基于動態稱重技術和無線網絡的載重測量系統

李雪峰，孟玉喜

（江蘇城市職業學院（南通） 機電工程學院，江蘇 南通 226006）

0 引 言

隨著城市化進程的推進，房地產市場的發展，越來越多的渣土車穿梭于城市道路之間，雇主受經濟利益的驅使，車輛超載現象屢禁不絕。隨著車輛超載現象在社會生活中越來越普遍，車輛超載運輸迫使公路和橋梁的損壞速度加快，使其使用年限縮短并且維護費用增加；車輛超載運輸容易引發交通事故，危害人民生命財產安全；車輛超載運輸使國家經濟利益受損；車輛超載運輸容易造成環境污染，與國家生態文明建設背道而馳[1-3]。為了能夠有效治理車輛超載，需采用有效的技術手段，如實時監測車輛的載重量，當車輛超載時自動報警，提醒司機盡快卸貨以減少載重量。超載車輛的定位信息通過無線網絡傳輸至車輛監控中心，車輛監控中心通過下發指令管理車輛的運行。

1 汽車載重分析

當車輛在傾角為α的路面上行駛時，其動態受力情況[4]如圖1所示。圖1中，υ為車輛的行駛速度，G為車輛重力，F1、F2為車輛前后軸的垂直載荷，由力的平衡方程可得：

圖1 車輛受力分析

式中：F11、F12為前軸左右兩側測得的垂直載荷；F21、F22為后軸左右兩側測得的垂直載荷，這4個力都可通過電阻應變片傳感器測得，角度α通過傾角傳感器獲得。

當汽車負重時，鋼板彈簧發生形變，其受力模型可以等效為一懸臂梁[5]，如圖2所示。

圖2 鋼板彈簧受力等效的懸臂梁模型

根據相關知識，懸臂梁的撓度方程和x截面的抗彎矩方程為：

式中：ω為懸臂梁的撓度（mm）；F為自由端作用力（N）；x為力作用點與固定端距離（mm）；E為彈性模量（MPa）；I為截面慣性矩（mm4）；l為懸臂梁長度（mm）；M為抗彎矩（N·mm）

根據應力與形變的關系：ε=σ/E，矩形截面梁上的最大正應力為σMAX=M/WZ，得出截面x處梁表面的應變與彎矩的關系為：Mi=WZEεi，因此上述撓度方程可修正為：

式中：εi為i處的應變值（N/mm2）；h為矩形截面梁的高（mm）；WZ為抗彎截面系數（mm3）。從上述表達式可知，如果求得εi，便可求得懸臂梁在該處的撓度值及所受到的力，該εi可以在電阻應變片的電橋電路中求得。

2 硬件電路設計

在電阻應變片的電橋電路中，如圖3所示，電橋輸出有如下關系：

圖3 電橋及信號放大電路

如果電橋電路初始不平衡，可在橋臂上串入平衡電阻RS，零點漂移補償電阻RT。供電電路中還串入非線性補償電阻RL，溫度補償電阻RM。由放大電路的工作原理得知，圖3所示的放大電路輸出電壓為：

采用4組電阻應變片和1組傾角傳感器構建檢測系統的前端，4個鋼板彈簧的簧片上分別安裝應變傳感器，構成4路采集通道，每路通道的電路由圖3構成，放大電路的輸出AINi（i=1～4）連接圖4接口CN1中的AIN1～AIN4，再由A/D轉換芯片AD7190轉換。一組傾角傳感器采用無錫詠為傳感科技公司出品的SCT726T雙軸高精度傾角傳感器，產品內置MCU控制器，把重力測斜單元采集到的數據經過n階濾波融合算法進行修正、補償、輸出角度值，測量精度為0.01°。該傳感器支持多種串口通信，本系統中采用RS 232串口輸出模式，接口電路如圖4中的P3接口。傾角傳感器安裝在車架底部，用來測量車輛行駛過程中的車輛傾斜度，兩種傳感器協同合作，并通過實驗確定每個板簧的簧載質量在車輛總載荷量的計算中所占的權值，然后再根據各簧載質量加權得出車輛的總載荷。

車載終端由STM32-M4系列單片機、電阻應變片傳感器、傾角傳感器、北斗導航模塊、GSM/GPRS通信模塊[6-8]等組成。電阻應變片和傾角傳感器測量車輛載重信息，北斗導航模塊接收車輛定位信息，單片機是主控中心，用于控制各模塊工作，它將采集到的車輛自身載重信息和車輛定位信息重組封裝打包。GSM/GPRS通信模塊既可通過網絡將上述數據包傳送到監控中心，又可通過網絡接收來自監控中心的調度指令。監控中心由實時通信服務器、數據庫服務器、Web服務器和監控終端組成[9]。

在車載終端的裝置中，單片機采用STM32F407IGT6芯片，其共有140個通用I/O口，以及內部FLASH，192 KB RAM，6個串行口等資源。電阻應變片構成的電橋電路輸出信號小，若通過常規功率放大電路放大、處理，則信號容易受到噪聲和隨機信號干擾致使信號信噪比得不到保證，因此電橋電路首先通過一個儀表放大器，然后將其輸出送至A/D轉換電路。轉換電路中的AD7190芯片是一款適合高精密測量應用的低噪聲完整模擬前端，內置一個低噪聲、24位的Σ-Δ模數轉換器（ADC），解決了毫伏級電壓信號輸入、傳輸、衰減以及放大和濾波問題，這款器件可配置為兩路差分輸入或四路偽差分輸入。片內通道序列器可以使能多個通道，AD7190按順序在各使能通道上執行轉換。本設計采用偽差分輸入方式，就是對信號與地之間的電壓進行采樣，由單片機發出命令控制AD7190實現對AIN1～AIN4通道電壓進行轉換，其輸入輸出接口如圖4和圖5所示。北斗導航模塊ATGM336H遵循NMEA-0183協議，采用完全自主知識產權的低功耗GNSS SOC芯片AT6558，支持BDS /GPS /GLONASS /GALILEO /QZSS /SBAS衛星導航，其與主控制器的通信采用串口實現，能夠檢測車輛的速度、航向、時間、緯度和經度等。基于SIM800C的GSM/GPRS模塊主要將車載數據發送到地面監控中心，與此同時，接收地面監控中心的命令，是地面監控中心與車載系統之間的溝通橋梁。觸摸顯示屏用于實時顯示汽車的載重量、車速、航向、時間、緯度和經度，還能提供可觸摸的人機界面，方便用戶利用SIM800C打電話、報警等。

圖4 4路A/D采集通道

圖5 主控制電路

3 軟件設計

在整個系統中，監控中心的實時通信服務器是“大腦”，它有兩方面作用：一是接收和解析車載終端傳送的實時信息；二是將監控中心下發的指令信息傳送到車載終端。在與車載終端的GPRS通信中，采用TCP/IP協議，采用套接字通信流程實現數據的接收與下發。

3.1 車載終端與監控中心數據通信協議

統一規范的通信協議是通信雙方傳遞數據的良好保證，為確保車載終端和監控中心的通信順暢[9-10]，設計協議見表1所列。

表1 通信數據包格式

表1中協議頭內容為58H58H，協議尾為0DH0AH，協議體根據當前是下發命令還是接收數據有所不同，利用協議號1AH標識下發命令，利用1BH標識接收數據。為確認車載終端與網絡監控中心是否通信順暢，車載終端每隔一段時間會發送心跳包，如果通信順暢，監控中心會返回握手信號，設計見表2所列的返回數據包格式。

表2 返回數據包格式

在表1的協議體中，定義見表3所列的自載重定位數據包。

表3 自載重定位數據包格式

協議頭代表一個數據包的開始，監控中心服務器捕獲了協議頭，預示著車載終端有數據要上傳，準備接收數據包，并檢查數據格式是否符合約定的通信協議，若是，則接收、解析并進行后續處理；若不是，則會丟棄該數據包并等待下一個數據包的接收。監控中心下發指令或響應心跳包，其通信流程如圖6所示。內容長度占用一個字節，表示該數據包的有效信息長度；保留字的相關位用于系統升級；終端ID號占用8個字節，用于標識終端的識別信息；信息序列號占用2個字節，用于對接收的信息進行排序，以便今后的歷史數據查詢；協議號占用一個字節，用于區分上傳數據還是下發數據；信息內容占28個字節，在本系統中劃分如下：6個字節的日期時間，2個字節的車載重，4個字節的緯度，4個字節的經度，1個字節的速度，2個字節的航向，5個字節的保留升級用，4個字節的狀態位。

圖6 接收自載重定位數據包及下發指令流程

3.2 程序設計

在Keil開發環境下設計車載終端的控制程序[11]。首先設計AD7190采集車身重量的C程序，包括設置AD7190的工作模式-偽差分輸入、采樣率、采樣時鐘、極性-單極性、PGA增益-128、采樣模式-單次采樣方式、輸入通道選擇等相關寄存器，并將其對應的頭文件包含在include Paths路徑下；設計北斗導航模塊的數據接收程序，加載nmealib（NMEA-0183協議）庫，并設置相關文件的加載路徑；設計LCD驅動程序，設計中文字庫并放置在內部存儲器，添加訪問內部存儲器的頭文件并設置加載路徑；設計SIM800C模塊與監控中心的通信程序，設置移動臺類型和接入點名稱，獲取本地端口，設置連接服務器的IP和端口，使用AT指令完成GPRS通信[12]。在主程序中，加載上述提到的頭文件，初始化各變量，首先計算車載重，并通過串口的DMA接收北斗導航模塊的導航數據，為提高效率，當接收到數據量的一半時便調用NMEA庫中的nmea_parse函數進行解碼，并對解碼信息進行格式轉換、處理；調用液晶顯示函數，將各數值數據轉換成字符串數據，輸出在LCD指定的位置，為方便調試及比對數據，也將各數據通過計算機的串口輸出；最后根據協議將自載重數據、導航數據等按照上述協議格式重組封裝，通過SIM800C模塊發送至監控中心；監控中心服務器解析接收的數據，根據協議格式截取對應的數據字符串，并將其轉換成工程常規格式，為車輛管理提供參考數據。

4 結 語

利用電阻應變片和傾角傳感器測量了汽車的載重量，利用北斗導航模塊采集了導航信息，通過主控制器實現各模塊的協同工作，并將自載重和導航信息按照通信協議進行重組封裝，通過SIM800C發送至車輛監控中心，車輛監控中心利用電子地圖實時顯示車輛的相關信息。在車載終端的調試過程中，通過計算機串口和液晶屏顯示自載重和導航數據，說明程序正確解析了車載終端的定位數據，正確測量了車重，定位模塊和自載重模塊的設計和連接；利用GNSS_Viewer軟件，顯示GPS和北斗定位的衛星編號、當前衛星的信號強度、經緯度、時間等信息；利用http：//www.gpsspg.com/maps.htm獲取當前地圖信息；當數據包通過GPRS網絡和Internet網絡被實時通信服務器接收時，服務器程序也能正確解析相關數據，并通過電子地圖實時、準確顯示各車輛的位置，從而實現對移動車輛的管理。