李雪峰，孟玉喜

（江苏城市职业学院（南通） 机电工程学院，江苏 南通 226006）

0 引 言

随着城市化进程的推进，房地产市场的发展，越来越多的渣土车穿梭于城市道路之间，雇主受经济利益的驱使，车辆超载现象屡禁不绝。随着车辆超载现象在社会生活中越来越普遍，车辆超载运输迫使公路和桥梁的损坏速度加快，使其使用年限缩短并且维护费用增加；车辆超载运输容易引发交通事故，危害人民生命财产安全；车辆超载运输使国家经济利益受损；车辆超载运输容易造成环境污染，与国家生态文明建设背道而驰[1-3]。为了能够有效治理车辆超载，需采用有效的技术手段，如实时监测车辆的载重量，当车辆超载时自动报警，提醒司机尽快卸货以减少载重量。超载车辆的定位信息通过无线网络传输至车辆监控中心，车辆监控中心通过下发指令管理车辆的运行。

1 汽车载重分析

当车辆在倾角为α的路面上行驶时，其动态受力情况[4]如图1所示。图1中，υ为车辆的行驶速度，G为车辆重力，F1、F2为车辆前后轴的垂直载荷，由力的平衡方程可得：

图1 车辆受力分析

式中：F11、F12为前轴左右两侧测得的垂直载荷；F21、F22为后轴左右两侧测得的垂直载荷，这4个力都可通过电阻应变片传感器测得，角度α通过倾角传感器获得。

当汽车负重时，钢板弹簧发生形变，其受力模型可以等效为一悬臂梁[5]，如图2所示。

图2 钢板弹簧受力等效的悬臂梁模型

根据相关知识，悬臂梁的挠度方程和x截面的抗弯矩方程为：

式中：ω为悬臂梁的挠度（mm）；F为自由端作用力（N）；x为力作用点与固定端距离（mm）；E为弹性模量（MPa）；I为截面惯性矩（mm4）；l为悬臂梁长度（mm）；M为抗弯矩（N·mm）

根据应力与形变的关系：ε=σ/E，矩形截面梁上的最大正应力为σMAX=M/WZ，得出截面x处梁表面的应变与弯矩的关系为：Mi=WZEεi，因此上述挠度方程可修正为：

式中：εi为i处的应变值（N/mm2）；h为矩形截面梁的高（mm）；WZ为抗弯截面系数（mm3）。从上述表达式可知，如果求得εi，便可求得悬臂梁在该处的挠度值及所受到的力，该εi可以在电阻应变片的电桥电路中求得。

2 硬件电路设计

在电阻应变片的电桥电路中，如图3所示，电桥输出有如下关系：

图3 电桥及信号放大电路

如果电桥电路初始不平衡，可在桥臂上串入平衡电阻RS，零点漂移补偿电阻RT。供电电路中还串入非线性补偿电阻RL，温度补偿电阻RM。由放大电路的工作原理得知，图3所示的放大电路输出电压为：

采用4组电阻应变片和1组倾角传感器构建检测系统的前端，4个钢板弹簧的簧片上分别安装应变传感器，构成4路采集通道，每路通道的电路由图3构成，放大电路的输出AINi（i=1～4）连接图4接口CN1中的AIN1～AIN4，再由A/D转换芯片AD7190转换。一组倾角传感器采用无锡咏为传感科技公司出品的SCT726T双轴高精度倾角传感器，产品内置MCU控制器，把重力测斜单元采集到的数据经过n阶滤波融合算法进行修正、补偿、输出角度值，测量精度为0.01°。该传感器支持多种串口通信，本系统中采用RS 232串口输出模式，接口电路如图4中的P3接口。倾角传感器安装在车架底部，用来测量车辆行驶过程中的车辆倾斜度，两种传感器协同合作，并通过实验确定每个板簧的簧载质量在车辆总载荷量的计算中所占的权值，然后再根据各簧载质量加权得出车辆的总载荷。

车载终端由STM32-M4系列单片机、电阻应变片传感器、倾角传感器、北斗导航模块、GSM/GPRS通信模块[6-8]等组成。电阻应变片和倾角传感器测量车辆载重信息，北斗导航模块接收车辆定位信息，单片机是主控中心，用于控制各模块工作，它将采集到的车辆自身载重信息和车辆定位信息重组封装打包。GSM/GPRS通信模块既可通过网络将上述数据包传送到监控中心，又可通过网络接收来自监控中心的调度指令。监控中心由实时通信服务器、数据库服务器、Web服务器和监控终端组成[9]。

在车载终端的装置中，单片机采用STM32F407IGT6芯片，其共有140个通用I/O口，以及内部FLASH，192 KB RAM，6个串行口等资源。电阻应变片构成的电桥电路输出信号小，若通过常规功率放大电路放大、处理，则信号容易受到噪声和随机信号干扰致使信号信噪比得不到保证，因此电桥电路首先通过一个仪表放大器，然后将其输出送至A/D转换电路。转换电路中的AD7190芯片是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端，内置一个低噪声、24位的Σ-Δ模数转换器（ADC），解决了毫伏级电压信号输入、传输、衰减以及放大和滤波问题，这款器件可配置为两路差分输入或四路伪差分输入。片内通道序列器可以使能多个通道，AD7190按顺序在各使能通道上执行转换。本设计采用伪差分输入方式，就是对信号与地之间的电压进行采样，由单片机发出命令控制AD7190实现对AIN1～AIN4通道电压进行转换，其输入输出接口如图4和图5所示。北斗导航模块ATGM336H遵循NMEA-0183协议，采用完全自主知识产权的低功耗GNSS SOC芯片AT6558，支持BDS /GPS /GLONASS /GALILEO /QZSS /SBAS卫星导航，其与主控制器的通信采用串口实现，能够检测车辆的速度、航向、时间、纬度和经度等。基于SIM800C的GSM/GPRS模块主要将车载数据发送到地面监控中心，与此同时，接收地面监控中心的命令，是地面监控中心与车载系统之间的沟通桥梁。触摸显示屏用于实时显示汽车的载重量、车速、航向、时间、纬度和经度，还能提供可触摸的人机界面，方便用户利用SIM800C打电话、报警等。

图4 4路A/D采集通道

图5 主控制电路

3 软件设计

在整个系统中，监控中心的实时通信服务器是“大脑”，它有两方面作用：一是接收和解析车载终端传送的实时信息；二是将监控中心下发的指令信息传送到车载终端。在与车载终端的GPRS通信中，采用TCP/IP协议，采用套接字通信流程实现数据的接收与下发。

3.1 车载终端与监控中心数据通信协议

统一规范的通信协议是通信双方传递数据的良好保证，为确保车载终端和监控中心的通信顺畅[9-10]，设计协议见表1所列。

表1 通信数据包格式

表1中协议头内容为58H58H，协议尾为0DH0AH，协议体根据当前是下发命令还是接收数据有所不同，利用协议号1AH标识下发命令，利用1BH标识接收数据。为确认车载终端与网络监控中心是否通信顺畅，车载终端每隔一段时间会发送心跳包，如果通信顺畅，监控中心会返回握手信号，设计见表2所列的返回数据包格式。

表2 返回数据包格式

在表1的协议体中，定义见表3所列的自载重定位数据包。

表3 自载重定位数据包格式

协议头代表一个数据包的开始，监控中心服务器捕获了协议头，预示着车载终端有数据要上传，准备接收数据包，并检查数据格式是否符合约定的通信协议，若是，则接收、解析并进行后续处理；若不是，则会丢弃该数据包并等待下一个数据包的接收。监控中心下发指令或响应心跳包，其通信流程如图6所示。内容长度占用一个字节，表示该数据包的有效信息长度；保留字的相关位用于系统升级；终端ID号占用8个字节，用于标识终端的识别信息；信息序列号占用2个字节，用于对接收的信息进行排序，以便今后的历史数据查询；协议号占用一个字节，用于区分上传数据还是下发数据；信息内容占28个字节，在本系统中划分如下：6个字节的日期时间，2个字节的车载重，4个字节的纬度，4个字节的经度，1个字节的速度，2个字节的航向，5个字节的保留升级用，4个字节的状态位。

图6 接收自载重定位数据包及下发指令流程

3.2 程序设计

在Keil开发环境下设计车载终端的控制程序[11]。首先设计AD7190采集车身重量的C程序，包括设置AD7190的工作模式-伪差分输入、采样率、采样时钟、极性-单极性、PGA增益-128、采样模式-单次采样方式、输入通道选择等相关寄存器，并将其对应的头文件包含在include Paths路径下；设计北斗导航模块的数据接收程序，加载nmealib（NMEA-0183协议）库，并设置相关文件的加载路径；设计LCD驱动程序，设计中文字库并放置在内部存储器，添加访问内部存储器的头文件并设置加载路径；设计SIM800C模块与监控中心的通信程序，设置移动台类型和接入点名称，获取本地端口，设置连接服务器的IP和端口，使用AT指令完成GPRS通信[12]。在主程序中，加载上述提到的头文件，初始化各变量，首先计算车载重，并通过串口的DMA接收北斗导航模块的导航数据，为提高效率，当接收到数据量的一半时便调用NMEA库中的nmea_parse函数进行解码，并对解码信息进行格式转换、处理；调用液晶显示函数，将各数值数据转换成字符串数据，输出在LCD指定的位置，为方便调试及比对数据，也将各数据通过计算机的串口输出；最后根据协议将自载重数据、导航数据等按照上述协议格式重组封装，通过SIM800C模块发送至监控中心；监控中心服务器解析接收的数据，根据协议格式截取对应的数据字符串，并将其转换成工程常规格式，为车辆管理提供参考数据。

4 结 语

利用电阻应变片和倾角传感器测量了汽车的载重量，利用北斗导航模块采集了导航信息，通过主控制器实现各模块的协同工作，并将自载重和导航信息按照通信协议进行重组封装，通过SIM800C发送至车辆监控中心，车辆监控中心利用电子地图实时显示车辆的相关信息。在车载终端的调试过程中，通过计算机串口和液晶屏显示自载重和导航数据，说明程序正确解析了车载终端的定位数据，正确测量了车重，定位模块和自载重模块的设计和连接；利用GNSS_Viewer软件，显示GPS和北斗定位的卫星编号、当前卫星的信号强度、经纬度、时间等信息；利用http：//www.gpsspg.com/maps.htm获取当前地图信息；当数据包通过GPRS网络和Internet网络被实时通信服务器接收时，服务器程序也能正确解析相关数据，并通过电子地图实时、准确显示各车辆的位置，从而实现对移动车辆的管理。