基于WIFI的無線便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊倫，余康，徐瑞利

（中航電測儀器股份有限公司，陜西 西安 710119）

前言

對汽車重心位置的計算與檢測，為設(shè)計人員合理分配汽車軸重和輪重提供有效數(shù)據(jù)，幫助改善汽車的運行穩(wěn)定性，并且車輛最終定型前也需要通過重心檢測試驗[1]。本系統(tǒng)的研究對提高公路交通運輸安全和公路使用壽命都具有重大意義。

傳統(tǒng)的便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)，主要由稱重板、儀表箱和互聯(lián)電纜等組成，各稱重板與儀表箱之間采用電纜連接，傳送重量電壓信號。首先由于傳送信號為模擬信號，信號幅值也很小，極易受到環(huán)境干擾，而且信號在長線傳輸時會產(chǎn)生衰減，再就是實際使用過程中，互聯(lián)電纜也極易受到損傷，給使用者帶來很大不便，最后稱重板與儀表箱之間須有固定的連接對應(yīng)關(guān)系，不能隨意調(diào)換。這些傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺陷，致使便攜式軸重稱重系統(tǒng)的使用難以推廣和普及。

針對上述問題，本系統(tǒng)的傳感器（即稱重臺板）直接集成了信號處理功能，每個傳感器即為一個獨立的秤臺，并采用了無線信號傳輸技術(shù)，取消了互連電纜，布放時沒有位置順序的限制，稱重臺板信號直接傳送至電腦顯示終端。

圖1 傳統(tǒng)便攜式汽車軸重稱重

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由稱重臺板和電腦終端（含管理軟件）兩大部分組成，其中稱重臺板由板式稱重傳感器、數(shù)據(jù)采集處理電路和無線信號傳輸裝置三部分集成為一體。

系統(tǒng)采用“車輪-秤臺”承載映射機理，即秤臺與車輛輪胎相對應(yīng)，車輛總載荷分配在各秤臺上，各秤臺獨立顯示承載重量，每個測試結(jié)果通過無線收發(fā)裝置發(fā)送至電腦終端，對各秤臺顯示的重量信號進行采集與管理，可以對車輛的稱重數(shù)據(jù)進行存儲、報表、打印等操作。

傳感器選用L15B型板式稱重傳感器，橫向一致性好、測量精度高，信號由數(shù)據(jù)采集電路轉(zhuǎn)換處理，最終得到精確的重量數(shù)據(jù)，通過無線傳輸裝置送達電腦終端，無線傳輸裝置選用深圳海凌科的Wi-Fi模塊產(chǎn)品，功率大，能夠有效繞過障礙物，實現(xiàn)50m的傳輸距離。數(shù)據(jù)采集電路和無線傳輸裝置直接嵌入傳感器內(nèi)，形成一體化的重量感應(yīng)、采集處理、顯示及傳輸?shù)姆Q重臺板，充分體現(xiàn)系統(tǒng)便攜的特點。

便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)含多只稱重臺板，對于不同車型、不同軸型、不同軸距/輪距車輛的軸重及輪重，通過簡單的組合即可實現(xiàn)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器選用

L15B型板式稱重傳感器具有如下的特點：

1）整體平板式設(shè)計，動態(tài)響應(yīng)頻率高；

2）采用航空用特殊材料，過載能力強；

3）采用了特殊的防護處理，防護等級高；

4）重量輕，易于攜帶；

5）裝配橡膠提手，可移動布放；

6）配套專用引橋，便于車輛上下稱重臺板。

圖3 板式稱重傳感器（稱重臺板）

因此，在公路運輸車輛的移動稱重和載荷監(jiān)測方面，板式稱重傳感器應(yīng)用廣泛，對于飛機重量及重心的檢測，以及特別場合的重量檢測方面也能適用。

3 無線通訊技術(shù)選擇

基于使用者便攜式應(yīng)用的要求，系統(tǒng)的外設(shè)應(yīng)盡量精簡，因此系統(tǒng)設(shè)計時在無線通訊技術(shù)選擇上，就從電腦可選配的藍牙模塊與Wi-Fi模塊之間進行了選擇，而不考慮433MHz工業(yè)無線電等技術(shù)，實現(xiàn)最為便捷的數(shù)據(jù)傳輸方式。

嵌入式UART-WIFI模塊HLK-WIFI-M03是海凌科電子設(shè)計基于串行接口的符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標準的產(chǎn)品，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE 802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

WI-FI無線網(wǎng)絡(luò)包括兩種類型的拓撲形式：基礎(chǔ)網(wǎng)和自組網(wǎng)。本系統(tǒng)中，采用WI-FI的基礎(chǔ)網(wǎng)類型，運用無線網(wǎng)絡(luò)加密方式，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行保護。同時WI-FI模塊自動掃描，以快速組網(wǎng)與保持在線，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

通過HLK-WIFI-M03模塊，稱重臺板的數(shù)據(jù)可以輕松接入無線網(wǎng)絡(luò)，進行組網(wǎng)。

4 硬件電路及軟件程序設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路包含數(shù)據(jù)采集電路和無線數(shù)據(jù)傳輸裝置兩部分，數(shù)據(jù)采集電路負責采集板式稱重傳感器的模擬電壓信號，經(jīng)采集轉(zhuǎn)換處理后得到重量數(shù)據(jù)，然后由無線數(shù)據(jù)傳輸裝置將重量數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦終端。

數(shù)據(jù)采集電路主要由電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控制器、按鍵電路、通訊電路和顯示電路等組成，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖見圖4。各電路部分的功能如下：

1）電源電路給所有功能電路提供工作電壓；

2）A/D轉(zhuǎn)換電路采集稱重傳感器的模擬電壓信號；

3）主控制器是數(shù)據(jù)采集電路的核心樞紐；

4）按鍵電路實現(xiàn)清零、標定等用戶操作的錄入；

5）通訊電路為主控制器與無線數(shù)據(jù)傳輸裝置的接口；

6）顯示電路對采集處理后的重量示值等進行指示。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路方案框圖

軟件程序完成數(shù)據(jù)采集電路部分A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取、濾波和標定處理，當有按鍵操作時識別鍵值并執(zhí)行相應(yīng)的命令，最后將重量數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示電路進行實時顯示，軟件流程圖見圖5。

圖5 下位機軟件流程圖

系統(tǒng)下位機軟件的關(guān)鍵部分就是數(shù)據(jù)濾波和轉(zhuǎn)換處理，從A/D轉(zhuǎn)換器讀到的碼值一般會有幾十上百個數(shù)值的跳變，這種情況必須采用數(shù)字濾波算法對數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)采用了中位值濾波和算術(shù)平均濾波的組合算法，即中位值平均濾波算法，連續(xù)采樣12個A/D轉(zhuǎn)換碼，排序后找出其中的最大值和最小值并舍棄，把剩余的 10個數(shù)值求和再取平均值，即得到一個穩(wěn)定的數(shù)值。中位值平均濾波算法的優(yōu)點是可以消除偶然出現(xiàn)的脈沖干擾，缺點是測量速度較慢，而且比較占用緩存。

經(jīng)過實際測試，中位值平均濾波算法可以滿足本系統(tǒng)靜態(tài)測量的應(yīng)用需求，實現(xiàn)高精度的靜態(tài)測量。

5 管理軟件設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)管理軟件采用Visual Basic 6.0軟件編制完成，主要有輪重/軸重/總重顯示、數(shù)據(jù)存儲、打印等功能，其中數(shù)據(jù)存儲使用了Microsoft Office自帶的Access數(shù)據(jù)庫，對于本管理軟件而言，其功能足以支持本課題所需應(yīng)用。

管理軟件流程與稱重界面見圖6。

圖6 管理軟件流程圖與稱重界面

6 系統(tǒng)測試

在連接完成整套系統(tǒng)后，將安裝管理軟件的電腦放置距被測試傳感器約10m遠處，用標準力機對被測試傳感器進行了測試，包括非線性、重復(fù)性和偏載測試，測試結(jié)果見表1。

圖7 稱重測試

表1 靜態(tài)精度測試結(jié)果

通過上述測試結(jié)果，分析可知，基于 WIFI的無線便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)在無線通訊連接的情況下，稱重信息傳輸準確，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的綜合精度達到≤0.2%FS。

7 結(jié)語

根據(jù)用戶的應(yīng)用需求，選用了基于Wi-Fi無線通訊技術(shù)，并結(jié)合了高精度數(shù)據(jù)采集技術(shù)的方案，設(shè)計實現(xiàn)了基于Wi-Fi技術(shù)的便攜式汽車軸重稱重系統(tǒng)。

本系統(tǒng)未采用傳統(tǒng)的電纜線連接方式，而是基于 WIFI技術(shù)原理下，將稱重儀表集成在稱重板內(nèi)，實現(xiàn)了真正意義上的便攜式無線稱重方式。系統(tǒng)的單元模塊簡單，稱重信息傳輸準確、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，綜合精度高。

經(jīng)用戶實際應(yīng)用測試，系統(tǒng)各項功能及性能達到預(yù)期要求，運行穩(wěn)定可靠，滿足工程應(yīng)用需求。