CN112187855A - 一种基于cps的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备 - Google Patents

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张晶
郭一翰
冯勇
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Yunnan Xiaorun Technology Service Co ltd
Kunming University of Science and Technology
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Yunnan Xiaorun Technology Service Co ltd
Kunming University of Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，属于交通技术安全领域。本发明包括蓄电池、桥梁安全通行语音报警设备、NB‑IOT网关、云服务器、终端监视设备。桥梁安全通行语音报警设备中的NB‑IOT通信模块与NB‑IOT网关连接，NB‑IOT网关通过NB‑IOT射频接收桥梁安全通行语音报警设备发来的数据，并通过在TCP/IP网络传输协议之上的MQTT协议，向云服务器进行无线转发；云服务器接收NB‑IOT网关转发的数据，存储后，通过TCP/IP协议向用户的终端监视设备分享或展示监视数据和预报警信息。本发明通过称重感知一定时间内所行车辆重力以及振动传感器检测得出现在桥梁是否处于平稳状态，根据发出语音报警信号提醒未进入桥梁的车辆，极大地保证了桥梁通行的安全。

Description

一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备
技术领域
本发明涉及一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，属于交通技术安全领域。
背景技术
由于现有的大部分原桥设计荷载等级较低，并且使用年限已久，车辆的长期反复作用，致使主要结构材料力学性能降低，大桥整体承载能力下降，已无法承受严重超载的车辆行驶，超载车的长期碾压是该桥损坏的重要原因。桥梁通行的安全已是国民所关注的热点，桥梁悬索及桥面部分断裂，桥面两端同时塌陷等安全隐患严重威胁着我国人民的人身安全，此外桥梁长期超负荷运转，现有技术在钢缆的防锈以及大桥的悬吊式设计和部分施工材料不合格问题上也不存在切实有效的防范措施。
本发明的技术来源于云南省技术创新人才资助项目(2019HB113)；云南省“万人计划”产业技术领军人才资助项目(云发改人事[2019]1096号)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，通过通过称重感知一定时间内所行车辆重力以及震动传感器检测得出现在桥梁是否处于平稳状态，根据发出语音报警信号提醒未进入桥梁的车辆，同时该设备能够向相关人员进行桥梁安全预警，极大地保证了桥梁通行的安全。
本发明的技术方案是：一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，包括蓄电池、桥梁安全通行语音报警设备、NB-IOT网关、云服务器、终端监视设备。桥梁安全通行语音报警设备中的NB-IOT通信模块与NB-IOT网关连接，NB-IOT网关通过NB-IOT射频接收桥梁安全通行语音报警设备发来的数据，并通过在TCP/IP网络传输协议之上的MQTT协议，向云服务器进行无线转发；云服务器接收NB-IOT网关转发的数据，存储后，通过TCP/IP协议向用户的终端监视设备分享或展示监视数据和预报警信息。
桥梁安全通行语音报警设备包括可调稳压电源电路，语音报警模块，STM32单片机模块，桥梁安全检测电路，NB-IOT通信模块。STM32单片机模块分别与语音报警模块、桥梁安全检测电路连接，STM32单片机模块与NB-IOT通信模块通信连接，蓄电池通过可调稳压电源电路为STM32单片机模块、桥梁安全检测电路、NB-IOT通信模块、语音报警模块供电。
所述可调稳压电源电路包括LM317三端稳压器U6、整流二极管D5、整流二极管D6、整流二极管D7、整流二极管D8、二极管D9、二极管D10、电阻R22、电阻R23、电阻R24、滑动电阻器R25、极性电容C20、极性电容C19、电容C21、电容C22、变压器B1，微型电压表PV。LM317三端稳压器U6的3号引脚同时接C20的一端、C21的一端、D10的负极、D6的负极、D7的负极，C20的另一端接地，C21的另一端接地，D6的正极同时接D5的负极、B1的2号引脚，D7的正极接D8的负极、B1的4号引脚，D5的正极同时接D8的正极最后接地，B1的1号引脚、2号引脚分别接蓄电池正负极，LM317三端稳压器U6的1号引脚同时接R22的一端、R23的一端、R25的一端，R25的另一端及滑动端接地，R23的另一端同时接C22的一端、D9的正极，C22的另一端接地，LM317三端稳压器U6的2号引脚同时接D10的正极、R22的另一端、D9的负极、R24的一端，R24的另一端接C19的一端，C19的另一端接地。
所述语音报警模块包括IC555芯片U4、WTN6语音芯片U5、三极管VT2、三极管VT3、扬声器DB、稳压管DW1、二极管D5、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41。IC555芯片U4的7号引脚同时接IC555芯片U4的6号引脚、R35的一端、C14的一端，C14的另一端接地，IC555芯片U4的2号引脚同时接R41的一端、R36的一端、C13的一端，C13的另一端接地，R36的另一端接地，R41的另一端STM32单片机模块的发光二极管D2的负极，IC555芯片U4的8号引脚同时接3V3电源、R35的另一端、R37的一端、二极管D5的负极、VT3的c端、C18的一端，IC555芯片U4的1号引脚接地，IC555芯片U4的5号引脚接C15的一端，C15的另一端接地，IC555芯片U4的4号引脚同时接R37的另一端、二极管D5的正极、C16的一端，C16的另一端接地，IC555芯片U4的3号引脚接R38的一端，R38的另一端同时接DW1的负极、R39的一端、LQ46语音芯片U5的5号引脚、WTN6语音芯片U5的8号引脚，DW1的正极接地，R39的另一端同时接WTN6语音芯片U5的3号引脚、C17的一端，C17的另一端接地，WTN6语音芯片U5的1号引脚接地，WTN6语音芯片U5的4号引脚接R40的一端，R40的另一端接VT2的b端，VT2的c端接VT3的b端，VT2的e端同时接VT3的e端、DB的一端，DB的另一端接地，C18的另一端接地。
所述STM32单片机模块的电路包括STM32F103单片机芯片U5、肖特基二极管D4、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、备用纽扣电池BT1、晶振Y1、晶振Y2、发光二极管D2、开关S1；STM32F103单片机芯片U5的1号端口接备用纽扣电池BT1的正极端，备用纽扣电池BT1的负极端接地。STM32F103单片机芯片U5的1号端口同时接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接肖特基二极管D4的负极端，肖特基二极管D4的正极端接3V3_Core电源正极，STM32F103单片机芯片U5的3号端口同时接电容C21的一端、晶振Y1的一端；STM32F103单片机芯片U5的4号端口同时接电容C22的一端、晶振Y1的另一端；电容C21的另一端和电容C22的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的5号端口同时接电容C23的一端、晶振Y2的一端、电阻R13的一端；STM32F103单片机芯片U5的6号端口同时接电容C24的一端、晶振Y2的另一端、电阻R11的另一端；电容C23的另一端和电容C24的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的7号端口同时接电阻R14的一端、开关S1的一端、电容C25的一端；电阻R14的另一端接3V3_Core电源正极，开关S1的另一端和电阻C25的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的8号端口、23号端口接地；STM32单片机芯片U5的18号引脚接R8的一端，R8的另一端接D2的正极，D2的负极接语音报警模块2-2；STM32单片机芯片U5的30号引脚接NB-IOT通信模块2-5，STM32单片机芯片U5的15号引脚接桥梁安全检测电路(2-4)，STM32单片机芯片U5的36号引脚接3V3电源，STM32单片机芯片U2的35号引脚接地，STM32单片机芯片U5的44号引脚接R10的一端，R10的另一端同时接C26的一端、R11的一端，R11的另一端接3V3电源，C26的另一端接地，STM32单片机芯片U5的47号引脚接R12的一端，R12的另一端接3V3电源，STM32单片机芯片U5的48号引脚接地。
所述桥梁安全检测电路包括IC555单稳态脉冲发生器U1、电阻R1、滑动电阻器R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、三极管VT1、称重检测车辆开关S1，称重传感器z1，震动传感器z2。IC555单稳态脉冲发生器U1的7号引脚同时接R2的一端、IC555单稳态脉冲发生器U1的6号引脚、C1的一端、VT1的c端，C1的另一端接地，VT1的e端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的2号引脚同时接R1的一端、VT1的b端、称重检测车辆开关S1的一端，震动传感器z2的一端，称重传感器z1的另一端接地，震动传感器z2的另一端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的4号引脚同时接IC555单稳态脉冲发生器U1的8号引脚、R2的另一端及滑动端、R1的另一端、3V3电源、R3的一端，IC555单稳态脉冲发生器U1的3号引脚同时接R3的另一端、R4的一端、D1的正极，R4的另一端接地，D1的负极同时接C3的一端、STM32单片机模块的STM32单片机芯片U2的31号引脚，C3的另一端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的1号引脚接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的5号引脚接C2的一端，C2的另一端接地。
所述NB-IOT通信模块包括型号为WH-NB63的NB-IOT模块N1、一张已经开通NB-IOT业务套餐的SIM卡、电容C52、电阻R51、电阻R52、电感L1、防静电器ESDA6V8AV5。WH-NB63的NB-IOT模块U8的3、4号引脚接R15的一端，R15的另一端接地，WH-NB63的NB-IOT模块N1的2号引脚同时接C10的一端、L1的一端，C10的另一端接地，L1的另一端接3V3电源；WH-NB63的NB-IOT模块N1的35号主串口发送引脚接STM32F103单片机芯片U5的31号引脚，WH-NB63的NB-IOT模块N1的36号主串口接收引脚接STM32F103单片机芯片U5的30号引脚；SIM卡U9的2号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的4号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的23号引脚；SIM卡U9的3号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的3号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的24号引脚；SIM卡U9的7号引脚接地；SIM卡U9的8号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的5号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的25号引脚；SIM卡U9的3号引脚连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端连接防静电器ESDA6V8AV5的3号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的24号引脚，WH-NB63的NB-IOT模块U8的17、39、40、42号引脚接地。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以通过桥梁安全检测电路中获得桥梁状态以及车载负重状态，若负载与桥梁振动异常，将脉冲信号传给单片机模块，单片机模块通过高电平控制语音报警模块发出语音报警信号提醒交通执法人员与医院，车辆负载与桥梁震荡异常，若桥梁与负载正常时，桥梁安全检测检测负载与桥梁振动开关处于打开状态，桥梁安全检测电路不发送脉冲信号。
2、本发明能够通过NB-IOT通信与交通执法人员与医院的信号接收器建立通信连接，发送桥梁状态异常信息给远端的交通执法人员与医院的信号接收器保存以及进行预警提示，方便交通执法人员与医院及时赶到现场进行救护和交通维护。极大地节约人力成本，保障桥梁通行安全以及行驶在桥梁人员的人身安全。
3、本发明为有效保证桥梁安全行驶提供可行方案，是物理信息融合系统底层信息采集设备在智慧医疗的较好应用，有一定的发展前景和市场需求；
4、本发明语音报警设备为实时生命特征监控提供了有效的数据，通过NB-IOT通信达到低功耗，传输距离长，符合智慧节能的设计理念。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明可调稳压电源电路图；
图3是本发明语音报警模块的电路图；
图4是本发明STM32单片机模块的电路图；
图5是本发明桥梁安全检测电路图；
图6是本发明NB-IOT通信模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，包括蓄电池1、桥梁安全通行语音报警设备2、NB-IOT网关3、云服务器4、终端监视设备5；桥梁安全通行语音报警设备2中的NB-IOT通信模块2-5与NB-IOT网关3连接，NB-IOT网关3通过NB-IOT射频接收桥梁安全通行语音报警设备2发来的数据，并通过在TCP/IP网络传输协议之上的MQTT协议，向云服务器4进行无线转发；云服务器4接收NB-IOT网关3转发的数据，存储后，通过TCP/IP协议向用户的终端监视设备5分享或展示监视数据和预报警信息。
桥梁安全通行语音报警设备2包括可调稳压电源电路2-1，语音报警模块2-2，STM32单片机模块2-3，桥梁安全检测电路2-4，NB-IOT通信模块2-5；STM32单片机模块2-3分别与语音报警模块2-2、桥梁安全检测电路2-4连接，STM32单片机模块2-3与NB-IOT通信模块2-5通信连接，蓄电池1通过可调稳压电源电路2-1为STM32单片机模块2-3、桥梁安全检测电路2-4、NB-IOT通信模块2-5、语音报警模块2-2供电。
所述蓄电池采用单节松下18650型号的3400ma容量蓄电池，用户通过插拔自行更换，兼容其它品牌和容量的18650型号蓄电池。
如图2所示，所述可调稳压电源电路2-1包括LM317三端稳压器U6、整流二极管D5、整流二极管D6、整流二极管D7、整流二极管D8、二极管D9、二极管D10、电阻R22、电阻R23、电阻R24、滑动电阻器R25、极性电容C20、极性电容C19、电容C21、电容C22、变压器B1，微型电压表PV。LM317三端稳压器U6的3号引脚同时接C20的一端、C21的一端、D10的负极、D6的负极、D7的负极，C20的另一端接地，C21的另一端接地，D6的正极同时接D5的负极、B1的2号引脚，D7的正极接D8的负极、B1的4号引脚，D5的正极同时接D8的正极最后接地，B1的1号引脚、2号引脚分别接蓄电池正负极，LM317三端稳压器U6的1号引脚同时接R22的一端、R23的一端、R25的一端，R25的另一端及滑动端接地，R23的另一端同时接C22的一端、D9的正极，C22的另一端接地，LM317三端稳压器U6的2号引脚同时接D10的正极、R22的另一端、D9的负极、R24的一端，R24的另一端接C19的一端，C19的另一端接地。
如图3所示，所述语音报警模块2-2包括IC555芯片U4、WTN6语音芯片U5、三极管VT2、三极管VT3、扬声器DB、稳压管DW1、二极管D5、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41。IC555芯片U4的7号引脚同时接IC555芯片U4的6号引脚、R35的一端、C14的一端，C14的另一端接地，IC555芯片U4的2号引脚同时接R41的一端、R36的一端、C13的一端，C13的另一端接地，R36的另一端接地，R41的另一端STM32单片机模块2-3的发光二极管D2的负极，IC555芯片U4的8号引脚同时接3V3电源、R35的另一端、R37的一端、二极管D5的负极、VT3的c端、C18的一端，IC555芯片U4的1号引脚接地，IC555芯片U4的5号引脚接C15的一端，C15的另一端接地，IC555芯片U4的4号引脚同时接R37的另一端、二极管D5的正极、C16的一端，C16的另一端接地，IC555芯片U4的3号引脚接R38的一端，R38的另一端同时接DW1的负极、R39的一端、LQ46语音芯片U5的5号引脚、WTN6语音芯片U5的8号引脚，DW1的正极接地，R39的另一端同时接WTN6语音芯片U5的3号引脚、C17的一端，C17的另一端接地，WTN6语音芯片U5的1号引脚接地，WTN6语音芯片U5的4号引脚接R40的一端，R40的另一端接VT2的b端，VT2的c端接VT3的b端，VT2的e端同时接VT3的e端、DB的一端，DB的另一端接地，C18的另一端接地。
如图4所示，所述STM32单片机模块2-3的电路包括STM32F103单片机芯片U5、肖特基二极管D4、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、备用纽扣电池BT1、晶振Y1、晶振Y2、发光二极管D2、开关S1；STM32F103单片机芯片U5的1号端口接备用纽扣电池BT1的正极端，备用纽扣电池BT1的负极端接地。STM32F103单片机芯片U5的1号端口同时接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接肖特基二极管D4的负极端，肖特基二极管D4的正极端接3V3_Core电源正极，STM32F103单片机芯片U5的3号端口同时接电容C21的一端、晶振Y1的一端；STM32F103单片机芯片U5的4号端口同时接电容C22的一端、晶振Y1的另一端；电容C21的另一端和电容C22的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的5号端口同时接电容C23的一端、晶振Y2的一端、电阻R13的一端；STM32F103单片机芯片U5的6号端口同时接电容C24的一端、晶振Y2的另一端、电阻R11的另一端；电容C23的另一端和电容C24的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的7号端口同时接电阻R14的一端、开关S1的一端、电容C25的一端；电阻R14的另一端接3V3_Core电源正极，开关S1的另一端和电阻C25的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的8号端口、23号端口接地；STM32单片机芯片U5的18号引脚接R8的一端，R8的另一端接D2的正极，D2的负极接语音报警模块2-2；STM32单片机芯片U5的30号引脚接NB-IOT通信模块2-5，STM32单片机芯片U5的15号引脚接桥梁安全检测电路2-4，STM32单片机芯片U5的36号引脚接3V3电源，STM32单片机芯片U2的35号引脚接地，STM32单片机芯片U5的44号引脚接R10的一端，R10的另一端同时接C26的一端、R11的一端，R11的另一端接3V3电源，C26的另一端接地，STM32单片机芯片U5的47号引脚接R12的一端，R12的另一端接3V3电源，STM32单片机芯片U5的48号引脚接地。
如图5所示，所述桥梁安全检测电路2-4包括IC555单稳态脉冲发生器U1、电阻R1、滑动电阻器R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、三极管VT1、称重检测车辆开关S1，称重传感器z1，震动传感器z2。IC555单稳态脉冲发生器U1的7号引脚同时接R2的一端、IC555单稳态脉冲发生器U1的6号引脚、C1的一端、VT1的c端，C1的另一端接地，VT1的e端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的2号引脚同时接R1的一端、VT1的b端、称重检测车辆开关S1的一端，震动传感器z2的一端，称重传感器z1的另一端接地，震动传感器z2的另一端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的4号引脚同时接IC555单稳态脉冲发生器U1的8号引脚、R2的另一端及滑动端、R1的另一端、3V3电源、R3的一端，IC555单稳态脉冲发生器U1的3号引脚同时接R3的另一端、R4的一端、D1的正极，R4的另一端接地，D1的负极同时接C3的一端、STM32单片机模块2-3的STM32单片机芯片U2的31号引脚，C3的另一端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的1号引脚接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的5号引脚接C2的一端，C2的另一端接地。
所使用的震动传感器z2与称重传感器z1型号分别为SW_18010P震动传感器和TJH-6E称重传感器。
如图6所示，所述NB-IOT通信模块2-5包括型号为WH-NB63的NB-IOT模块N1、一张已经开通NB-IOT业务套餐的SIM卡(SIM卡型号为C749)、电容C52、电阻R51、电阻R52、电感L1、防静电器ESDA6V8AV5。WH-NB63的NB-IOT模块U8的3、4号引脚接R15的一端，R15的另一端接地，WH-NB63的NB-IOT模块N1的2号引脚同时接C10的一端、L1的一端，C10的另一端接地，L1的另一端接3V3电源；WH-NB63的NB-IOT模块N1的35号主串口发送引脚接STM32F103单片机芯片U5的31号引脚，WH-NB63的NB-IOT模块N1的36号主串口接收引脚接STM32F103单片机芯片U5的30号引脚；SIM卡U9的2号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的4号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的23号引脚；SIM卡U9的3号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的3号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的24号引脚；SIM卡U9的7号引脚接地；SIM卡U9的8号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的5号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的25号引脚；SIM卡U9的3号引脚连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端连接防静电器ESDA6V8AV5的3号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的24号引脚，WH-NB63的NB-IOT模块U8的17、39、40、42号引脚接地。
本发明的工作原理是：本发明在用户通过PC进行连接NB-IOT通信模块进行发送AT指令开始调试的准备工作，或者由单片机自行自动发送AT指令进行调试，待调试完成后便处于待机状态，当用串口线连接电脑时，即可通过串口助手进行发送AT指令对NB-IOT通信模块进行调试，NB-IOT当调试完成后NB-I0T通信模块发送引脚和接收引脚和单片机进行连接，即单片机的30号引脚和NB-I0T通信模块的36号引脚进行连接，单片机的31号引脚和NB-IOT通信模块的35号引脚进行连接，此时单片机和NB-IOT通信模块可以传输数据，NB-IOT通信模块的1号引脚为正电源端，由单片机的1号引脚的扩展引脚供电，内嵌入的SIM卡通过NB-IOT通信模块作为载体向基站发送报文(相当于手机发送报文)。
由于用户会经常进行插入或拔出USIM卡的操作，而人体带有静电，为了防止静电对USIM卡及芯片造成损坏，须要增加防静电器ESDA6V8AV5进行静电保护，作为ESD防静电措施。
本发明可以通过桥梁安全检测电路2-4中的称重传感器z1端口与震动传感器z2检测桥梁的安全状态。
若桥梁震动与车辆负载正常时，震动传感器z2的开关与称重传感器z1的检测开关保持打开状态，则桥梁安全检测电路2-4中的电容充放电不足以驱动IC555单稳态脉冲发生器，IC555单稳态脉冲发生器就不会发送脉冲信号，说明车辆可以安全通过。
如果称重传感器z1显示的车辆负载大于等于标准负载或者震动传感器z2显示的振幅超过普通车辆引起的振幅，则桥梁安全检测电路2-4中的电容充满电能驱动IC555单稳态脉冲发生器，IC555单稳态脉冲发生器会发送脉冲信号给STM32单片机模块2-3。
STM32单片机模块2-3接收到脉冲信号后，通过控制语音报警模块2-2发出语音报警信号提醒附近的，病人呼吸状态异常需及时抢救。同时该语音报警设备能够通过NB-IOT通信模块与远端的交通执法人员与医院的信号接收器建立通信连接，发送桥梁状态异常信息给远端的交通执法人员与医院的信号接收器保存以及进行预警提示，方便交通执法人员与医院及时赶到现场进行救护和交通维护。极大地节约人力成本，保障桥梁通行安全以及行驶在桥梁人员的人身安全。
通过两节18650电池并联而成的蓄电池经可调稳压电源电路2-1，同时为STM32单片机模块2-3、桥梁安全检测电路2-4、NB-IOT通信模块2-5、语音报警模块2-2提供稳定的电压，保障该设备正常工作。
图6中，即单片机的30号引脚和NB-I0T通信模块的4号引脚进行连接，单片机的31号引脚和NB-IOT通信模块的36号引脚进行连接，此时单片机和NB-IOT模块可以传输数据，NB-IOT模块的1号引脚为正电源端，由单片机的1号引脚的扩展引脚供电，内嵌入的SIM卡通过NB-IOT通信模块作为载体向基站发送报文。
图1中，蓄电池1经过变压器得到所需的电压值，经过二极管整流、电容滤波以及lm317稳压，得到稳定电压，其中R25调节电阻可得到不同的电压值.
图5中，桥梁安全检测电路2-4采用了IC555单稳态脉冲发生器，只需要少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉冲信号，并且可完成特拟定的振荡延时作用，其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载，操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜，称重检测开关S1可以采用RPS-400-36。
图3中，语音报警模块2-2收到STM32单片机模块2-3的高电平时，IC555芯片驱动发送脉冲信号，给LQ46语音芯片，使得正常发出语音信号。
可调稳压电源电路2-1采用了LM317三段可调节输出正电压稳压器，非常易于使用，通过内部限流、热关断和安全工作区补偿来防止烧断用电保险丝。
所述STM32单片机模块2-3可以采用ARM公司的Cortex-M3架构的STM32F103系列单片机，价格便宜，功耗较低。
本发明能够通过NB-IOT通信与交通执法人员与医院的信号接收器建立通信连接，发送桥梁状态异常信息给远端的交通执法人员与医院的信号接收器保存以及进行预警提示，方便交通执法人员与医院及时赶到现场进行救护和交通维护。极大地节约人力成本，保障桥梁通行安全以及行驶在桥梁人员的人身安全。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，包括蓄电池(1)、桥梁安全通行语音报警设备(2)、NB-IOT网关(3)、云服务器(4)、终端监视设备(5)；桥梁安全通行语音报警设备(2)中的NB-IOT通信模块(2-5)与NB-IOT网关(3)连接，NB-IOT网关(3)通过NB-IOT射频接收桥梁安全通行语音报警设备(2)发来的数据，并通过在TCP/IP网络传输协议之上的MQTT协议，向云服务器(4)进行无线转发；云服务器(4)接收NB-IOT网关(3)转发的数据，存储后，通过TCP/IP协议向用户的终端监视设备(5)分享或展示监视数据和预报警信息，其特征在于：桥梁安全通行语音报警设备(2)包括可调稳压电源电路(2-1)，语音报警模块(2-2)，STM32单片机模块(2-3)，桥梁安全检测电路(2-4)，NB-IOT通信模块(2-5)；STM32单片机模块(2-3)分别与语音报警模块(2-2)、桥梁安全检测电路(2-4)连接，STM32单片机模块(2-3)与NB-IOT通信模块(2-5)通信连接，蓄电池(1)通过可调稳压电源电路(2-1)为STM32单片机模块(2-3)、桥梁安全检测电路(2-4)、NB-IOT通信模块(2-5)、语音报警模块(2-2)供电。
2.根据权利要求1所述的基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，其特征在于：所述可调稳压电源电路(2-1)包括LM317三端稳压器U6、整流二极管D5、整流二极管D6、整流二极管D7、整流二极管D8、二极管D9、二极管D10、电阻R22、电阻R23、电阻R24、滑动电阻器R25、极性电容C20、极性电容C19、电容C21、电容C22、变压器B1，微型电压表PV；LM317三端稳压器U6的3号引脚同时接C20的一端、C21的一端、D10的负极、D6的负极、D7的负极，C20的另一端接地，C21的另一端接地，D6的正极同时接D5的负极、B1的2号引脚，D7的正极接D8的负极、B1的4号引脚，D5的正极同时接D8的正极最后接地，B1的1号引脚、2号引脚分别接蓄电池正负极，LM317三端稳压器U6的1号引脚同时接R22的一端、R23的一端、R25的一端，R25的另一端及滑动端接地，R23的另一端同时接C22的一端、D9的正极，C22的另一端接地，LM317三端稳压器U6的2号引脚同时接D10的正极、R22的另一端、D9的负极、R24的一端，R24的另一端接C19的一端，C19的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，其特征在于：所述语音报警模块(2-2)包括IC555芯片U4、WTN6语音芯片U5、三极管VT2、三极管VT3、扬声器DB、稳压管DW1、二极管D5、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41；IC555芯片U4的7号引脚同时接IC555芯片U4的6号引脚、R35的一端、C14的一端，C14的另一端接地，IC555芯片U4的2号引脚同时接R41的一端、R36的一端、C13的一端，C13的另一端接地，R36的另一端接地，R41的另一端STM32单片机模块(2-3)的发光二极管D2的负极，IC555芯片U4的8号引脚同时接3V3电源、R35的另一端、R37的一端、二极管D5的负极、VT3的c端、C18的一端，IC555芯片U4的1号引脚接地，IC555芯片U4的5号引脚接C15的一端，C15的另一端接地，IC555芯片U4的4号引脚同时接R37的另一端、二极管D5的正极、C16的一端，C16的另一端接地，IC555芯片U4的3号引脚接R38的一端，R38的另一端同时接DW1的负极、R39的一端、LQ46语音芯片U5的5号引脚、WTN6语音芯片U5的8号引脚，DW1的正极接地，R39的另一端同时接WTN6语音芯片U5的3号引脚、C17的一端，C17的另一端接地，WTN6语音芯片U5的1号引脚接地，WTN6语音芯片U5的4号引脚接R40的一端，R40的另一端接VT2的b端，VT2的c端接VT3的b端，VT2的e端同时接VT3的e端、DB的一端，DB的另一端接地，C18的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，其特征在于：所述STM32单片机模块(2-3)的电路包括STM32F103单片机芯片U5、肖特基二极管D4、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、备用纽扣电池BT1、晶振Y1、晶振Y2、发光二极管D2、开关S1；STM32F103单片机芯片U5的1号端口接备用纽扣电池BT1的正极端，备用纽扣电池BT1的负极端接地；STM32F103单片机芯片U5的1号端口同时接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接肖特基二极管D4的负极端，肖特基二极管D4的正极端接3V3_Core电源正极，STM32F103单片机芯片U5的3号端口同时接电容C21的一端、晶振Y1的一端；STM32F103单片机芯片U5的4号端口同时接电容C22的一端、晶振Y1的另一端；电容C21的另一端和电容C22的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的5号端口同时接电容C23的一端、晶振Y2的一端、电阻R13的一端；STM32F103单片机芯片U5的6号端口同时接电容C24的一端、晶振Y2的另一端、电阻R11的另一端；电容C23的另一端和电容C24的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的7号端口同时接电阻R14的一端、开关S1的一端、电容C25的一端；电阻R14的另一端接3V3_Core电源正极，开关S1的另一端和电阻C25的另一端同时接地，STM32F103单片机芯片U5的8号端口、23号端口接地；STM32单片机芯片U5的18号引脚接R8的一端，R8的另一端接D2的正极，D2的负极接语音报警模块2-2；STM32单片机芯片U5的30号引脚接NB-IOT通信模块2-5，STM32单片机芯片U5的15号引脚接桥梁安全检测电路(2-4)，STM32单片机芯片U5的36号引脚接3V3电源，STM32单片机芯片U2的35号引脚接地，STM32单片机芯片U5的44号引脚接R10的一端，R10的另一端同时接C26的一端、R11的一端，R11的另一端接3V3电源，C26的另一端接地，STM32单片机芯片U5的47号引脚接R12的一端，R12的另一端接3V3电源，STM32单片机芯片U5的48号引脚接地。
5.根据权利要求1所述的基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，其特征在于：所述桥梁安全检测电路(2-4)包括IC555单稳态脉冲发生器U1、电阻R1、滑动电阻器R2、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、三极管VT1、称重检测车辆开关S1，称重传感器z1，震动传感器z2；IC555单稳态脉冲发生器U1的7号引脚同时接R2的一端、IC555单稳态脉冲发生器U1的6号引脚、C1的一端、VT1的c端，C1的另一端接地，VT1的e端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的2号引脚同时接R1的一端、VT1的b端、称重检测车辆开关S1的一端，震动传感器z2的一端，称重传感器z1的另一端接地，震动传感器z2的另一端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的4号引脚同时接IC555单稳态脉冲发生器U1的8号引脚、R2的另一端及滑动端、R1的另一端、3V3电源、R3的一端，IC555单稳态脉冲发生器U1的3号引脚同时接R3的另一端、R4的一端、D1的正极，R4的另一端接地，D1的负极同时接C3的一端、STM32单片机模块(2-3)的STM32单片机芯片U2的31号引脚，C3的另一端接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的1号引脚接地，IC555单稳态脉冲发生器U1的5号引脚接C2的一端，C2的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的基于CPS的桥梁安全通行语音报警嵌入式实时控制设备，其特征在于：所述NB-IOT通信模块(2-5)包括NB-IOT模块N1、SIM卡、电容C52、电阻R51、电阻R52、电感L1、防静电器ESDA6V8AV5；WH-NB63的NB-IOT模块U8的3、4号引脚接R15的一端，R15的另一端接地，WH-NB63的NB-IOT模块N1的2号引脚同时接C10的一端、L1的一端，C10的另一端接地，L1的另一端接3V3电源；WH-NB63的NB-IOT模块N1的35号主串口发送引脚接STM32F103单片机芯片U5的31号引脚，WH-NB63的NB-IOT模块N1的36号主串口接收引脚接STM32F103单片机芯片U5的30号引脚；SIM卡U9的2号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的4号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的23号引脚；SIM卡U9的3号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的3号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的24号引脚；SIM卡U9的7号引脚接地；SIM卡U9的8号引脚连接防静电器ESDA6V8AV5的5号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的25号引脚；SIM卡U9的3号引脚连接电阻R51的一端，电阻R51的另一端连接防静电器ESDA6V8AV5的3号引脚以及WH-NB63的NB-IOT模块U8的24号引脚，WH-NB63的NB-IOT模块U8的17、39、40、42号引脚接地。
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