现信息化检测、监测科学化、信息共享化，在一定程度上能降低交通事故发生率。