基于動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的載重測(cè)量系統(tǒng)

李雪峰，孟玉喜

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院（南通） 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南通 226006）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，房地產(chǎn)市場(chǎng)的發(fā)展，越來越多的渣土車穿梭于城市道路之間，雇主受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，車輛超載現(xiàn)象屢禁不絕。隨著車輛超載現(xiàn)象在社會(huì)生活中越來越普遍，車輛超載運(yùn)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(hù)費(fèi)用增加；車輛超載運(yùn)輸容易引發(fā)交通事故，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全；車輛超載運(yùn)輸使國(guó)家經(jīng)濟(jì)利益受損；車輛超載運(yùn)輸容易造成環(huán)境污染，與國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)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(shù)手段，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的載重量，當(dāng)車輛超載時(shí)自動(dòng)報(bào)警，提醒司機(jī)盡快卸貨以減少載重量。超載車輛的定位信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至車輛監(jiān)控中心，車輛監(jiān)控中心通過下發(fā)指令管理車輛的運(yùn)行。

1 汽車載重分析

當(dāng)車輛在傾角為α的路面上行駛時(shí)，其動(dòng)態(tài)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，F(xiàn)1、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(cè)測(cè)得的垂直載荷；F21、F22為后軸左右兩側(cè)測(cè)得的垂直載荷，這4個(gè)力都可通過電阻應(yīng)變片傳感器測(cè)得，角度α通過傾角傳感器獲得。

當(dāng)汽車負(fù)重時(shí)，鋼板彈簧發(fā)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(jù)相關(guān)知識(shí)，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(diǎn)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(zhǎng)度（mm）；M為抗彎矩（N·mm）

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

式中：εi為i處的應(yīng)變值（N/mm2）；h為矩形截面梁的高（mm）；WZ為抗彎截面系數(shù)（mm3）。從上述表達(dá)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(yīng)變片的電橋電路中求得。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

在電阻應(yīng)變片的電橋電路中，如圖3所示，電橋輸出有如下關(guān)系：

圖3 電橋及信號(hào)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(diǎn)漂移補(bǔ)償電阻RT。供電電路中還串入非線性補(bǔ)償電阻RL，溫度補(bǔ)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(yīng)變片和1組傾角傳感器構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)的前端，4個(gè)鋼板彈簧的簧片上分別安裝應(yīng)變傳感器，構(gòu)成4路采集通道，每路通道的電路由圖3構(gòu)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(zhuǎn)換芯片AD7190轉(zhuǎn)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(chǎn)品內(nèi)置MCU控制器，把重力測(cè)斜單元采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過n階濾波融合算法進(jìn)行修正、補(bǔ)償、輸出角度值，測(cè)量精度為0.01°。該傳感器支持多種串口通信，本系統(tǒng)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(cè)量車輛行駛過程中的車輛傾斜度，兩種傳感器協(xié)同合作，并通過實(shí)驗(yàn)確定每個(gè)板簧的簧載質(zhì)量在車輛總載荷量的計(jì)算中所占的權(quán)值，然后再根據(jù)各簧載質(zhì)量加權(quán)得出車輛的總載荷。

車載終端由STM32-M4系列單片機(jī)、電阻應(yīng)變片傳感器、傾角傳感器、北斗導(dǎo)航模塊、GSM/GPRS通信模塊[6-8]等組成。電阻應(yīng)變片和傾角傳感器測(cè)量車輛載重信息，北斗導(dǎo)航模塊接收車輛定位信息，單片機(jī)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(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)包傳送到監(jiān)控中心，又可通過網(wǎng)絡(luò)接收來自監(jiān)控中心的調(diào)度指令。監(jiān)控中心由實(shí)時(shí)通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)器和監(jiān)控終端組成[9]。

在車載終端的裝置中，單片機(jī)采用STM32F407IGT6芯片，其共有140個(gè)通用I/O口，以及內(nèi)部FLASH，192 KB RAM，6個(gè)串行口等資源。電阻應(yīng)變片構(gòu)成的電橋電路輸出信號(hào)小，若通過常規(guī)功率放大電路放大、處理，則信號(hào)容易受到噪聲和隨機(jī)信號(hào)干擾致使信號(hào)信噪比得不到保證，因此電橋電路首先通過一個(gè)儀表放大器，然后將其輸出送至A/D轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路中的AD7190芯片是一款適合高精密測(cè)量應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲、24位的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），解決了毫伏級(jí)電壓信號(hào)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(nèi)通道序列器可以使能多個(gè)通道，AD7190按順序在各使能通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)采用偽差分輸入方式，就是對(duì)信號(hào)與地之間的電壓進(jìn)行采樣，由單片機(jī)發(fā)出命令控制AD7190實(shí)現(xiàn)對(duì)AIN1～AIN4通道電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其輸入輸出接口如圖4和圖5所示。北斗導(dǎo)航模塊ATGM336H遵循NMEA-0183協(xié)議，采用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低功耗GNSS SOC芯片AT6558，支持BDS /GPS /GLONASS /GALILEO /QZSS /SBAS衛(wèi)星導(dǎo)航，其與主控制器的通信采用串口實(shí)現(xiàn)，能夠檢測(cè)車輛的速度、航向、時(shí)間、緯度和經(jīng)度等?；赟IM800C的GSM/GPRS模塊主要將車載數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控中心，與此同時(shí)，接收地面監(jiān)控中心的命令，是地面監(jiān)控中心與車載系統(tǒng)之間的溝通橋梁。觸摸顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示汽車的載重量、車速、航向、時(shí)間、緯度和經(jīng)度，還能提供可觸摸的人機(jī)界面，方便用戶利用SIM800C打電話、報(bào)警等。

圖4 4路A/D采集通道

圖5 主控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)通信服務(wù)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(shí)時(shí)信息；二是將監(jiān)控中心下發(fā)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(xié)議，采用套接字通信流程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與下發(fā)。

3.1 車載終端與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通信協(xié)議

統(tǒng)一規(guī)范的通信協(xié)議是通信雙方傳遞數(shù)據(jù)的良好保證，為確保車載終端和監(jiān)控中心的通信順暢[9-10]，設(shè)計(jì)協(xié)議見表1所列。

表1 通信數(shù)據(jù)包格式

表1中協(xié)議頭內(nèi)容為58H58H，協(xié)議尾為0DH0AH，協(xié)議體根據(jù)當(dāng)前是下發(fā)命令還是接收數(shù)據(jù)有所不同，利用協(xié)議號(hào)1AH標(biāo)識(shí)下發(fā)命令，利用1BH標(biāo)識(shí)接收數(shù)據(jù)。為確認(rèn)車載終端與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心是否通信順暢，車載終端每隔一段時(shí)間會(huì)發(fā)送心跳包，如果通信順暢，監(jiān)控中心會(huì)返回握手信號(hào)，設(shè)計(jì)見表2所列的返回?cái)?shù)據(jù)包格式。

表2 返回?cái)?shù)據(jù)包格式

在表1的協(xié)議體中，定義見表3所列的自載重定位數(shù)據(jù)包。

表3 自載重定位數(shù)據(jù)包格式

協(xié)議頭代表一個(gè)數(shù)據(jù)包的開始，監(jiān)控中心服務(wù)器捕獲了協(xié)議頭，預(yù)示著車載終端有數(shù)據(jù)要上傳，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包，并檢查數(shù)據(jù)格式是否符合約定的通信協(xié)議，若是，則接收、解析并進(jìn)行后續(xù)處理；若不是，則會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)包并等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包的接收。監(jiān)控中心下發(fā)指令或響應(yīng)心跳包，其通信流程如圖6所示。內(nèi)容長(zhǎng)度占用一個(gè)字節(jié)，表示該數(shù)據(jù)包的有效信息長(zhǎng)度；保留字的相關(guān)位用于系統(tǒng)升級(jí)；終端ID號(hào)占用8個(gè)字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)終端的識(shí)別信息；信息序列號(hào)占用2個(gè)字節(jié)，用于對(duì)接收的信息進(jìn)行排序，以便今后的歷史數(shù)據(jù)查詢；協(xié)議號(hào)占用一個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分上傳數(shù)據(jù)還是下發(fā)數(shù)據(jù)；信息內(nèi)容占28個(gè)字節(jié)，在本系統(tǒng)中劃分如下：6個(gè)字節(jié)的日期時(shí)間，2個(gè)字節(jié)的車載重，4個(gè)字節(jié)的緯度，4個(gè)字節(jié)的經(jīng)度，1個(gè)字節(jié)的速度，2個(gè)字節(jié)的航向，5個(gè)字節(jié)的保留升級(jí)用，4個(gè)字節(jié)的狀態(tài)位。

圖6 接收自載重定位數(shù)據(jù)包及下發(fā)指令流程

3.2 程序設(shè)計(jì)

在Keil開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)車載終端的控制程序[11]。首先設(shè)計(jì)AD7190采集車身重量的C程序，包括設(shè)置AD7190的工作模式-偽差分輸入、采樣率、采樣時(shí)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(guān)寄存器，并將其對(duì)應(yīng)的頭文件包含在include Paths路徑下；設(shè)計(jì)北斗導(dǎo)航模塊的數(shù)據(jù)接收程序，加載nmealib（NMEA-0183協(xié)議）庫(kù)，并設(shè)置相關(guān)文件的加載路徑；設(shè)計(jì)LCD驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)中文字庫(kù)并放置在內(nèi)部存儲(chǔ)器，添加訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器的頭文件并設(shè)置加載路徑；設(shè)計(jì)SIM800C模塊與監(jiān)控中心的通信程序，設(shè)置移動(dòng)臺(tái)類型和接入點(diǎn)名稱，獲取本地端口，設(shè)置連接服務(wù)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(jì)算車載重，并通過串口的DMA接收北斗導(dǎo)航模塊的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為提高效率，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)量的一半時(shí)便調(diào)用NMEA庫(kù)中的nmea_parse函數(shù)進(jìn)行解碼，并對(duì)解碼信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、處理；調(diào)用液晶顯示函數(shù)，將各數(shù)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串?dāng)?shù)據(jù)，輸出在LCD指定的位置，為方便調(diào)試及比對(duì)數(shù)據(jù)，也將各數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)的串口輸出；最后根據(jù)協(xié)議將自載重?cái)?shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等按照上述協(xié)議格式重組封裝，通過SIM800C模塊發(fā)送至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心服務(wù)器解析接收的數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議格式截取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)字符串，并將其轉(zhuǎn)換成工程常規(guī)格式，為車輛管理提供參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

利用電阻應(yīng)變片和傾角傳感器測(cè)量了汽車的載重量，利用北斗導(dǎo)航模塊采集了導(dǎo)航信息，通過主控制器實(shí)現(xiàn)各模塊的協(xié)同工作，并將自載重和導(dǎo)航信息按照通信協(xié)議進(jìn)行重組封裝，通過SIM800C發(fā)送至車輛監(jiān)控中心，車輛監(jiān)控中心利用電子地圖實(shí)時(shí)顯示車輛的相關(guān)信息。在車載終端的調(diào)試過程中，通過計(jì)算機(jī)串口和液晶屏顯示自載重和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，說明程序正確解析了車載終端的定位數(shù)據(jù)，正確測(cè)量了車重，定位模塊和自載重模塊的設(shè)計(jì)和連接；利用GNSS_Viewer軟件，顯示GPS和北斗定位的衛(wèi)星編號(hào)、當(dāng)前衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度、經(jīng)緯度、時(shí)間等信息；利用http：//www.gpsspg.com/maps.htm獲取當(dāng)前地圖信息；當(dāng)數(shù)據(jù)包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)被實(shí)時(shí)通信服務(wù)器接收時(shí)，服務(wù)器程序也能正確解析相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過電子地圖實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確顯示各車輛的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)車輛的管理。