智能傳感器在大貨車備胎更換考核系統(tǒng)中的應(yīng)用

周文軍

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

0 引言

駕駛員若需從事道路經(jīng)營性普通貨物運輸，須經(jīng)過一家符合國家規(guī)定資質(zhì)的道路運輸駕駛員培訓(xùn)機構(gòu)進行相應(yīng)培訓(xùn)，并經(jīng)過考核合格后，持結(jié)業(yè)證書和本人駕駛證，才能到交通運輸管理部門申領(lǐng)道路貨運從業(yè)資格證件[1]。目前，我國道路貨運從業(yè)人員超過1700 萬人，約占道路運輸從業(yè)人員總數(shù)的60%。對這么龐大的從業(yè)人員的考核是一項重要的系統(tǒng)性的工作，使用傳統(tǒng)方法的人工考核效率低，難以保障考核的公正性，且存在考試過程數(shù)據(jù)不可追溯的大缺陷。

更換大貨車備胎是道路貨運從業(yè)人員的一項最基本的技能。智能傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、汽車、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和能源等領(lǐng)域[2]。本研究基于智能傳感器研發(fā)一套能夠規(guī)范有序的自動考核從業(yè)人員更換大貨車備胎的操作全過程，精確記錄、判斷考生更換備胎的真實能力的智能傳感器系統(tǒng)，可以大大提高考核效率和考核的公正性。

1 備胎更換考核系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 備胎更換主要考核步驟和要點

大貨車的備胎更換需要嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進行，其主要步驟如下：

第一步，在需要更換的后輪的同側(cè)的前輪下前后分別加止動塊；

第二步，以對角交叉的順序旋松輪胎螺母；

第三步，用千斤頂頂在后橋規(guī)定處安全可靠的位置將后輪頂起；

第四步，輪胎離地一定距離后，按對角交叉的順序?qū)⒙菽杆傻簦?/p>

第五步，卸下輪胎后安裝備胎；

第六步，按對角交叉的順序緊固螺母，使螺母與螺栓孔的錐形端面精密配合；

第七步，放下千斤頂并取出后，逐一對螺母對角交叉緊固，增加緊固力度；

第八步，將換下的輪胎安裝在備胎架上，將所有工具放回原位。

整個過程中，主要的考核點有5 個，分別是：是否按順序完成八個步驟、止動三角木放置的位置是否正確、千斤頂放置的位置是否正確、螺母松開的順序是否正確、螺母緊固的順序是否正確。

1.2 考核系統(tǒng)總體設(shè)計

針對大貨車備胎更換的5 個主要的考核點，設(shè)計如圖1 所示的備胎更換考核系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 備胎更換考核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪胎止動三角木檢測傳感器模塊用于智能感應(yīng)和記錄考核的第一步，檢測止動三角木是否放置正確。

大螺母拆裝檢測傳感器模塊用于智能檢測第二、四、六步中的擰松和擰緊輪胎大螺母的操作。

備胎螺母拆裝檢測傳感器模塊用于智能檢測第五步中的使用專業(yè)工具卸下備胎的操作。

千斤頂檢測傳感器模塊用于自動記錄第三、七步中的使用千斤頂?shù)那闆r。

信息采集儀通過藍牙模塊同時連接四個傳感器模塊，將各路傳感器的信號進行綜合，并將結(jié)果通過4G 網(wǎng)絡(luò)實時傳送到服務(wù)器。

理論考試系統(tǒng)安裝在服務(wù)器上，通過PC 或者手機端可以進行訪問和考試。因理論考試部分與智能傳感器無直接關(guān)聯(lián)，這里僅對智能傳感器模塊和信息采集儀進行分析和設(shè)計。

2 智能傳感器模塊

2.1 輪胎止動三角木檢測傳感器模塊的設(shè)計

止動三角木檢測傳感器模塊主要用于檢測考生能否正確放置止動三角木。安裝止動三角木檢測傳感器模塊時，如圖2 所示，需將傳感器模塊固定在輪胎面上。考核時，當(dāng)考生把止動三角木放置到正確的位置后，傳感器模塊通過檢測光強和壓力能準(zhǔn)確判斷考生的操作是否規(guī)范。

圖2 止動三角木檢測傳感器模塊的安裝

圖3 所示為止動三角木檢測傳感器模塊的結(jié)構(gòu)圖，模塊采用3D 打印一次成型。其中，兩個固定孔用于穿過兩根扎帶，纏繞輪胎一圈，使傳感器固定在輪胎面上。螺母采用GB6172 M3 薄螺母，安裝螺母的這一面貼合輪胎面。螺釘采用M3*8 內(nèi)六角機米螺釘，其前端為尖狀，當(dāng)擰緊螺釘時，可以讓傳感器緊緊地軋在輪胎上，進一步固定該模塊。

圖3 止動三角木檢測傳感器模塊結(jié)構(gòu)

圖4 所示為止動三角木檢測傳感器模塊電路圖，因傳感器模塊的體積需要設(shè)計得很小，所以采用微型貼片式的STC15W204S 單片機，模塊采用3.3 V 微型充電電池供電，且光敏傳感器和壓敏傳感器均集成在PCB 電路板上。單片機通過串口連接藍牙模塊，通過藍牙網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與信息采集儀的無線連接。

圖4 止動三角木檢測傳感器模塊電路

2.2 螺母拆裝檢測傳感器模塊的設(shè)計

圖5 所示為螺母拆裝檢測傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖。大螺母與備胎螺母僅存在尺寸上的差別，其他的結(jié)構(gòu)一致。安裝螺母拆裝檢測傳感器模塊時，將其套在輪胎的螺母之上，然后用螺釘固定即可。考試時考生需要將套筒扳手套在大螺母拆裝檢測傳感器的上面，并保持幾秒鐘，然后拿開。當(dāng)考生把扳手放置到傳感器上面之后，傳感器處的光線被完全擋住，通過檢測光強能判斷是否進行了擰螺絲這一步驟，通過數(shù)據(jù)綜合可以判斷擰螺絲的順序。

圖5 螺母拆裝檢測傳感器模塊結(jié)構(gòu)

螺母拆裝檢測傳感器模塊的控制電路與止動三角木檢測傳感器模塊電路一樣，但是沒有用到壓敏傳感器。

當(dāng)套筒扳手套在傳感器上時，光敏電阻無窮大，則單片機P1.1 口的輸入電壓接近電源電壓3.3 V。反之，當(dāng)套筒扳手不在傳感器上時，光敏電阻正常接受光照，電阻值較小，P1.1 口的輸入電壓較小，接近0 V。通過信號處理，單片機可以準(zhǔn)確地檢測到扳手的動作。

同時，此設(shè)計可以避免考生用手擋住光敏電阻的作弊行為。因手無法完全將光遮擋住，而扳手可以，通過單片機的數(shù)據(jù)處理，可以很準(zhǔn)確地分辨出來，并激發(fā)作弊報警。

2.3 千斤頂檢測傳感器模塊的設(shè)計

圖6 所示為千斤頂檢測傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖。考試時，僅需把該傳感器模塊準(zhǔn)確放置到大貨車橫梁之下即可，操作方便。當(dāng)考生將千斤頂放置到正確的位置以后，光敏電阻的光照就會被完全擋住，其阻值無窮大；同時壓敏電阻能檢測到千斤頂?shù)膲毫Γ藭r其電阻值較小。反之，若沒有正確放置千斤頂，光敏電阻會正常接受光照，其阻值較小；壓敏電阻沒有受到壓力，阻值無窮大。以此可以準(zhǔn)確地檢測出放置和取出千斤頂?shù)倪@一操作步驟。

圖6 千斤頂檢測傳感器模塊結(jié)構(gòu)

與螺母拆裝檢測傳感器模塊一樣，此設(shè)計可以避免考生用手擋住光敏電阻的作弊行為。用手或其他方法擋住傳感器時，因所施加的壓力是不均勻的，且無法將光敏電阻的光照完全擋住。單片機通過數(shù)據(jù)處理，可以準(zhǔn)確地分辨出來，并激發(fā)作弊報警。

千斤頂檢測傳感器模塊的控制電路與止動三角木檢測傳感器模塊電路的原理圖完全一致，但是PCB板的布局和布線有所不同。在進行光敏傳感器和壓敏傳感器的PCB 板布局時，需要考慮傳感器模塊的不同，設(shè)計最優(yōu)的光線檢測和壓力傳遞。

3 信息采集儀

信號采集儀的主要功能是實時接收4 個智能傳感器模塊的信號，進行數(shù)據(jù)處理和分析以后，將結(jié)果通過4G 模塊傳送至系統(tǒng)服務(wù)器。

3.1 信號采集儀電路

信號采集儀的電路[4]如圖7 所示，與前述的傳感器模塊采用相同的單片機STC15W204S，該單片機可以采用3.3～ 5 V 供電，因這里無需像傳感器模塊那樣考慮模塊體積和功耗，所以使用5 V 供電。STC15W204S 具有2 個串口，分別實現(xiàn)與藍牙模塊和4G 模塊的通信。

圖7 信號采集儀電路

藍牙模塊采用BLE02，通過單片機的串口1 與單片機進行通信。此處的藍牙模塊作為主機，可以同時連接止動三角木檢測傳感器模塊、大螺母拆裝檢測傳感器模塊、備胎螺母拆裝檢測傳感器模塊、千斤頂檢測傳感器模塊等4 個傳感器上的藍牙模塊從機。因此，可以實時接收4 個智能傳感器模塊所采集的數(shù)據(jù)。

4G 模塊通過單片機的串口2 與單片機進行通信。該模塊用于將信號采集儀連接到公網(wǎng)，與系統(tǒng)的服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。

3.2 信號采集儀的程序處理流程

信號采集儀對實時收集的傳感器的數(shù)據(jù)進行分析處理以后才能得出有效的考核結(jié)果。程序流程圖如圖8 所示。首先進行初始化，包括對藍牙和4G 模塊連接的初始化，以及對各個數(shù)據(jù)寄存器的初始化等。然后依次完成：實時接收4 個傳感器模塊的信號、處理作弊、評判放置輪胎止動三角木的動作、評判使用千斤頂?shù)膭幼鳌⒃u判拆卸大螺母動作和順序、評判拆備胎螺母動作和順序、評判安裝大螺母動作和順序、評判八個考核步驟的順序、評判備胎和工具歸位情況等，最后將實時數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。完成一輪數(shù)據(jù)處理和傳送后，將重新開始新一輪的實時接收傳感器信號和數(shù)據(jù)處理、發(fā)送的過程。

圖8 信號采集儀的程序流程

4 應(yīng)用實例

我國每年新增大量道路貨運從業(yè)人員，以南寧市為例，每個月均需要安排1-2 次集中考試，每次約300 人。考生數(shù)量較大，傳統(tǒng)人工監(jiān)考的監(jiān)考效率低下，且存在公平公正性不足等問題。

自從該系統(tǒng)試投入備胎更換考試以來，已經(jīng)累計服役了16 場共計1620 人次的考核，取得了較好的成效。在無人看守的情況下，累計僅有8 人次出現(xiàn)了檢測失誤，需要通過調(diào)用現(xiàn)場監(jiān)控進行人工打分，其余考生的考試均正常，成功率為99.5%。通過該系統(tǒng)，自動觸發(fā)并成功抓獲作弊5 人次。該系統(tǒng)能永久保存現(xiàn)場考試的原始數(shù)據(jù)，可以有效用于復(fù)核考生成績。

5 結(jié)語

在實際考場上的應(yīng)用，驗證了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和過程數(shù)據(jù)的可追溯性。目前市場上尚無應(yīng)用于備胎更換考核系統(tǒng)的專用智能設(shè)備，基于智能傳感器的備胎更換考核系統(tǒng)填補了這一空白。

在保證考核評判準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，如果采用更加成熟的制造工藝和技術(shù)，能進一步提升本套系統(tǒng)設(shè)備運行的穩(wěn)定性。基于智能傳感器的備胎更換考核系統(tǒng)采用模塊化的智能傳感器，易于擴展和維護。若進一步推廣應(yīng)用這套系統(tǒng)，可以產(chǎn)生較大的經(jīng)濟價值。