基于RFID的車輛超載識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余洲鑫 王猛 暢宏達(dá) 張昱瑾

摘 要：近年來，隨著汽車工業(yè)和高速公路運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，許多道路運(yùn)輸?shù)膯栴}由此產(chǎn)生，其中貨車超載問題成為影響人民生命安全的重要因素之一。本項(xiàng)研究在現(xiàn)有技術(shù)及前人研究基礎(chǔ)上，通過將RFID技術(shù)應(yīng)用于車輛載荷情況查詢識別與基于激光位移傳感器測量鋼板彈簧形變程度的車載式重量檢測系統(tǒng)相結(jié)合，兩者通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通，從而開發(fā)一種車輛超載識別系統(tǒng)從而便捷識別超載車輛。

關(guān)鍵詞：超載;車載檢測;RFID;實(shí)時(shí)檢測

中圖分類號：U462.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）09-116-04

Design Of Vehicle Overload Identification System Based On RFID

Yu Zhouxin， Wang Meng， Chang Hongda， Zhang Yujin

（Automotive College Chang'an university， Shaanxi Xi'an 710064）

Abstract：?In recent years， with the development of automobile industry and highway transportation system， many problems of road transportation arise， among which the problem of truck overload has become one of the important factors affecting people's life safety. The study on the basis of existing technology and previous studies， the application of RFID technology to query recognition and vehicle load based on laser displacement sensor measurement of leaf spring deformation degree of vehicular weight detection system， the combination of the two data through the CAN bus communication， so as to develop a vehicle overloading recognition and convenient overloaded vehicles.

Keywords：?Overload;?Vehicle detection;?RFID;?Real-time detection

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）09-116-04

1 前言

隨著我國公路運(yùn)輸系統(tǒng)和汽車工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的公路超載現(xiàn)象也接踵而至。超載運(yùn)輸對橋梁、公路帶來嚴(yán)重影響，縮短了公路的使用年限，對交通安全構(gòu)成了一定的危害。為了加強(qiáng)對超載運(yùn)輸管理，對貨車的載荷情況進(jìn)行檢測，對疑似超載車輛進(jìn)行有效識別，研發(fā)設(shè)計(jì)一種便捷的車輛測重及超載識別技術(shù)至關(guān)重要。目前，貨車超載測量識別技術(shù)主要可分為固定檢測式和車載檢測式這兩類。固定檢測式通過將電子地磅安裝在地面上，從而對經(jīng)過的車輛進(jìn)行稱重，這種檢測方式需占用大量的面積;車載檢測式則是將測量裝置安裝在車上，可以在車輛行駛中測量其載荷情況。由于車載檢測式不需要車輛停下來，也不用到固定地點(diǎn)測量，不會(huì)對道路交通帶來干擾，因而車載檢測式稱重技術(shù)越來越得到人們的關(guān)注。本項(xiàng)研究的目的是開發(fā)一種車載檢測式車輛超載識別系統(tǒng)從而便捷識別超載車輛。

2 車輛超載識別系統(tǒng)概述

2.1 設(shè)計(jì)方案

車輛超載識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要包括三部分：測量系統(tǒng)、識別系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理與傳送。其中，識別系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的，可通過讀取器便捷查詢車輛載荷情況及車輛信息，位于車輛的前部;而測量系統(tǒng)是通過激光位移傳感器測量鋼板彈簧的形變程度，代入一定的算法，從而間接測量出車輛的載荷情況，數(shù)據(jù)處理裝置就近布置于激光位移傳感器附近，測量系統(tǒng)整體位于車架上，兩者通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通，其分布情況如圖1所示。

2.2 車輛超載識別系統(tǒng)開發(fā)時(shí)應(yīng)遵循以下原則

（1）可靠性。車輛超載識別系統(tǒng)的測量精度和數(shù)據(jù)的保密程度直接影響對超載的監(jiān)管，因此所設(shè)計(jì)的車輛超載識別系統(tǒng)必須要有極高的可靠性。

（2）經(jīng)濟(jì)性。在保證系統(tǒng)用于足夠的可靠性的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能選擇價(jià)格低廉、性能高的系統(tǒng)組件。

（3）抗干擾性。為了保證測量的精度和數(shù)據(jù)的安全，所選擇的系統(tǒng)元器件要有一定的抗干擾能力，車輛超載識別系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)定性。

3 測量系統(tǒng)

3.1 測量系統(tǒng)的組成

如圖3所示，測量系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、測量電路、數(shù)據(jù)采集處理模塊及整車計(jì)算模塊所組成。

3.2 測量系統(tǒng)的工作原理

載貨汽車的貨車廂通常通過一定方式與車架相連接在一起，車架則和大梁制成一體。大梁主要通過在梁上的鋼板彈簧與后橋相連接成一個(gè)整體，整個(gè)車身通過一定數(shù)量的鋼板彈簧將所有的車身載荷施加到前、后軸上，由于鋼板彈簧上存在載荷的作用，鋼板彈簧會(huì)向下彎曲，而鋼板彈簧在正常工作范圍內(nèi)，存在彈性系數(shù)，故鋼板彈簧在一定的外部載荷的作用下，會(huì)發(fā)生彈性形變，產(chǎn)生彈性下移量，鋼板彈簧的彈性下移量可由激光位移傳感器測得。因此在車輛超載識別系統(tǒng)中，可以通過激光位移傳感器測量鋼板彈簧的下移量來間接測量車輛載荷情況。

激光位移傳感器的位移測量原理圖如圖 2所示。激光位移傳感器對位移測量的基本原理是光學(xué)三角法，如圖2所示：紅外發(fā)射管經(jīng)一定角度向外發(fā)射出紅外光線，當(dāng)這些紅外光線碰見障礙物時(shí)，則會(huì)將反射光線反射至PSD上，此時(shí)反射光線、發(fā)射光線及紅外發(fā)射管與PSD之間的線形成一個(gè)等腰三角形。該等腰三角形的底邊長可以通過PSD測出，而等腰三角形的兩個(gè)底邊的角大小由紅外發(fā)射管所確定。因此該等腰三角形的高，即為被測距離。

綜上分析，本文設(shè)計(jì)的車輛超載識別系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)總框圖如圖 3 所示。以二軸車輛為例，在車輛的前、后軸選取適當(dāng)位置分別安裝激光位移傳感器，用于測量車架與車軸之間的相對位移量，即：鋼板彈簧形變量，再通過測量電路與數(shù)據(jù)采集模塊獲得位移信號，在整車計(jì)算模塊中，根據(jù)測得的前、后軸位移信號，通過一定的載荷計(jì)算方法從而得到車輛的整車載荷。

以其中一個(gè)車軸為例，測量系統(tǒng)中各激光位移傳感器的安裝位置如圖 4所示，其他車軸的安裝與圖 4中的方法類似。每個(gè)車軸上安裝有兩個(gè)激光位移傳感器，分別安裝在車軸上方的車架上，且左、右對稱安裝一個(gè)，如圖 4所示。

3.3 載貨汽車車架受力分析

設(shè)一輛二軸貨車靜止停放在水平路面上，貨車空載時(shí)質(zhì)量為M，彈簧上質(zhì)量為M_u，彈簧下質(zhì)量為M_d，裝載有質(zhì)量為m的載荷，假定前、后軸的左、右鋼板彈簧剛度相等，分別用k₁、k₂表示。當(dāng)貨車的懸架彈簧處于自由狀態(tài)時(shí)，4個(gè)傳感器讀數(shù)分別設(shè)為x₀₁、x₀₂、x₀₃、x₀₄，分別為前軸左側(cè)、前軸右側(cè)和后軸左側(cè)、后軸右側(cè)激光位移傳感器的讀數(shù)。當(dāng)在車輛上加載質(zhì)量為m的載荷后，此時(shí)4個(gè)激光位移傳感器的讀數(shù)分別為x₁₁、x₁₂、x₁₃、x₁₄，此時(shí)有：

又由于M=M_u+M_d則有下式：

上式變形：

令，且為常數(shù)

則整車載質(zhì)量為：

3.4 測量系統(tǒng)工作流程

測量系統(tǒng)的啟動(dòng)流程圖如圖5所示。當(dāng)汽車未處于使用狀態(tài)，即車輛未起動(dòng)，此時(shí)，車輛是否超載不會(huì)對交通系統(tǒng)帶來影響，故可以不用對車輛超載情況進(jìn)行檢測，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在啟動(dòng)狀態(tài)下測量。同時(shí)，由于上述分析是在車輛靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，而動(dòng)態(tài)測量時(shí)，會(huì)引入加速度的影響，故需要在車輛靜止時(shí)，進(jìn)行測量，才能保證足夠的精度，在此處，選擇臨界值為1km/h。綜上所述測量系統(tǒng)的工作條件為：車輛啟動(dòng)且速度低于1km/h。

數(shù)據(jù)處理流程圖如圖6所示。汽車啟動(dòng)時(shí)，即開始測量第一條數(shù)據(jù)。當(dāng)測量系統(tǒng)開始工作后，每當(dāng)系統(tǒng)符合測量條件時(shí)，即開始測量，在連續(xù)的符合測量條件時(shí)（例如裝載貨物時(shí)），每隔10min測量一次，每次獲得新的重量后，會(huì)與上一個(gè)數(shù)值相比較，當(dāng)兩者相差值大于某一數(shù)值（此處預(yù)設(shè)為1t）時(shí)，則將新的數(shù)據(jù)傳遞給識別系統(tǒng)，以此來避免數(shù)據(jù)冗余。

4 超載識別系統(tǒng)

4.1 FRID介紹

RFID英文全稱為Radio Frequency Identification，射頻識別，又可稱為電子標(biāo)簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，整個(gè)識別過程無須人工干預(yù)，該技術(shù)可識別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。其特點(diǎn)為：①非接觸式，適合用于中、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)識別;②可大批量自動(dòng)讀取信息;③內(nèi)置芯片存儲信息量大;④通過芯片存儲，可實(shí)現(xiàn)多次讀取;⑤可以與其他各種傳感器共同使用。

4.2 識別系統(tǒng)工作原理

如圖7所示，識別系統(tǒng)是基于RFID設(shè)計(jì)的，當(dāng)識別系統(tǒng)受到測量系統(tǒng)發(fā)來的新數(shù)據(jù)后，會(huì)通過車載的中間件及應(yīng)用軟件將數(shù)據(jù)寫入存儲器，再經(jīng)由存儲器通過天線將數(shù)據(jù)寫入芯片中。當(dāng)交通管理部門人員在對路上超載車輛進(jìn)行查處時(shí)，只需手持讀寫器，便可查詢每一輛車的載荷情況，從而得知是否超載。

4.3 識別系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）便捷性?？梢酝ㄟ^非接觸的方法得知貨車的載荷情況，便于交管部門對路上貨車的重量的檢查;

（2）安全性。由于RFID具有唯一性和安全性，故一個(gè)RFID可以與唯一一輛貨車相連接，同時(shí)信息內(nèi)容可加密處理，使其內(nèi)容不易被盜取及更改。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目通過激光位移傳感器測量鋼板彈簧的形變量從而得知車輛載荷情況，

通過對測量系統(tǒng)的工作條件限定，將工作條件限定在車輛起動(dòng)且靜止時(shí)測量，從而避免了引入加速度的影響以及數(shù)據(jù)冗余，大大減少了算法的復(fù)雜程度。測得數(shù)據(jù)后，通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳遞給車載的RFID讀寫器，從而將載荷情況寫入RFID內(nèi)，在交管部門查處超載車輛時(shí)，只需通過手持式RFID讀寫器即可獲知相關(guān)信息。

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