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(duì)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(guò)GPS裝置對(duì)車輛位置進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)加載稱重試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)了徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF網(wǎng)絡(luò)）的驗(yàn)證，并驗(yàn)證了不同環(huán)境下GPRS的收發(fā)情況。試驗(yàn)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(shí)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(guó)交通運(yùn)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(lái)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(dòng)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(shí)際需要的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)載對(duì)車輛及道路造成損壞，對(duì)車輛地理位置、速度、方向及載重量等進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wèn)題造成公司的損失。除此之外，還可以對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，形成大數(shù)據(jù)，進(jìn)而規(guī)避許多不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控貨運(yùn)車輛裝載、運(yùn)行狀況，并實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)態(tài)無(wú)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(gè)子系統(tǒng)：車載稱重單元、車載稱重終端和中心監(jiān)控平臺(tái)。

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(zhǎng)度的變化量來(lái)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(shí)時(shí)存儲(chǔ)，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(dòng)通訊傳輸給監(jiān)控平臺(tái)等；中心監(jiān)控平臺(tái)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(shí)現(xiàn)數(shù)字地圖功能、車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、超載報(bào)警、傳感器異常報(bào)警、遠(yuǎn)程訪問(wèn)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(diǎn)，但加裝或改裝這種傳感器時(shí)，需要拆卸車廂。而且，在車輛行駛過(guò)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(guò)載而損壞，所以，可靠性、熱沖擊等問(wèn)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(zhǎng)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(gè)雙軸的傾角傳感器，能夠?yàn)橛?jì)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(shí)時(shí)的車輛傾角狀態(tài)信號(hào)傳送給處理器。通過(guò)車輛有限元建模和分析，找出車輛車架與前后兩個(gè)車軸的應(yīng)變敏感點(diǎn)，每個(gè)車軸敏感點(diǎn)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(gè)，根據(jù)需要可選裝6個(gè)或8個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換；儀表置零、標(biāo)定、零點(diǎn)跟蹤、分度變換等、與上位機(jī)通訊、U盤存儲(chǔ)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(hào)經(jīng)濾波后采集到微處理器中，STM32F107VCT6微處理器的片上有2個(gè)12位逐次逼近的高速A/D轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)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(guò)RS232串口和GPS/GPRS DTU連接，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將重量信號(hào)發(fā)送給中心監(jiān)控平臺(tái)，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(gè)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(jí)終端通過(guò)串口與上位機(jī)通訊。

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

終端可通過(guò)232串口，利用超級(jí)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(gè)參數(shù)的值，實(shí)現(xiàn)儀表的置零、分段標(biāo)定、設(shè)置零點(diǎn)跟蹤范圍以及修改上限報(bào)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)各種無(wú)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?jìng)鞴δ堋?/p>

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(shí)間、車輛的重量信息、報(bào)警信息及GPS信息等發(fā)送給監(jiān)控中心，同時(shí)監(jiān)控中心發(fā)出的各種命令也可以通過(guò)DTU給車載稱重終端，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)之間的信息交互。

1.2.5 USB通訊模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)U盤本地存儲(chǔ)，U盤操作采用RO.09b文件操作系統(tǒng)。存儲(chǔ)文件中包括車牌、車型、實(shí)時(shí)時(shí)間、貨物名稱、稱重?cái)?shù)據(jù)、報(bào)警事件、狀態(tài)信息等。

1.3 中心監(jiān)控平臺(tái)

基于GPS的車載動(dòng)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(duì)等提供相關(guān)服務(wù)及信息的綜合監(jiān)控平臺(tái)，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(guò)來(lái)的信息，且對(duì)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(bào)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(shí)現(xiàn)車輛位置及信息的顯示，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)單臺(tái)、多臺(tái)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(shí)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(jì)。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(jì)：按時(shí)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(hào)查詢車輛裝載情況；按軸數(shù)查詢車輛裝載情況；車輛累計(jì)超載次數(shù)等。

2 稱重試驗(yàn)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(duì)相關(guān)車輛進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。測(cè)試選取時(shí)間段為晚上9點(diǎn)至凌晨5點(diǎn)，測(cè)試車輛選用型號(hào)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(gè)電阻式拉繩傳感器。拉繩傳感器的拉繩長(zhǎng)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(duì)由傳感器信號(hào)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(zhǎng)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(cè)量載荷阻值關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是測(cè)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(shí)地測(cè)試得到的載荷阻值的斜率進(jìn)行分段標(biāo)定，得到試驗(yàn)系數(shù)標(biāo)定值表；對(duì)理論和試驗(yàn)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(cè)試。測(cè)試分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。同時(shí)，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(shí)際運(yùn)行測(cè)試所測(cè)得的重量數(shù)據(jù)相比較，驗(yàn)證結(jié)果。

2.1 實(shí)際測(cè)試

將標(biāo)定完成之后的測(cè)試車輛停放在相對(duì)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(cè)量記錄數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將車輛在水平路面上多次移動(dòng)，取其平均值進(jìn)行記錄。并選定一段路面進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。測(cè)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(lái)說(shuō)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(dòng)：動(dòng)態(tài)稱量值；W_砝：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試砝碼重量值；o_靜：靜態(tài)誤差百分比；σ_動(dòng)：動(dòng)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(shí)，實(shí)際測(cè)量值與理論測(cè)量值之間的誤差情況小于3%，動(dòng)態(tài)稱量的實(shí)際測(cè)量值與理論測(cè)量值誤差小于5%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF網(wǎng)絡(luò)）所需訓(xùn)練時(shí)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(hào)和傾角信號(hào)作為RBF網(wǎng)絡(luò)的輸入，經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真得到RBF網(wǎng)絡(luò)的隱藏層層數(shù)為8，車載實(shí)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(dòng)態(tài)測(cè)試所得到的車載實(shí)時(shí)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(lái)說(shuō)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(dòng)態(tài)測(cè)試所測(cè)得的數(shù)據(jù)曲線基本擬合。

3 結(jié)論

對(duì)比、驗(yàn)證理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，靜態(tài)標(biāo)定誤差低于3%F.S，動(dòng)態(tài)誤差優(yōu)于5%F.S，滿足車載稱重系統(tǒng)實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)隨地測(cè)量其載重量，對(duì)解決貨車實(shí)時(shí)監(jiān)控管理、運(yùn)量統(tǒng)計(jì)、物流調(diào)整、源頭治超、公路設(shè)施超限治理等有重大意義。