王對強(qiáng) 夏 冰 陳海貞

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院 河南平頂山467000）

隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展和橋梁數(shù)量的增多，越來越多的橋梁存在安全隱患和管理難題，尤其在橋梁檢測設(shè)備方面，大部分設(shè)備仍停留在機(jī)械化操作階段上，在信息化和網(wǎng)絡(luò)化方面尚未形成規(guī)模。而伴隨著5G時(shí)代的到來和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對橋梁的安全監(jiān)測與管理提供了更有效地、快捷和安全的方式。

該系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)無線傳輸技術(shù)，為避免如高架橋因超載而側(cè)翻、交通擁擠等產(chǎn)生的安全事故，并配合交通信號燈、后臺檢測等智能調(diào)控，疏導(dǎo)車流量，最大限度降低安全風(fēng)險(xiǎn)。通過ESP8266 WIFI模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁的各參數(shù)，在后臺終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，取代或減少現(xiàn)場人工指揮的交警，尤其在一些偏僻環(huán)境惡劣的地方，進(jìn)行后臺遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測，并可有效記錄與遏止違規(guī)車輛，同時(shí)對橋梁進(jìn)行有效的保護(hù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STM8微處理器為控制核心 ，并由超重檢測模塊、車流量控制模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、顯示模塊、光控路燈模塊、溫度采集模塊、報(bào)警模塊及交通信號燈模塊組成，配合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁的監(jiān)測與智能控制，其整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括 STM8單片機(jī)主控制模塊、超重檢測模塊、車流量控制模塊、光控路燈模塊、報(bào)警模塊、交通信號燈模塊、遠(yuǎn)程控制模塊及顯示模塊。

2.1 STM8主控芯片

STM8S208R8單片機(jī)具有3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，處理速度快，帶有32個(gè)中斷的嵌套中斷控制器，可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。靈活的電源管理模式，使系統(tǒng)的功耗相對較低，并且具有通用I/O口多、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。為方便在戶外條件下使用，本系統(tǒng)采用太陽能電池進(jìn)行供電。STM8最小系統(tǒng)及外圍電路如圖 2所示。

圖2 STM8最小系統(tǒng)及外圍電路

2.2 超重檢測模塊

本系統(tǒng)選用基于應(yīng)變片的壓力傳感器來檢測橋梁所承載的重量和即將要進(jìn)入橋梁車輛的重量。將應(yīng)變片貼于橋梁承受力最小、最容易變形的部位，組成壓力傳感器，同時(shí)在進(jìn)入橋梁前適當(dāng)位置處安裝壓力傳感器。當(dāng)壓力傳感器獲取到的當(dāng)前橋梁承載的重量大于設(shè)定值，或預(yù)進(jìn)入橋梁的車輛重量超過設(shè)定值，則觸發(fā)報(bào)警信號，蜂鳴器工作，交通信號燈由正常情況下的綠燈變?yōu)榧t色 ，同時(shí)顯示屏提示超重信息，并且通過遠(yuǎn)程控制模塊向后臺發(fā)送報(bào)警信息。當(dāng)超載車輛離去或橋梁承載重量恢復(fù)位正常范圍內(nèi)時(shí)，則系統(tǒng)恢復(fù)正常，即交通信號燈由紅色變?yōu)榫G色，蜂鳴器停止工作，顯示屏顯示橋梁所承載的重量等信息。

基于應(yīng)變片的壓力傳感器，配合24位的高精度AD模塊——HX711模塊，可檢測橋梁微小的形變，測量到的應(yīng)變力的精度可達(dá)±1g。在壓力傳感器中，兩個(gè)應(yīng)變片組成半橋差動電橋，提高了傳感器的靈敏度，并減小了非線性誤差。

將基于應(yīng)變片的壓力傳感器用于檢測橋梁的實(shí)時(shí)重量，防止橋梁因過載而損壞，降低使用壽命及發(fā)生安全事故，具有較高的現(xiàn)實(shí)可行性。超重檢測模塊電路如圖3所示。

圖3 超重檢測模塊電路

2.3 車流量控制模塊

TCRT5000紅外光電傳感器用于監(jiān)測當(dāng)前橋上行駛的車輛數(shù)，控制車流量，防止橋上車輛過多，影響橋梁壽命和對交通安全產(chǎn)生不良影響，造成交通擁擠等現(xiàn)象。當(dāng)車輛駛?cè)霕蛏蠒r(shí)，紅外光電傳感器會監(jiān)測到此車輛，系統(tǒng)將自動統(tǒng)計(jì)進(jìn)入的車輛數(shù)，當(dāng)車輛駛離橋上時(shí)，另一個(gè)紅外光電傳感器同樣會監(jiān)測到此車輛，系統(tǒng)將駛出橋梁的車輛數(shù)與駛?cè)氲能囕v數(shù)做差值，以此來統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前橋上行駛的車輛數(shù)。如果橋上統(tǒng)計(jì)的車輛數(shù)目超過所設(shè)定的最大數(shù)目，即進(jìn)入橋梁的車輛數(shù)遠(yuǎn)多于出去的數(shù)目，則觸發(fā)報(bào)警信號，蜂鳴器工作，交通信號燈由綠燈變?yōu)榧t燈，同時(shí)顯示屏提示交通擁擠信息，并且通過遠(yuǎn)程控制模塊向后臺發(fā)送此信息。當(dāng)部分車輛駛離橋面，橋上車輛數(shù)小于所設(shè)最大車輛數(shù)時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)正常，即交通信號燈由紅色變?yōu)榫G色，蜂鳴器停止工作，顯示屏顯示當(dāng)前橋上行駛的車輛數(shù)。

該系統(tǒng)設(shè)置允許橋上同時(shí)行駛的車輛數(shù)的最大數(shù)目的初值為10輛，后臺可通過遠(yuǎn)程控制模塊模塊根據(jù)實(shí)際橋梁、天氣等情況改變此值的大小。紅外光電傳感器電路圖如圖4所示。

圖4 紅外光電傳感器電路

2.4 光控路燈模塊

TEMT6000環(huán)境光傳感器對可見光照度的反應(yīng)特性與人眼的特性類似，可以模擬人對環(huán)境光線的強(qiáng)度的判斷，從而用來檢測橋梁所在環(huán)境的光照強(qiáng)度。當(dāng)光照強(qiáng)度較低時(shí)，系統(tǒng)自動打開橋梁路燈與裝飾燈，當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)，系統(tǒng)自動關(guān)閉路燈與裝飾燈。環(huán)境光傳感器電路如圖5所示。

圖5 環(huán)境光傳感器電路

2.5 溫度采集模塊

溫度做為橋梁的重要參數(shù)，對橋梁的影響越來越受到重視和影響。因熱敏電阻具有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，故本系統(tǒng)采用熱敏電阻采集溫度值，監(jiān)測橋梁和系統(tǒng)的溫度。溫度采集模塊電路如圖6所示。

圖6 溫度采集模塊電路

2.6 報(bào)警模塊與交通信號燈模塊

系統(tǒng)采用無源蜂鳴器來產(chǎn)生不同頻率的報(bào)警信號。當(dāng)車輛超載和橋梁承重過重、車流量過大的情況下，將產(chǎn)生報(bào)警信號。報(bào)警模塊電路如圖7所示。

圖7 報(bào)警模塊

系統(tǒng)分別采用紅、黃、綠三種顏色的發(fā)光二極管，模擬對應(yīng)顏色的交通信號燈。橋梁各個(gè)參數(shù)正常的情況下，交通信號燈綠色為常亮，當(dāng)有車輛超載、橋梁超重、車流量過大等情況發(fā)生時(shí)，交通信號由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，此時(shí)禁止過往車輛通行。交通信號燈模塊電路如圖8所示。

圖8 交通信號燈模塊電路

2.7 遠(yuǎn)程控制模塊

系統(tǒng)采集到的各個(gè)數(shù)據(jù)需要發(fā)送給后臺處理，并通過后臺進(jìn)行對橋梁監(jiān)測控制。該系統(tǒng)通過ESP8266 WIFI模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，具有UART異步串行通信接口。本系統(tǒng)將ESP8266與單片機(jī)通過串口相連接，作為數(shù)據(jù)的收發(fā)站。

將ESP8266的工作模式設(shè)置為AP模式，開啟WIFI熱點(diǎn)，在電腦端或手機(jī)端連接ESP8266的熱點(diǎn)，作為后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)與處理，此時(shí)無需使用定向設(shè)備，其傳輸距離可達(dá) 300m。利用此種模式，需要后臺在系統(tǒng)附近，才可保證系統(tǒng)與后臺的穩(wěn)定通信，但更可取的通信方式，是將 ESP8266 WIFI模塊搭載云平臺，例如阿里云、騰訊云等，則可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信。本系統(tǒng)利用手機(jī)APP作為后臺。

后臺可以通過 WIFI模塊獲取到當(dāng)前橋梁的承載重量、通過橋梁車輛的重量、橋上通行的車輛數(shù)、溫度等信息。通過獲取到的信息進(jìn)行對橋梁的狀況進(jìn)行監(jiān)測與控制，當(dāng)車輛超載和橋梁承重過重時(shí)，系統(tǒng)自動給后臺發(fā)送報(bào)警信息，當(dāng)橋上通行車輛數(shù)過多時(shí)，同樣系統(tǒng)會自動發(fā)送給后臺報(bào)警信息。

當(dāng)發(fā)生一些緊急情況或特殊情況時(shí)，可通過后臺手動控制交通信號燈，此時(shí)交通信號燈不受系統(tǒng)控制，后臺可按照實(shí)際情況手動點(diǎn)亮任意交通信號燈。比如車流量過大，交通嚴(yán)重?fù)矶聲r(shí)，可以后臺遠(yuǎn)程控制交通信號燈，疏導(dǎo)車流量，代替或減少現(xiàn)場執(zhí)勤的交通警察的工作量。

當(dāng)車輛通過橋梁時(shí)，不僅對重量有限制，對車速也有限制，該系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前天氣的狀況，后臺遠(yuǎn)程設(shè)置通過橋梁的限速值。如果出現(xiàn)大霧、雨雪、凍雨和霧霾等天氣，則后臺可手動降低對車速限制值，旨在改變目前在任何天氣情況下對同一路段車速值的限制總是保持不變的現(xiàn)狀。

在后臺也可控制橋梁光控路燈與裝飾燈的任意亮滅，例如在深夜時(shí)分，為節(jié)約用電，不造成資源的浪費(fèi)，可在后臺關(guān)閉橋梁裝飾燈或路燈，此時(shí)即便光照強(qiáng)度很低，系統(tǒng)也不會再點(diǎn)亮。ESP8266 WIFI模塊電路如圖9所示。

圖9 ESP8266 WIFI模塊電路

2.8 顯示模塊

本系統(tǒng)采用0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊，主要用來顯示車輛重量和橋梁承載重量、車輛限速值、報(bào)警信息、溫度、最大允許通行的車輛數(shù)和實(shí)際通行的車輛數(shù)。顯示模塊接口電路如圖10所示。

圖10 顯示模塊接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括超重檢測模塊、車流量控制模塊、光控路燈模塊、報(bào)警模塊、交通信號燈模塊和遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計(jì)，使用C語言在IAR環(huán)境下設(shè)計(jì)，使用ST-Link對程序下載與調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，作了如圖11所示的總體程序流程圖。首先，對系統(tǒng)各模塊參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置承載重量的最大值、最大車流量數(shù)、限速值及光度最小值等。接著系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的一定時(shí)間間隔之后，啟動STM8片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換，采集溫度和光度數(shù)據(jù)，當(dāng)采集的光度數(shù)據(jù)小于初始化中所設(shè)置的值時(shí)，光控路燈模塊工作，在顯示模塊上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則系統(tǒng)一直獲取重量信息，防止車輛超載等情況的發(fā)生，當(dāng)采集到的重量數(shù)據(jù)大于初始化中的所設(shè)置的最大值時(shí)，報(bào)警模塊工作，交通信號燈模塊根據(jù)重量數(shù)據(jù)點(diǎn)亮對應(yīng)的交通信號燈，同時(shí)在顯示模塊上顯示報(bào)警等信息。

圖11 系統(tǒng)總體程序流程圖

3.2 車流量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對車流量的檢測通過中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)檢測到車倆時(shí)，觸發(fā)中斷系統(tǒng)，系統(tǒng)對車流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)車流量大于所設(shè)置的最大允許通行的車輛數(shù)時(shí)，報(bào)警模塊開始工作，同時(shí)根據(jù)車輛數(shù)的多少，交通信號燈模塊點(diǎn)亮對應(yīng)的交通信號燈，在顯示模塊上顯示統(tǒng)計(jì)的車輛數(shù)。車流量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖12所示。

3.3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由ESP8266 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，ESP8266模塊通過串口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。首先由主控芯片通過串口發(fā)送AT指令，配置 ESP8266為 AP模式，接著在手機(jī)端連接ESP8266的熱點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。主控芯片接收數(shù)據(jù)采用中斷接收的方法，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的功能。例如改變程序中設(shè)置的各個(gè)參數(shù)閾值、發(fā)送系統(tǒng)檢測的各個(gè)數(shù)據(jù)、對交通信號燈模塊和光控路燈模塊的控制等。主控芯片收發(fā)數(shù)據(jù)流程圖如圖13所示。

圖12 車流量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖13 主控芯片收發(fā)數(shù)據(jù)流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)基本完成，為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試內(nèi)容主要包括各模塊工作是否正常，數(shù)據(jù)傳輸是否正確，并對不足之處進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 硬件測試

硬件測試尤為重要，因?yàn)橛布B接出現(xiàn)的錯誤往往會使系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)功能甚至導(dǎo)致電路的損壞，本系統(tǒng)硬件的測試主要是電源接口和各模塊電壓檢查。

首先，在系統(tǒng)未上電情況下使用萬用表電阻檔對各個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行測試，測試相連的導(dǎo)線是否導(dǎo)通，測量各個(gè)模塊內(nèi)部電阻是否正常、VCC和GND之間是否存在短路的問題。然后，系統(tǒng)上電，使用萬用表電壓檔測試各芯片供電電壓是否正常。

4.2 軟件測試

軟件測試是開發(fā)中必不可少的流程，進(jìn)行軟件測試可以檢驗(yàn)系統(tǒng)功能是否完善，同時(shí)也能檢測到硬件電路是否正常工作。

4.2.1 超重模塊軟件測試

本模塊的測試過程為：系統(tǒng)上電，將模擬車輛的重物放在設(shè)計(jì)的橋梁之上，獲取重物的重量，根據(jù)一定的比例將重物的質(zhì)量放大，和實(shí)際的車輛重量相接近，再重復(fù)測量幾次，在程序中對壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，使測量精度提高。接著放較重的物體，重量超過所設(shè)置的重量閾值，測量報(bào)警模塊等是否正常工作。沒有物體在橋上時(shí)，屏幕第一行顯示的質(zhì)量信息為0000kg，當(dāng)橋上物體質(zhì)量超過設(shè)置的閾值時(shí)，系統(tǒng)只顯示“overload”。系統(tǒng)上電測試和超重信息顯示如圖14(a)、(b)所示。

圖14 系統(tǒng)上電測試和超重信息顯示

4.2.2 車流量控制模塊軟件測試

對此模塊進(jìn)行軟件測試，將模擬不同車輛的不同大小的物塊，依次通過橋梁，觀測系統(tǒng)是否全部進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果統(tǒng)計(jì)結(jié)果有偏差，則調(diào)節(jié)紅外光電傳感器上的電位器，將紅外光電傳感器的檢測距離調(diào)節(jié)到合適的范圍，接著利用軟件延時(shí)的方法，對紅外光電傳感器去抖動。對兩個(gè)紅外光電傳感器都測試之后，進(jìn)行對橋上車流量的統(tǒng)計(jì)，則在一定速度范圍內(nèi)，可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出橋上的車輛數(shù)。

4.2.3 遠(yuǎn)程控制模塊軟件測試

遠(yuǎn)程控制模塊主要測試數(shù)據(jù)的收發(fā)是否正確，遠(yuǎn)程操作相應(yīng)的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。首先，系統(tǒng)上電之后，手機(jī)端連接好系統(tǒng)產(chǎn)生的熱點(diǎn)之后，則在手機(jī)端可接收到一條消息“successful connection”,說明后臺與系統(tǒng)連接成功。接著系統(tǒng)測試超重模塊和車流量控制模塊是，后臺手機(jī)端均可收到對應(yīng)的報(bào)警提示消息。然后對手機(jī)端APP中所設(shè)置的各個(gè)功能進(jìn)行逐個(gè)測試，功能均可實(shí)現(xiàn)。消息接收成功截圖和手機(jī)端APP功能界面截圖，如圖15所示。

圖15 消息接收成功截圖和手機(jī)端APP功能界面截圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以 STM8S208R8為核心控制器的橋梁檢測與智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對橋梁超載檢測及路燈的自動控制具有精度高、成本低、方便安裝等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的現(xiàn)實(shí)可行性。本設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步改進(jìn)，例如系統(tǒng)對車流量檢測，可選用激光和光敏元件配合檢測，提高檢測的精度；系統(tǒng)可與太陽能路燈共用電源，方便安裝和節(jié)約成本；也可接入攝像頭，對違規(guī)車輛進(jìn)行拍照記錄，方便交通執(zhí)法部門對違規(guī)車輛的管控與打擊；還可配合ETC、北斗導(dǎo)航等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人、車和橋梁進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與共享，提高交通的運(yùn)行效率，為無人駕駛等打好基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)萬物的互聯(lián)互通。