孫張濤 李祖松 宣 陽(yáng) 羅 玲

(皖西學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

車輛超載不僅會(huì)對(duì)路面，橋梁造成嚴(yán)重?fù)p害，更有甚者，對(duì)貨車進(jìn)行非法改裝，嚴(yán)重危及國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，誘發(fā)了大量的道路交通事故[1]。我國(guó)每年由貨車超載引發(fā)的公路養(yǎng)護(hù)、維修成本高達(dá)700億元，而其中50%的交通事故人員傷亡和超載有著密不可分的關(guān)系[2]；另外超載加大了事故的發(fā)生率和嚴(yán)重性[3]。

針對(duì)以上問題，由最初的加強(qiáng)源頭監(jiān)管、強(qiáng)化道路治理、完善法律體系等[4]；到目前市場(chǎng)上以收費(fèi)站的過磅檢查為主[5]。同時(shí)又陸續(xù)出現(xiàn)一些新技術(shù)應(yīng)用于貨車超載中，如單片機(jī)技術(shù)、GPRS技術(shù)等，但在實(shí)時(shí)警報(bào)、數(shù)據(jù)及時(shí)更新、待機(jī)能力上存在局限性[6]。針對(duì)現(xiàn)有的道路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺陷，其設(shè)計(jì)利用了硬件與軟件之間的相互作用從而實(shí)現(xiàn)防超載與智能功能。一方面我們通過按附于車廂底部的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力值，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給處理器并通過預(yù)設(shè)程序判斷之后是否需要發(fā)出警報(bào)信息，從而排除因超載造成道路安全的隱患，給予一定安全作用;另一方面則是通過其GPS定位模塊、煙霧傳感器、溫濕度傳感器利用了內(nèi)嵌式的傳感器與定位器的方法來獲取貨車狀態(tài)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理器處理后由LORA傳輸給軟件顯示終端，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控貨車狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨車車廂安全的智能監(jiān)控。本文將從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件組成、軟件終端三個(gè)部分進(jìn)行闡述我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能交通安全貨車超載智能檢測(cè)系統(tǒng)，采用了LoRa無線通信技術(shù)和GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)道路貨車車輛超載進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能。監(jiān)測(cè)模塊通過稱重傳感器、聲光報(bào)警器、GPS定位模塊、溫濕度、煙霧傳感器，采集貨車重量和環(huán)境數(shù)據(jù)。通過LORA無線通信技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，傳輸?shù)街鞴δ苣K，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，若超過限度發(fā)出報(bào)警。同時(shí)數(shù)據(jù)也會(huì)傳輸?shù)饺藱C(jī)交互終端，在軟件顯示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，向工作人員展示相關(guān)信息，通知交管人員及時(shí)出警處理該車，同時(shí)也會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)通知司機(jī)進(jìn)行減重處理，能夠有效防止貨車超載。另外，通過溫度傳感器、煙霧傳感器對(duì)車廂內(nèi)的溫度及煙霧信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車廂，并將火災(zāi)信息傳送至人機(jī)交互終端，以通知交管人員及時(shí)出警滅火、搶救人員，同時(shí)通過聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以提示司機(jī)和行人緊急遠(yuǎn)離貨車，確保司機(jī)和行人的人身安全。此外，供電模塊由兩部分組成：一部分為貨車蓄電池直接供電；另一部分為太陽(yáng)能電池板供電。

貨車超載智能檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下，其設(shè)計(jì)分為監(jiān)測(cè)模塊、供電模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊四部分。貨車超載智能檢測(cè)系統(tǒng)總體框架(如圖1所示)。

圖1 貨車超載智能檢測(cè)系統(tǒng)總體

為了應(yīng)對(duì)實(shí)際狀況，在實(shí)際安裝中采用如下布局。其車廂上所述的各智能模塊由導(dǎo)線接入主控模塊，實(shí)際走線方式為在車廂內(nèi)壁秉持最近路徑原則，盡量減少導(dǎo)線環(huán)繞，從而實(shí)現(xiàn)了線路連接和車廂一體化。稱重傳感器設(shè)置在貨車車廂的底部， GPS模塊、LORA數(shù)據(jù)傳輸模塊均與控制器相連，并實(shí)時(shí)傳送重量信號(hào)至微控制器中進(jìn)行處理，太陽(yáng)能電池板通過支架延伸設(shè)置于貨車車廂的外側(cè)，并設(shè)置于車廂外側(cè)底部四周，并高度位于車輪之上，可有效確保太陽(yáng)能電池板最大程度接收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)換為電能傳輸至供電電池組進(jìn)行存儲(chǔ)，以便為稱重傳感器供電，供電電池組為稱重傳感器、GPS模塊、LORA數(shù)據(jù)傳輸模塊等供電(如圖2所示)。

圖2 系統(tǒng)安裝示意圖

為了驗(yàn)證這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的可行性，筆者進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集與測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)物(如圖3所示)。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

2 硬件組成

硬件分為五大模塊，分別為：主功能數(shù)據(jù)分析處理模塊、LORA嵌入式串口通訊模塊、GPS定位模塊、監(jiān)測(cè)模塊、供電模塊。

2.1 主功能數(shù)據(jù)分析處理模塊

單片機(jī)電路作為電路的核心控制單元，采用了STM32F103RCT6型號(hào)的單片機(jī)，該單片機(jī)工作電壓為5v，片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器為256KB字節(jié)，SRAM為64字節(jié)，8個(gè)定時(shí)器，6個(gè)中斷源，共有32個(gè)通用IO口。單片機(jī)STM32F103RCT6最小系統(tǒng)由電源VCC、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。

2.2 LORA嵌入式串口通訊模塊

本模塊用來和PC端進(jìn)行LORA無線通信，系統(tǒng)電路中采用E32嵌入式LORA串口通訊模塊進(jìn)行無線通信。E2嵌入式LORA串口通訊模塊具有自動(dòng)連接工作模式。當(dāng)LORA傳輸模塊在工作模式下工作時(shí)，會(huì)自主根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的方式連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通過對(duì)模塊外部引腳(PI12)的控制，如圖4所示，從而實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換及所收集數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。

圖4 LORA通訊模塊

2.3 GPS定位模塊

本模塊可提供移動(dòng)貨車的位置信息，當(dāng)ATK1218-BD模塊處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其將自動(dòng)按照事先設(shè)定的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖5所示；實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換是通過控制模塊外部引腳(PIO9)，由于GPS在室內(nèi)密封環(huán)境中難以正常工作，所以將GPS模塊安裝于靠近車門處，此外由于LORA的相對(duì)定位技術(shù)，當(dāng)本系統(tǒng)應(yīng)用的貨車數(shù)目達(dá)到一定范圍時(shí)，各貨車可等同于一個(gè)節(jié)點(diǎn)，起到相對(duì)定位的作用。

圖5 GPS報(bào)警模塊

2.4 監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)模塊是系統(tǒng)的重要模塊組成部分，主要用來監(jiān)測(cè)重量、煙霧、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。分別由稱重傳感器(DYMH)，煙霧傳感器(MQ-2)，溫濕度SHT11傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)以上數(shù)據(jù)的檢測(cè)。如圖6所示，分別為重量監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)工作電路圖；其中溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車廂內(nèi)的溫濕度，煙霧傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車廂內(nèi)有無燃燒煙霧，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器，以實(shí)現(xiàn)車廂火災(zāi)的監(jiān)測(cè)。為了降低成本并提高監(jiān)測(cè)時(shí)效性，采用SHT11溫濕度檢測(cè)器，能夠簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地測(cè)量溫濕度；采用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。其中所用檢測(cè)傳感器為工業(yè)傳感器，以便最大限度保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖6 煙霧器監(jiān)測(cè)、重量監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè)

2.5 供電模塊介紹

供電模塊由兩部分組成：一部分為貨車蓄電池直接供電；另一部分為太陽(yáng)能電池板供電。在太陽(yáng)能電池板經(jīng)陽(yáng)光照射后，產(chǎn)生的電能由電壓轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為低電壓儲(chǔ)存于貨車蓄電池中。太陽(yáng)能電池板通過支架延伸設(shè)置于貨車車廂的外側(cè)，可有效確保太陽(yáng)能電池板最大程度接收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)換為電能傳輸至供電電池組進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)為稱重傳感器供電，供電方式優(yōu)選采用太陽(yáng)能電池板為各模塊進(jìn)行供電，當(dāng)太陽(yáng)能電池板無電能提供給各模塊時(shí)，則啟用蓄電池直接供電方式為系統(tǒng)供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件界面采用NI LabVIEW圖形化界面，該可視化軟件終端可用于PC端和手機(jī)端，旨在服務(wù)交通管理部門和客戶。通過稱重傳感器和GPS模塊可對(duì)貨車實(shí)現(xiàn)超載監(jiān)測(cè)，并在貨車車廂已超載時(shí)，GPS模塊通過LORA無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將貨車重量、位置及其他預(yù)設(shè)信息傳送給遠(yuǎn)端的人機(jī)交互終端，以通知交管人員及時(shí)出警處理該車，能夠有效防止貨車超載。另外，通過溫度傳感器、煙霧傳感器對(duì)車廂內(nèi)的溫度及煙霧信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車廂，并將火災(zāi)信息傳送至人機(jī)交互終端，以通知交管人員及時(shí)出警滅火、搶救人員，同時(shí)通過聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)以提示司機(jī)和行人緊急遠(yuǎn)離貨車，確保司機(jī)和行人的人身安全。

3.1 軟件流程設(shè)計(jì)

如圖7所示，首先對(duì)各設(shè)備進(jìn)行初始化，然后加入網(wǎng)絡(luò)，接著讀取監(jiān)測(cè)模塊中所有傳感器的數(shù)值，同時(shí)設(shè)置各環(huán)境變量的限度。這里以重量監(jiān)測(cè)為例，設(shè)置重量限度H，調(diào)動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊中的重量傳感器讀取重量h。此時(shí)程序進(jìn)行判斷，若測(cè)得的重量超出設(shè)置的重量限度，則調(diào)用聲光報(bào)警器報(bào)警；若測(cè)得的重量不超出設(shè)置的重量限度，則繼續(xù)調(diào)用重量監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

3.2 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面采用NI LabVIEW圖形化界面，如圖8所示。其中可分別顯示系統(tǒng)是否連接成功、溫濕度、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)數(shù)值，當(dāng)貨車超重時(shí)，在顯示具體的載重同時(shí)顯示警報(bào)信號(hào)；以及車牌號(hào)等基本信息。

圖7 軟件流程設(shè)計(jì)圖

圖8 界面顯示圖

4 結(jié)語(yǔ)

硬件部分以STM32F103RCT6處理器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、稱重傳感器、聲光報(bào)警器、GPS定位模塊為基礎(chǔ)平臺(tái)，軟件部分以物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)為基礎(chǔ)，以LoRaWAN為核心通信協(xié)議，使用軟件終端對(duì)服務(wù)器進(jìn)行讀取及顯示，用戶以此得到相關(guān)數(shù)據(jù)信息。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)科學(xué)化、信息共享化，在一定程度上能降低交通事故發(fā)生率。