基于STIV132與GPRS的車載稱重系統(tǒng)研究

趙向平 李惠敏

摘要：文章針對目前的車輛稱重系統(tǒng)和貨車源頭治超的現(xiàn)狀，介紹了一種基于STM32F107VCT6處理器和GPRS網(wǎng)絡(luò)的車載稱重解決方案，通過GPS裝置對車輛位置進(jìn)行實時定位，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將車輛的載荷量、位置、速度等車輛信息發(fā)送至車輛監(jiān)控中心。進(jìn)行了車輛水平靜態(tài)和動態(tài)加載稱重試驗，經(jīng)過了徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF網(wǎng)絡(luò)）的驗證，并驗證了不同環(huán)境下GPRS的收發(fā)情況。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)稱重精度高，GPS定位信息準(zhǔn)，GPRS收發(fā)穩(wěn)定，實用性強(qiáng)，在各種情況下都能夠滿足當(dāng)前的車載稱重需求。

關(guān)鍵詞：車載稱重；監(jiān)控中心；徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；拉繩傳感器

隨著我國交通運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，載貨汽車數(shù)量大幅增多，而載貨汽車的超限超載給交通安全及道路設(shè)施帶來一定的隱患。中央已經(jīng)明確規(guī)定，載重車輛必須安裝限載裝置，而現(xiàn)行的靜態(tài)稱重和動態(tài)稱重系統(tǒng)都是稱重設(shè)備與車輛分離的，存在一定的局限性。本文在研究現(xiàn)有車輛稱重設(shè)備和考慮實際需要的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套車載稱重監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以全天候、全路段地對車輛進(jìn)行監(jiān)控管理，能有效地控制車輛的載重量，防止過載對車輛及道路造成損壞，對車輛地理位置、速度、方向及載重量等進(jìn)行實時監(jiān)控，便于調(diào)度車輛作業(yè)，提高工作效率，有效防止由于人為問題造成公司的損失。除此之外，還可以對車輛運營的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，形成大數(shù)據(jù)，進(jìn)而規(guī)避許多不必要的風(fēng)險。

1 系統(tǒng)方案

本文探討的車載稱重系統(tǒng)利用傳感技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)實時監(jiān)控貨運車輛裝載、運行狀況，并實現(xiàn)車輛動態(tài)無人值守治超管理。車載稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照結(jié)構(gòu)可分為3個子系統(tǒng)：車載稱重單元、車載稱重終端和中心監(jiān)控平臺。

車載稱重單元采用拉繩式傳感器，該傳感器安裝于車輛底盤和車架之間，以拉繩長度的變化量來獲得貨車的載重信息；車載稱重終端安裝于駕駛室內(nèi)，用于車載數(shù)據(jù)的采集、處理及數(shù)據(jù)本地實時存儲，GPS進(jìn)行車輛定位跟蹤，重量數(shù)據(jù)由GPRS經(jīng)GSM全球數(shù)據(jù)移動通訊傳輸給監(jiān)控平臺等；中心監(jiān)控平臺由工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、UPS、拼接屏等組成，主要實現(xiàn)數(shù)字地圖功能、車輛實時監(jiān)控、超載報警、傳感器異常報警、遠(yuǎn)程訪問和大屏幕顯示等。

I.I 車載稱重單元

1.1.1 傳感器的選擇

傳統(tǒng)的車載稱重傳感器均采用低外形、應(yīng)變式稱重傳感器，有一定的優(yōu)點，但加裝或改裝這種傳感器時，需要拆卸車廂。而且，在車輛行駛過程中傳感器需要承受持續(xù)的交變載荷的作用，如遇到路面不平、裝卸貨物、車輛碰撞等極易造成傳感器的過載而損壞，所以，可靠性、熱沖擊等問題難以解決。

本文采用拉繩式位移傳感器，它可以將車輛鋼板彈簧的形變量轉(zhuǎn)化為拉繩傳感器拉繩長度的變化量，這種傳感器線性度良好，且易于安裝。

傾角傳感器采用一個雙軸的傾角傳感器，能夠為計算車輛重量提供準(zhǔn)確的傾角數(shù)據(jù)。

1.1.2 傳感器安裝位置

傾角傳感器安裝與車載稱重終端內(nèi)部，將實時的車輛傾角狀態(tài)信號傳送給處理器。通過車輛有限元建模和分析，找出車輛車架與前后兩個車軸的應(yīng)變敏感點，每個車軸敏感點兩側(cè)各布局1只拉繩傳感器。傳感器安裝于鋼板彈簧正上方，傳感器拉繩下端固定于鋼板彈簧上端正中間。一般為4個，根據(jù)需要可選裝6個或8個甚至更多。

將傳感器按上述方案安裝完之后，利用電纜將各傳感器線接入車廂中的車載稱重終端。

1.2 車載稱重終端

車載稱重終端以ARM系列的STM32F107VCT6處理器為核心，輔以各種外圍設(shè)備及接口。STM32F107VCT6是一款32位的微處理器，最大時鐘頻率72MHz，擁有豐富的片上外設(shè)，64K的RAM和256Kb的閃存容量，全速USB OTG功能，支持外接U盤等，功能強(qiáng)大。

車載稱重終端主要由電源模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、人機(jī)交互模塊、USB通信單元以及GPS/GPRS DTU等組成，可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換；儀表置零、標(biāo)定、零點跟蹤、分度變換等、與上位機(jī)通訊、U盤存儲等功能。終端外殼外殼擬采用FA5型防水鑄鋁殼的殼體，其原理如圖2所示。

1.2.1 電源模塊

車載稱重終端電源由車廂內(nèi)蓄電池供電，將蓄電池的24V直流電經(jīng)降壓濾波電路處理之后轉(zhuǎn)換為終端各模塊需要的5v和3.3V。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集處理單元是車載稱重終端的核心模塊，由數(shù)據(jù)采集控制器、數(shù)據(jù)處理算法等組成，是連接稱重單元和其他模塊的橋梁。

數(shù)據(jù)采集控制器是將傳感器的模擬信號經(jīng)濾波后采集到微處理器中，STM32F107VCT6微處理器的片上有2個12位逐次逼近的高速A/D轉(zhuǎn)換器，可同時測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。

采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器處理完成之后，將得到的重量數(shù)據(jù)通過RS232串口和GPS/GPRS DTU連接，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將重量信號發(fā)送給中心監(jiān)控平臺，這部分由GPRS/GPS DTU模塊完成。

1.2.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)接口單元由2個部分組成：一部分是終端上的液晶顯示屏，另一部分是利用超級終端通過串口與上位機(jī)通訊。

液晶顯示屏選用觸摸屏，能夠?qū)崟r顯示車牌號、貨物名稱、時間、車速、重量等信息，設(shè)置2級管理系統(tǒng)，技術(shù)人員可對其參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

終端可通過232串口，利用超級終端與上位機(jī)通訊，在上位機(jī)上用菜單形式顯示各種命令列表，輸入命令查看、修改各個參數(shù)的值，實現(xiàn)儀表的置零、分段標(biāo)定、設(shè)置零點跟蹤范圍以及修改上限報警載荷等功能。

1.2.4 GPRS/GPS DTU

作為車載稱重系統(tǒng)信息交互的通道，選用ZH6600GPS+GPRS系列嵌入式DTU，32位的ARM處理器，72MHz的CPU速度，抗干擾能力強(qiáng)。采用GPRS網(wǎng)絡(luò)及接入點名稱（AccessPoint Name，APN）專線接入的方式，主要適用于在GPRS網(wǎng)絡(luò)下實現(xiàn)各種無線業(yè)務(wù)，且GPRS在線模式可選擇永久在線、按需在線、喚醒在線等模式，支持?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)議傳輸或數(shù)據(jù)透傳功能。

將DTU各參數(shù)配置完成之后，用串口線與人機(jī)交互模塊相連，將車牌、車型、當(dāng)前時間、車輛的重量信息、報警信息及GPS信息等發(fā)送給監(jiān)控中心，同時監(jiān)控中心發(fā)出的各種命令也可以通過DTU給車載稱重終端，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)之間的信息交互。

1.2.5 USB通訊模塊

該模塊用于實現(xiàn)U盤本地存儲，U盤操作采用RO.09b文件操作系統(tǒng)。存儲文件中包括車牌、車型、實時時間、貨物名稱、稱重數(shù)據(jù)、報警事件、狀態(tài)信息等。

1.3 中心監(jiān)控平臺

基于GPS的車載動態(tài)智能監(jiān)控中心是面向相關(guān)行業(yè)、政府職能部門、企業(yè)、車隊等提供相關(guān)服務(wù)及信息的綜合監(jiān)控平臺，由工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、管理服務(wù)器、拼接屏等組成，接收GPRS/GPS DTU模塊發(fā)送過來的信息，且對GPS定位信息進(jìn)行解析，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字地圖顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、異常報警、數(shù)據(jù)采集、用戶管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)修改、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)管理、大屏顯示等功能。

其中數(shù)字地圖選用百度地圖API，具體功能為實現(xiàn)車輛位置及信息的顯示，能夠?qū)崟r對單臺、多臺車進(jìn)行跟蹤定位，顯示車輛的當(dāng)前位置、速度、方向、載重、總重等，數(shù)據(jù)更新時間為30秒，能夠?qū)诬嚮蚨嘬嚨能囕v行駛路線進(jìn)行查詢，并在數(shù)字地圖中顯示行駛路線。

歷史數(shù)據(jù)主要為超載車輛信息統(tǒng)計。查詢條件可單選、復(fù)選，能夠按照以下規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、查詢、統(tǒng)計：按時間段查詢車輛總數(shù)；按超限超載率查詢超重車輛總數(shù)；按車牌號查詢車輛裝載情況；按軸數(shù)查詢車輛裝載情況；車輛累計超載次數(shù)等。

2 稱重試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

筆者于2015年10月在山西省太原市小店區(qū)對相關(guān)車輛進(jìn)行了實地測試。測試選取時間段為晚上9點至凌晨5點，測試車輛選用型號為DFL13IIAX9A，額定載荷為20T的東風(fēng)重卡。在該型貨車上安裝有4個電阻式拉繩傳感器。拉繩傳感器的拉繩長度的變化量與載荷呈非線性關(guān)系，所以車載稱重終端微處理器需要對由傳感器信號轉(zhuǎn)化后得到的AD值進(jìn)行分段線性擬合。

由于電阻式拉繩傳感器的阻值變化與拉繩長度變化和微處理器采集得到的AD值變化成線性關(guān)系。所以測量載荷阻值關(guān)系，實質(zhì)上是測量載荷與鋼板撓度的關(guān)系。分析載荷和鋼板撓度的關(guān)系，得到理論的系數(shù)標(biāo)定值表；然后將實地測試得到的載荷阻值的斜率進(jìn)行分段標(biāo)定，得到試驗系數(shù)標(biāo)定值表；對理論和試驗標(biāo)定值表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)標(biāo)定值表。

將終端各參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)標(biāo)定值表進(jìn)行標(biāo)定之后，進(jìn)行測試。測試分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。同時，將數(shù)據(jù)采集得到的AD值導(dǎo)入經(jīng)訓(xùn)練之后的RBF網(wǎng)絡(luò)，得到的重量值與車輛實際運行測試所測得的重量數(shù)據(jù)相比較，驗證結(jié)果。

2.1 實際測試

將標(biāo)定完成之后的測試車輛停放在相對水平的路面上，載荷從OT以IT的步進(jìn)遞增至20T，再遞減至OT。每次測量記錄數(shù)據(jù)時，應(yīng)將車輛在水平路面上多次移動，取其平均值進(jìn)行記錄。并選定一段路面進(jìn)行動態(tài)測試。測試數(shù)據(jù)記錄及其誤差分析如表l所示（以載重IOT-15T為例來說明）。

式中W_靜：靜態(tài)稱量值；W_表：儀表顯示稱量值；W_空：空載稱量值；W_動：動態(tài)稱量值；W_砝：標(biāo)準(zhǔn)測試砝碼重量值；o_靜：靜態(tài)誤差百分比；σ_動：動態(tài)誤差百分比。

由表1可以得知，在水平路面上靜態(tài)稱量時，實際測量值與理論測量值之間的誤差情況小于3%，動態(tài)稱量的實際測量值與理論測量值誤差小于5%，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗證

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF網(wǎng)絡(luò)）所需訓(xùn)練時間少，且能夠?qū)θ我夥蔷€性函數(shù)進(jìn)行很好地局部逼近。

將車載稱重信號和傾角信號作為RBF網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)實驗仿真得到RBF網(wǎng)絡(luò)的隱藏層層數(shù)為8，車載實際重量作為輸出值，則最終的RBF網(wǎng)絡(luò)模型為2X8XI。

RBF網(wǎng)絡(luò)得到的重量值與上述動態(tài)測試所得到的車載實時重量值相比較，比較曲線如圖3所示（以載重15T的一段隨機(jī)數(shù)據(jù)為例來說明）。

由圖3可以看出，經(jīng)訓(xùn)練之后的RBF網(wǎng)絡(luò)得到數(shù)據(jù)曲線與動態(tài)測試所測得的數(shù)據(jù)曲線基本擬合。

3 結(jié)論

對比、驗證理論計算與實測數(shù)據(jù)可知，靜態(tài)標(biāo)定誤差低于3%F.S，動態(tài)誤差優(yōu)于5%F.S，滿足車載稱重系統(tǒng)實際使用需求。本系統(tǒng)將稱重裝置和載重汽車相結(jié)合，利用嵌入式和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了對車輛軌跡及載重量的高速、高精度的采集。系統(tǒng)預(yù)留的I2C和CAN總線接口可與車載其它模塊相結(jié)合，便于系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，完善汽車“黑匣子”功能。本系統(tǒng)可以安裝在各種不同類型的載重汽車上，隨時隨地測量其載重量，對解決貨車實時監(jiān)控管理、運量統(tǒng)計、物流調(diào)整、源頭治超、公路設(shè)施超限治理等有重大意義。