基于STM8的桥梁检测与智能管理系统

王对强 夏 冰 陈海贞

（平顶山学院 信息工程学院 河南平顶山467000）

随着桥梁技术的发展和桥梁数量的增多，越来越多的桥梁存在安全隐患和管理难题，尤其在桥梁检测设备方面，大部分设备仍停留在机械化操作阶段上，在信息化和网络化方面尚未形成规模。而伴随着5G时代的到来和物联网技术的快速发展，对桥梁的安全监测与管理提供了更有效地、快捷和安全的方式。

该系统基于互联网无线传输技术，为避免如高架桥因超载而侧翻、交通拥挤等产生的安全事故，并配合交通信号灯、后台检测等智能调控，疏导车流量，最大限度降低安全风险。通过ESP8266 WIFI模块与互联网连接，实时监测桥梁的各参数，在后台终端进行数据处理和分析，取代或减少现场人工指挥的交警，尤其在一些偏僻环境恶劣的地方，进行后台远程控制与监测，并可有效记录与遏止违规车辆，同时对桥梁进行有效的保护。

1 系统总体设计

系统由STM8微处理器为控制核心 ，并由超重检测模块、车流量控制模块、远程控制模块、显示模块、光控路灯模块、温度采集模块、报警模块及交通信号灯模块组成，配合物联网技术，实现桥梁的监测与智能控制，其整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体设计框图

2 系统硬件设计

系统硬件设计包括 STM8单片机主控制模块、超重检测模块、车流量控制模块、光控路灯模块、报警模块、交通信号灯模块、远程控制模块及显示模块。

2.1 STM8主控芯片

STM8S208R8单片机具有3级流水线的哈佛结构，处理速度快，带有32个中断的嵌套中断控制器，可满足系统实时性要求。灵活的电源管理模式，使系统的功耗相对较低，并且具有通用I/O口多、性价比高、稳定性好的特点，可满足本系统的设计需求。为方便在户外条件下使用，本系统采用太阳能电池进行供电。STM8最小系统及外围电路如图 2所示。

图2 STM8最小系统及外围电路

2.2 超重检测模块

本系统选用基于应变片的压力传感器来检测桥梁所承载的重量和即将要进入桥梁车辆的重量。将应变片贴于桥梁承受力最小、最容易变形的部位，组成压力传感器，同时在进入桥梁前适当位置处安装压力传感器。当压力传感器获取到的当前桥梁承载的重量大于设定值，或预进入桥梁的车辆重量超过设定值，则触发报警信号，蜂鸣器工作，交通信号灯由正常情况下的绿灯变为红色 ，同时显示屏提示超重信息，并且通过远程控制模块向后台发送报警信息。当超载车辆离去或桥梁承载重量恢复位正常范围内时，则系统恢复正常，即交通信号灯由红色变为绿色，蜂鸣器停止工作，显示屏显示桥梁所承载的重量等信息。

基于应变片的压力传感器，配合24位的高精度AD模块——HX711模块，可检测桥梁微小的形变，测量到的应变力的精度可达±1g。在压力传感器中，两个应变片组成半桥差动电桥，提高了传感器的灵敏度，并减小了非线性误差。

将基于应变片的压力传感器用于检测桥梁的实时重量，防止桥梁因过载而损坏，降低使用寿命及发生安全事故，具有较高的现实可行性。超重检测模块电路如图3所示。

图3 超重检测模块电路

2.3 车流量控制模块

TCRT5000红外光电传感器用于监测当前桥上行驶的车辆数，控制车流量，防止桥上车辆过多，影响桥梁寿命和对交通安全产生不良影响，造成交通拥挤等现象。当车辆驶入桥上时，红外光电传感器会监测到此车辆，系统将自动统计进入的车辆数，当车辆驶离桥上时，另一个红外光电传感器同样会监测到此车辆，系统将驶出桥梁的车辆数与驶入的车辆数做差值，以此来统计出当前桥上行驶的车辆数。如果桥上统计的车辆数目超过所设定的最大数目，即进入桥梁的车辆数远多于出去的数目，则触发报警信号，蜂鸣器工作，交通信号灯由绿灯变为红灯，同时显示屏提示交通拥挤信息，并且通过远程控制模块向后台发送此信息。当部分车辆驶离桥面，桥上车辆数小于所设最大车辆数时，系统恢复正常，即交通信号灯由红色变为绿色，蜂鸣器停止工作，显示屏显示当前桥上行驶的车辆数。

该系统设置允许桥上同时行驶的车辆数的最大数目的初值为10辆，后台可通过远程控制模块模块根据实际桥梁、天气等情况改变此值的大小。红外光电传感器电路图如图4所示。

图4 红外光电传感器电路

2.4 光控路灯模块

TEMT6000环境光传感器对可见光照度的反应特性与人眼的特性类似，可以模拟人对环境光线的强度的判断，从而用来检测桥梁所在环境的光照强度。当光照强度较低时，系统自动打开桥梁路灯与装饰灯，当光照强度较高时，系统自动关闭路灯与装饰灯。环境光传感器电路如图5所示。

图5 环境光传感器电路

2.5 温度采集模块

温度做为桥梁的重要参数，对桥梁的影响越来越受到重视和影响。因热敏电阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辨率高等优点，故本系统采用热敏电阻采集温度值，监测桥梁和系统的温度。温度采集模块电路如图6所示。

图6 温度采集模块电路

2.6 报警模块与交通信号灯模块

系统采用无源蜂鸣器来产生不同频率的报警信号。当车辆超载和桥梁承重过重、车流量过大的情况下，将产生报警信号。报警模块电路如图7所示。

图7 报警模块

系统分别采用红、黄、绿三种颜色的发光二极管，模拟对应颜色的交通信号灯。桥梁各个参数正常的情况下，交通信号灯绿色为常亮，当有车辆超载、桥梁超重、车流量过大等情况发生时，交通信号由绿灯亮变为红灯亮，此时禁止过往车辆通行。交通信号灯模块电路如图8所示。

图8 交通信号灯模块电路

2.7 远程控制模块

系统采集到的各个数据需要发送给后台处理，并通过后台进行对桥梁监测控制。该系统通过ESP8266 WIFI模块进行远程无线通信，该模块支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，内置完整的TCP/IP协议栈，具有UART异步串行通信接口。本系统将ESP8266与单片机通过串口相连接，作为数据的收发站。

将ESP8266的工作模式设置为AP模式，开启WIFI热点，在电脑端或手机端连接ESP8266的热点，作为后台进行数据的收发与处理，此时无需使用定向设备，其传输距离可达 300m。利用此种模式，需要后台在系统附近，才可保证系统与后台的稳定通信，但更可取的通信方式，是将 ESP8266 WIFI模块搭载云平台，例如阿里云、腾讯云等，则可实现更远距离的通信。本系统利用手机APP作为后台。

后台可以通过 WIFI模块获取到当前桥梁的承载重量、通过桥梁车辆的重量、桥上通行的车辆数、温度等信息。通过获取到的信息进行对桥梁的状况进行监测与控制，当车辆超载和桥梁承重过重时，系统自动给后台发送报警信息，当桥上通行车辆数过多时，同样系统会自动发送给后台报警信息。

当发生一些紧急情况或特殊情况时，可通过后台手动控制交通信号灯，此时交通信号灯不受系统控制，后台可按照实际情况手动点亮任意交通信号灯。比如车流量过大，交通严重拥堵时，可以后台远程控制交通信号灯，疏导车流量，代替或减少现场执勤的交通警察的工作量。

当车辆通过桥梁时，不仅对重量有限制，对车速也有限制，该系统可以根据当前天气的状况，后台远程设置通过桥梁的限速值。如果出现大雾、雨雪、冻雨和雾霾等天气，则后台可手动降低对车速限制值，旨在改变目前在任何天气情况下对同一路段车速值的限制总是保持不变的现状。

在后台也可控制桥梁光控路灯与装饰灯的任意亮灭，例如在深夜时分，为节约用电，不造成资源的浪费，可在后台关闭桥梁装饰灯或路灯，此时即便光照强度很低，系统也不会再点亮。ESP8266 WIFI模块电路如图9所示。

图9 ESP8266 WIFI模块电路

2.8 显示模块

本系统采用0.96寸OLED显示屏作为显示模块，主要用来显示车辆重量和桥梁承载重量、车辆限速值、报警信息、温度、最大允许通行的车辆数和实际通行的车辆数。显示模块接口电路如图10所示。

图10 显示模块接口电路

3 系统软件设计

该系统软件设计主要包括超重检测模块、车流量控制模块、光控路灯模块、报警模块、交通信号灯模块和远程控制模块的设计，使用C语言在IAR环境下设计，使用ST-Link对程序下载与调试。

3.1 系统总体软件设计

根据系统设计需求，作了如图11所示的总体程序流程图。首先，对系统各模块参数进行初始化，设置承载重量的最大值、最大车流量数、限速值及光度最小值等。接着系统根据设置的一定时间间隔之后，启动STM8片内AD转换，采集温度和光度数据，当采集的光度数据小于初始化中所设置的值时，光控路灯模块工作，在显示模块上显示相应的数据，否则系统一直获取重量信息，防止车辆超载等情况的发生，当采集到的重量数据大于初始化中的所设置的最大值时，报警模块工作，交通信号灯模块根据重量数据点亮对应的交通信号灯，同时在显示模块上显示报警等信息。

图11 系统总体程序流程图

3.2 车流量控制系统软件设计

为提高系统的实时性，系统对车流量的检测通过中断系统来实现。当检测到车俩时，触发中断系统，系统对车流量进行统计，当车流量大于所设置的最大允许通行的车辆数时，报警模块开始工作，同时根据车辆数的多少，交通信号灯模块点亮对应的交通信号灯，在显示模块上显示统计的车辆数。车流量控制系统软件设计流程图如图12所示。

3.3 远程控制系统软件设计

远程控制系统由ESP8266 WIFI模块实现数据的接收，ESP8266模块通过串口与主控芯片进行数据的传输。首先由主控芯片通过串口发送AT指令，配置 ESP8266为 AP模式，接着在手机端连接ESP8266的热点，进行数据的收发。主控芯片接收数据采用中断接收的方法，根据接收到的数据执行相应的功能。例如改变程序中设置的各个参数阈值、发送系统检测的各个数据、对交通信号灯模块和光控路灯模块的控制等。主控芯片收发数据流程图如图13所示。

图12 车流量控制系统软件设计流程图

图13 主控芯片收发数据流程图

4 系统测试

系统测试系统硬件和软件设计基本完成，为了检验设计效果，需要对系统进行测试。测试内容主要包括各模块工作是否正常，数据传输是否正确，并对不足之处进行改进。

4.1 硬件测试

硬件测试尤为重要，因为硬件连接出现的错误往往会使系统无法实现功能甚至导致电路的损坏，本系统硬件的测试主要是电源接口和各模块电压检查。

首先，在系统未上电情况下使用万用表电阻档对各个连接点进行测试，测试相连的导线是否导通，测量各个模块内部电阻是否正常、VCC和GND之间是否存在短路的问题。然后，系统上电，使用万用表电压档测试各芯片供电电压是否正常。

4.2 软件测试

软件测试是开发中必不可少的流程，进行软件测试可以检验系统功能是否完善，同时也能检测到硬件电路是否正常工作。

4.2.1 超重模块软件测试

本模块的测试过程为：系统上电，将模拟车辆的重物放在设计的桥梁之上，获取重物的重量，根据一定的比例将重物的质量放大，和实际的车辆重量相接近，再重复测量几次，在程序中对压力传感器进行校准，使测量精度提高。接着放较重的物体，重量超过所设置的重量阈值，测量报警模块等是否正常工作。没有物体在桥上时，屏幕第一行显示的质量信息为0000kg，当桥上物体质量超过设置的阈值时，系统只显示“overload”。系统上电测试和超重信息显示如图14(a)、(b)所示。

图14 系统上电测试和超重信息显示

4.2.2 车流量控制模块软件测试

对此模块进行软件测试，将模拟不同车辆的不同大小的物块，依次通过桥梁，观测系统是否全部进行统计，如果统计结果有偏差，则调节红外光电传感器上的电位器，将红外光电传感器的检测距离调节到合适的范围，接着利用软件延时的方法，对红外光电传感器去抖动。对两个红外光电传感器都测试之后，进行对桥上车流量的统计，则在一定速度范围内，可准确统计出桥上的车辆数。

4.2.3 远程控制模块软件测试

远程控制模块主要测试数据的收发是否正确，远程操作相应的功能是否能够实现。首先，系统上电之后，手机端连接好系统产生的热点之后，则在手机端可接收到一条消息“successful connection”,说明后台与系统连接成功。接着系统测试超重模块和车流量控制模块是，后台手机端均可收到对应的报警提示消息。然后对手机端APP中所设置的各个功能进行逐个测试，功能均可实现。消息接收成功截图和手机端APP功能界面截图，如图15所示。

图15 消息接收成功截图和手机端APP功能界面截图

5 结语

本文设计了以 STM8S208R8为核心控制器的桥梁检测与智能控制系统。系统对桥梁超载检测及路灯的自动控制具有精度高、成本低、方便安装等优点，具有较高的现实可行性。本设计还需进一步改进，例如系统对车流量检测，可选用激光和光敏元件配合检测，提高检测的精度；系统可与太阳能路灯共用电源，方便安装和节约成本；也可接入摄像头，对违规车辆进行拍照记录，方便交通执法部门对违规车辆的管控与打击；还可配合ETC、北斗导航等技术，实现人、车和桥梁进行数据的传输与共享，提高交通的运行效率，为无人驾驶等打好基础，实现万物的互联互通。