超重车辆检测和预警系统的设计与实现

摘 要：为应对超重车辆导致桥梁垮塌频发的问题，设计一种新型超重车辆检测和预警系统。系统以STM32为主控芯片、称重传感器、MCP3911芯片作为检测元件，并采用HC-SR04超声波测距模块、摄像头等模块实现新型超重车辆通过桥梁时的预警系统。当车辆行驶至铺设有地感线圈的路面时，传感器开始感受到压力的变化，随着车辆前轮和后轮依次驶离地感线圈，传感器将动态采集到的车重实时信号通过具有高共模抑制比的电桥电路放大，并通过信号滤波处理电路进行分析处理；同时摄像头会实时抓拍，最后将采集到的图片通过阿里云搭建的FTP服务器进行存储。经实验测试，该系统能够精准地测量行驶中的车辆重量，并及时预警。该系统具有小型化、结构简单、实时预警的特点。

关键词：超重车辆检测；实时预警；地感线圈；压力传感器；FTP服务器；超声波测距

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

随着我国基础设施建设的完善，道路桥梁等基建工程得到了较为完备的发展，道路里程迅速增长，桥梁数目大大增加，随之而来的还有桥梁的安全性问题。由于车辆超载、超重和桥梁本身的自然老化等因素的影响，桥梁的安全隐患增大。桥梁的安全风险问题越来越受到人们的重视，现今迫切需要建立一种方便合理的安全风险预测、评估和保障机制，以提高桥梁的抗风险能力，保证桥梁在运营期间的安全。在众多对桥梁安全的威胁因素中，超重车辆过桥无疑是较为严重的问题之一[1-3]。交通部门往往会在车辆通过桥梁时给出明显的限重提示，但是由于司机的疏忽大意，安全意识不足，以及受到光线反射等因素的影响，常常会将超重车辆驶入桥面，损害桥梁寿命，甚至存在酿成一场不必要的事故的风险[4-5]。在传统的车重测量系统中，需要将车辆测重仪器放置在平整路面上[6]，在仪表上设置好参数之后再让车辆缓慢通过，最后得到车重[7]。这种传统检测方式效率低下，费时费力，会大大降低车辆通行的速度，严重时还会导致交通拥堵，造成不良影响。针对传统检测方式效率低下、易造成拥堵等缺点，亟需一种能够动态测量超重车辆并预警的车辆重量检测系统。

为此本文设计出一款车辆重量动态检测系统，在车辆行驶过程中就可以对其重量进行检测，免去停车的过程；在测量出车辆超重之后，系统会启动摄像头对违法车辆进行抓拍，获取超重车辆的信息，并且在桥梁上方LED显示屏上显示“已超重”字样对超重车辆进行提醒。如若车辆不停车继续驶入桥梁路段，系统会将所拍的违法车辆信息上传，存储至系统后台供管理人查阅，为交通管理部门执法提供证据。

1 系统总体方案设计

本系统由电源模块、若干位于不同位置的车重检测模块、顶部摄像头以及显示模块、单片机模块等四部分组成。电源部分将外部220 V交流电处理成各个模块和电路板所需要的电源，分别保证各模块正常工作；称台、信号调理、ADC以及单片机构成系统的车重检测模块；秤台上的压力传感器能将车重所产生的电压信号调理成适合ADC检测的模拟电压，单片机部分根据ADC测得的电压大小，理论上可以测得车的重量。系统的总体设计方案如图1所示。

2 系统硬件部分设计

2.1 称重传感器的分类与选择

目前国内外的动态称重系统常用的称重传感器主要有三类，分别是压阻式传感器、压电式传感器、应变式传感器。三种传感器的优缺点见表1所列。其中应变式传感器是基于应变效应工作的，应变式传感器可以把压力的变化转换成电阻值的变化，应变片的材质一般是金属导体或者半导体，阻值随力的变化而变化。综合来看，更适合采用电阻式应变传感器。

电阻应变式称重传感器主要由三部分组成：弹性体、电阻应变片、测量电路。当传感器没有受到外界压力时，传感器内部的弹性体不发生形变，电阻应变片由于是粘贴于弹性体表面，所以同样不发生形变，此时电桥处于平衡状态，输出电压为零；当传感器受到外力的作用时，传感器内部的弹性体将会发生形变，电阻应变片也会发生形变，其阻值相应改变，单桥不平衡，输出电压不为零，也就实现了将阻值的变化转换为电信号输出的过程。在众多传感器中，更推荐使用窄条式弯板称重传感器，此传感器具有防护等级高、容错率高的特点，同时具有高强度纯受弯板结构，传感器厚度低于55 mm，具有IP68级防水，对于具有动态响应特性的可测车速高达165 km/h。耐热性、耐寒性较强，受季节影响较小。在路面铺设时，可用于交通流量轴载调查、车辆超重预警、货场物料称重等；在桥面铺设时，可以用于车辆超重预警[8-9]。窄条式弯板称重传感器采取集点非线性分布支撑[10]，变截面受弯板梯度应变感应方式[11]，通过同相应变的差值获取轮重数据。

2.2 单片机的选择

系统主控芯片为ST公司生产的32位且自带12位模数转换器STM32F103RCT6单片机[12-13]。STM32F103RCT6内部包括模数转换器（ADC）、数字模拟转换器（DAC）、定时器（TIMER）、串行通信接口（USART）、串行外设接口（SPI）、串行总线接口（I2C）。

STM32F103RCT6具有12位模数转换器、计时器、PWM计时器、标准和高级通信接口，全面的省电模式允许设计者设计低功率应用。运行电压范围为2～3.6 V。

支持CAN、USB和Ethernet等多种通信协议。此外，STM32F103RCT6芯片集成了多个外设接口，接口资源丰富。该芯片具有512 KB闪存和64 KB SRAM以及多种保护机制，例如CRC校验、独立看门狗和低功耗模式等，可以帮助开发者提高系统可靠性和安全性。

除此之外，STM32F103RCT6也提供了丰富的开发工具和软件库。例如Keil MDK、IAR Embedded Workbench和STMCubeMX等常用的开发软件，方便开发者进行系统设计和调试，对开发者十分友好。

由于众多优点，STM32F103RCT6在工业自动化、嵌入式系统、医疗设备、智能家居等等领域中获得了广泛、深入的应用。

将秤台上读取的数据经过信号调理电路进行处理后，单片机两个ADC信号通道接收处理后的测量信号，完成对这两路信号的采样和模数转换；采用无线通信的4G模块通过串口将数据发送出去，而远程客户端下发的指令进行接收并完成解析操作，做出相应的响应；LCD液晶显示屏实时显示处理得到的数据，并做出相应的警示或正常响应显示。此外，单片机内部还结合了高性能的RISC内核，运行频率可达72 MHz，并内嵌了高速存储器[14]，掉电后数据仍能保持不变。

2.3 摄像头的选择

图像采集设备采用海康威视的DS-2DC4223IW-D/GLT（D），该设备与普通摄像头相比具有显著优势[15]，其本身集成了4G模块和网线端口，并且还提供了上位机软件。按照系统要求，当称重传感器测得车辆超重时，摄像头启动抓拍，并将抓拍到的图片通过FTP的方式，上传到利用阿里云搭建的FTP服务器上进行存储，图片的名称可以统一命名为“时间+重量”。通过开发PC端的软件，实现对FTP服务器的定期访问，将云端的照片存入本地。FTP是一种处于应用层的用于文件传输的协议，与众不同的是FTP使用2个端口：1个数据端口和1个命令端口（也可叫做控制端口）。FTP协议包括两个组成部分：其一为FTP服务器；其二为FTP客户端，实现文件共享服务。FTP服务FTP协议访问位于FTP服务器上的资源，并将文件下载到本地，服务器也可允许客户端将本地文件上传到服务器。由于FTP传输效率非常高，在网络上传输大的文件时，一般也采用该协议。因此利用该协议，完成4G摄像头采集的图片的传输。同时FTP云服务器的搭建也会提供一个公网IP，解决了公网与内网之间的访问问题。

2.4 超声波测速模块

载重车辆在桥梁道路上行驶运动过程中，车辆速度是一个相当重要的指标，也是交通信息采集系统检测的主要动态参数之一。超声波测速模块是实现行驶车辆速度测量的关键模块，本系统采用HC-SR04超声波测距模块。该模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3 mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，利用发射和接收的时间差再加上回传距离即可求出车速。

超声波测距原理如图2所示。超声波测速是每隔一段相等时间，发出一超声脉冲信号，接着再每隔一段时间接收到经汽车反射回的该超声脉冲信号。若车辆匀速行驶，则间隔时间相同，根据发出和接收到的信号间的时间间隔差和声速，测出被测汽车的速度。HC-SR04测速基本工作原理：首先，使用单片机的一个引脚发送一个至少10 μs高电平的TTL脉冲信号到模块的Trig引脚，用于触发模块工作。其次，模块检测到触发信号之后，会自动发送8个40 kHz的方波，然后自动切换至监测模式，监测是否有信号返回（超声波信号遇障碍物会返回）。如果有信号返回，通过模块的Echo引脚会输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。因为声音在空气中的速度为340 m/s，即可计算出所测的距离。最后，再利用采集到发射和接收的时间差，通过速度的定义公式将车辆行驶速度计算出来。

超重车辆检测的原理如图3所示。

3 系统软件设计

本系统以Visio Studio2016为集成开发环境，以C#为开发语言，并结合SQL server数据库相关技术，将照片信息、拍摄时间、车辆速度等信息进行持久化存储以供查阅。当测到车辆动态重量之后，系统根据车速对车重进行补偿，当判定为系统超重时，LED显示屏会显示 “已超重”并对违规车辆信息进行抓拍记录。软件的整体流程如图4所示。软件整体界面如图5所示。

4 实验结果与分析

由于实际布设完整系统的花费太大，在没有项目需求的情况下难以完成，因此本文着重对于一些关键模块和设计进行了测试和分析，借此分析和测评整个系统设计的合理性和正确性。

4.1 报警模块测试

当系统检测到车辆超重，报警模块需要进行声光报警并且抓拍图片。目前单片机模块的时钟为50 MHz，由于整个系统代码并不复杂，理论上微处理器可以在几十微秒内完成对超重车辆的判断。当车辆的行驶速度在5～100 km/h这个区间时，摄像头可以在10 ms内完成拍照，而此时车辆的位移为1.38×10-5～2.77×10-4 m，可以认为车辆基本不动。因此声光报警可以被司机察觉，且具有自动调焦功能的摄像头可以完成拍照操作。

4.2 超重检测模块的测试和分析

传统动态称重系统主要由称台（压力变送器）、运放、ADC和单片机等部分构成。相较于静态称重系统，动态称重系统对ADC和单片机部分的要求较高，要求系统能快速、准确地测得称台输出的电压信号。由于车辆一直运动，导致车辆给称台的压力也在随时间变化。采用高精度ADC、MCP3911配合STM32完成检测。实验发现该ADC检测部分能对±0.6 V范围内的电压进行分辨率优于15位的模数转换，且转换速度达20 kHz以上，即在1 ms内就有20个有效检测结果，因此当车辆通过称台时可以获得多组测量结果来分析是否超重。实际上需要将称台的输出电压调理到±0.6 V范围内。模拟称重及误差数据见表2所列。

4.3 车辆抓拍模块测试

车辆抓拍系统包括摄像机、4G通信模块、FTP服务器以及管理中心的软件等。当称重系统检测到超重时，通知抓拍系统工作。实验发现，采用的摄像头能在1 ms内响应STM32的抓拍指令并完成拍照，能够获得清晰度满足要求的车辆照片，摄像头自带的缓存和图片格式转换功能，能根据预先配置将图片上传至指定的FTP服务。传输一张完整图片的耗时可能因为4G速度变化而变化，但是实验发现通常能在1 ms内完成传输，而且相应的软件配置支持断点续传，图片发送完成后该图片在缓存中删除。图片将在FTP服务器上长期保存，管理部门登录该服务器可以随时下载查看或删除图片。总之，该部分的性能满足使用要求。

5 结 语

在我国基础设施建设日益完善的今天，道路桥梁工程的建设也日益完备，桥梁路段增多，桥梁安全事故发生的风险也随之增加，因此桥梁安全越来越受重视。超重车辆通过桥梁会对桥梁造成很大损害，车辆超重是影响桥梁安全最重要的因素之一。传统检测方式落后、检测效率低下，往往会造成交通拥堵。为此本文设计了一种新型超重车辆通过桥梁预警系统，对于超重车辆过桥起到一定的警示作用，有利于减少事故的发生。

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作者简介：赵 宁（1981—），男，工程硕士，正高级工程师，研究方向为公路建设与养护。

葛富元，男，本科生，研究方向为嵌入式系统设计。

屈八一，男，副教授，研究方向为嵌入式系统设计及应用。

收稿日期：2023-04-23 修回日期：2023-05-22

基金项目：国家自然科学基金（11873039，1177302）；陕西省自然科学基金（2019JM-80）；长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助（300102240107）；长安大学大学生创新创业训练计划（2019710082）