孫張濤 李祖松 宣 陽 羅 玲

(皖西學院 電子與信息工程學院，安徽 六安 237012)

車輛超載不僅會對路面，橋梁造成嚴重損害，更有甚者，對貨車進行非法改裝，嚴重危及國家和人民的生命財產(chǎn)安全，誘發(fā)了大量的道路交通事故[1]。我國每年由貨車超載引發(fā)的公路養(yǎng)護、維修成本高達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系[2]；另外超載加大了事故的發(fā)生率和嚴重性[3]。

針對以上問題，由最初的加強源頭監(jiān)管、強化道路治理、完善法律體系等[4]；到目前市場上以收費站的過磅檢查為主[5]。同時又陸續(xù)出現(xiàn)一些新技術應用于貨車超載中，如單片機技術、GPRS技術等，但在實時警報、數(shù)據(jù)及時更新、待機能力上存在局限性[6]。針對現(xiàn)有的道路監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，其設計利用了硬件與軟件之間的相互作用從而實現(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時檢測壓力值，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給處理器并通過預設程序判斷之后是否需要發(fā)出警報信息，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，從而實時監(jiān)控貨車狀態(tài)，實現(xiàn)對貨車車廂安全的智能監(jiān)控。本文將從系統(tǒng)設計、硬件組成、軟件終端三個部分進行闡述我們的產(chǎn)品設計。

1 系統(tǒng)設計

智能交通安全貨車超載智能檢測系統(tǒng)，采用了LoRa無線通信技術和GPS定位技術實現(xiàn)對道路貨車車輛超載進行監(jiān)測的功能。監(jiān)測模塊通過稱重傳感器、聲光報警器、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無線通信技術對數(shù)據(jù)進行傳輸，傳輸?shù)街鞴δ苣K，進行數(shù)據(jù)分析，若超過限度發(fā)出報警。同時數(shù)據(jù)也會傳輸?shù)饺藱C交互終端，在軟件顯示終端進行數(shù)據(jù)處理，向工作人員展示相關信息，通知交管人員及時出警處理該車，同時也會發(fā)出聲音報警信號通知司機進行減重處理，能夠有效防止貨車超載。另外，通過溫度傳感器、煙霧傳感器對車廂內(nèi)的溫度及煙霧信號進行檢測，實現(xiàn)實時監(jiān)測車廂，并將火災信息傳送至人機交互終端，以通知交管人員及時出警滅火、搶救人員，同時通過聲光報警器發(fā)出聲光報警信號，以提示司機和行人緊急遠離貨車，確保司機和行人的人身安全。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；另一部分為太陽能電池板供電。

貨車超載智能檢測系統(tǒng)的結構設計如下，其設計分為監(jiān)測模塊、供電模塊、通信模塊、人機交互模塊四部分。貨車超載智能檢測系統(tǒng)總體框架(如圖1所示)。

圖1 貨車超載智能檢測系統(tǒng)總體

為了應對實際狀況，在實際安裝中采用如下布局。其車廂上所述的各智能模塊由導線接入主控模塊，實際走線方式為在車廂內(nèi)壁秉持最近路徑原則，盡量減少導線環(huán)繞，從而實現(xiàn)了線路連接和車廂一體化。稱重傳感器設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，并實時傳送重量信號至微控制器中進行處理，太陽能電池板通過支架延伸設置于貨車車廂的外側，并設置于車廂外側底部四周，并高度位于車輪之上，可有效確保太陽能電池板最大程度接收太陽能并轉換為電能傳輸至供電電池組進行存儲，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

為了驗證這一結構設計方法的可行性，筆者進行了數(shù)據(jù)收集與測試，系統(tǒng)實物(如圖3所示)。

圖3 系統(tǒng)實物圖

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)測模塊、供電模塊。

2.1 主功能數(shù)據(jù)分析處理模塊

單片機電路作為電路的核心控制單元，采用了STM32F103RCT6型號的單片機，該單片機工作電壓為5v，片內(nèi)Flash程序存儲器為256KB字節(jié)，SRAM為64字節(jié)，8個定時器，6個中斷源，共有32個通用IO口。單片機STM32F103RCT6最小系統(tǒng)由電源VCC、晶振電路和復位電路構成。

2.2 LORA嵌入式串口通訊模塊

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

圖4 LORA通訊模塊

2.3 GPS定位模塊

本模塊可提供移動貨車的位置信息，當ATK1218-BD模塊處于正常工作狀態(tài)時，其將自動按照事先設定的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖5所示；實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉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的相對定位技術，當本系統(tǒng)應用的貨車數(shù)目達到一定范圍時，各貨車可等同于一個節(jié)點，起到相對定位的作用。

圖5 GPS報警模塊

2.4 監(jiān)測模塊設計

監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的重要模塊組成部分，主要用來監(jiān)測重量、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傳感器來實現(xiàn)對以上數(shù)據(jù)的檢測。如圖6所示，分別為重量監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測工作電路圖；其中溫濕度傳感器實時檢測車廂內(nèi)的溫濕度，煙霧傳感器實時檢測車廂內(nèi)有無燃燒煙霧，并將數(shù)據(jù)傳送給控制器，以實現(xiàn)車廂火災的監(jiān)測。為了降低成本并提高監(jiān)測時效性，采用SHT11溫濕度檢測器，能夠簡便、準確地測量溫濕度；采用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器可檢測多種可燃性氣體，對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想。其中所用檢測傳感器為工業(yè)傳感器，以便最大限度保證所測數(shù)據(jù)的準確性。

圖6 煙霧器監(jiān)測、重量監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測

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

3 系統(tǒng)軟件設計

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端和手機端，旨在服務交通管理部門和客戶。通過稱重傳感器和GPS模塊可對貨車實現(xiàn)超載監(jiān)測，并在貨車車廂已超載時，GPS模塊通過LORA無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將貨車重量、位置及其他預設信息傳送給遠端的人機交互終端，以通知交管人員及時出警處理該車，能夠有效防止貨車超載。另外，通過溫度傳感器、煙霧傳感器對車廂內(nèi)的溫度及煙霧信號進行檢測，實現(xiàn)實時監(jiān)測車廂，并將火災信息傳送至人機交互終端，以通知交管人員及時出警滅火、搶救人員，同時通過聲光報警器發(fā)出聲光報警信號以提示司機和行人緊急遠離貨車，確保司機和行人的人身安全。

3.1 軟件流程設計

如圖7所示，首先對各設備進行初始化，然后加入網(wǎng)絡，接著讀取監(jiān)測模塊中所有傳感器的數(shù)值，同時設置各環(huán)境變量的限度。這里以重量監(jiān)測為例，設置重量限度H，調(diào)動監(jiān)測模塊中的重量傳感器讀取重量h。此時程序進行判斷，若測得的重量超出設置的重量限度，則調(diào)用聲光報警器報警；若測得的重量不超出設置的重量限度，則繼續(xù)調(diào)用重量監(jiān)測，實時地對數(shù)據(jù)進行讀取。

3.2 軟件界面設計

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，當貨車超重時，在顯示具體的載重同時顯示警報信號；以及車牌號等基本信息。

圖7 軟件流程設計圖

圖8 界面顯示圖

4 結語

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、聲光報警器、GPS定位模塊為基礎平臺，軟件部分以物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)技術為基礎，以LoRaWAN為核心通信協(xié)議，使用軟件終端對服務器進行讀取及顯示，用戶以此得到相關數(shù)據(jù)信息。此系統(tǒng)實現(xiàn)信息化檢測、監(jiān)測科學化、信息共享化，在一定程度上能降低交通事故發(fā)生率。