基于STIV132与GPRS的车载称重系统研究

赵向平 李惠敏

摘要：文章针对目前的车辆称重系统和货车源头治超的现状，介绍了一种基于STM32F107VCT6处理器和GPRS网络的车载称重解决方案，通过GPS装置对车辆位置进行实时定位，利用GPRS网络将车辆的载荷量、位置、速度等车辆信息发送至车辆监控中心。进行了车辆水平静态和动态加载称重试验，经过了径向基神经网络（RBF网络）的验证，并验证了不同环境下GPRS的收发情况。试验结果表明，系统称重精度高，GPS定位信息准，GPRS收发稳定，实用性强，在各种情况下都能够满足当前的车载称重需求。

关键词：车载称重；监控中心；径向基神经网络；拉绳传感器

随着我国交通运输业的迅猛发展，载货汽车数量大幅增多，而载货汽车的超限超载给交通安全及道路设施带来一定的隐患。中央已经明确规定，载重车辆必须安装限载装置，而现行的静态称重和动态称重系统都是称重设备与车辆分离的，存在一定的局限性。本文在研究现有车辆称重设备和考虑实际需要的基础上，设计了一套车载称重监控系统，该系统可以全天候、全路段地对车辆进行监控管理，能有效地控制车辆的载重量，防止过载对车辆及道路造成损坏，对车辆地理位置、速度、方向及载重量等进行实时监控，便于调度车辆作业，提高工作效率，有效防止由于人为问题造成公司的损失。除此之外，还可以对车辆运营的数据进行存储，形成大数据，进而规避许多不必要的风险。

1 系统方案

本文探讨的车载称重系统利用传感技术、卫星定位技术和网络技术，实现实时监控货运车辆装载、运行状况，并实现车辆动态无人值守治超管理。车载称重系统结构如图1所示。按照结构可分为3个子系统：车载称重单元、车载称重终端和中心监控平台。

车载称重单元采用拉绳式传感器，该传感器安装于车辆底盘和车架之间，以拉绳长度的变化量来获得货车的载重信息；车载称重终端安装于驾驶室内，用于车载数据的采集、处理及数据本地实时存储，GPS进行车辆定位跟踪，重量数据由GPRS经GSM全球数据移动通讯传输给监控平台等；中心监控平台由工作站、数据服务器、Web服务器、UPS、拼接屏等组成，主要实现数字地图功能、车辆实时监控、超载报警、传感器异常报警、远程访问和大屏幕显示等。

I.I 车载称重单元

1.1.1 传感器的选择

传统的车载称重传感器均采用低外形、应变式称重传感器，有一定的优点，但加装或改装这种传感器时，需要拆卸车厢。而且，在车辆行驶过程中传感器需要承受持续的交变载荷的作用，如遇到路面不平、装卸货物、车辆碰撞等极易造成传感器的过载而损坏，所以，可靠性、热冲击等问题难以解决。

本文采用拉绳式位移传感器，它可以将车辆钢板弹簧的形变量转化为拉绳传感器拉绳长度的变化量，这种传感器线性度良好，且易于安装。

倾角传感器采用一个双轴的倾角传感器，能够为计算车辆重量提供准确的倾角数据。

1.1.2 传感器安装位置

倾角传感器安装与车载称重终端内部，将实时的车辆倾角状态信号传送给处理器。通过车辆有限元建模和分析，找出车辆车架与前后两个车轴的应变敏感点，每个车轴敏感点两侧各布局1只拉绳传感器。传感器安装于钢板弹簧正上方，传感器拉绳下端固定于钢板弹簧上端正中间。一般为4个，根据需要可选装6个或8个甚至更多。

将传感器按上述方案安装完之后，利用电缆将各传感器线接入车厢中的车载称重终端。

1.2 车载称重终端

车载称重终端以ARM系列的STM32F107VCT6处理器为核心，辅以各种外围设备及接口。STM32F107VCT6是一款32位的微处理器，最大时钟频率72MHz，拥有丰富的片上外设，64K的RAM和256Kb的闪存容量，全速USB OTG功能，支持外接U盘等，功能强大。

车载称重终端主要由电源模块、数据采集处理模块、人机交互模块、USB通信单元以及GPS/GPRS DTU等组成，可实现传感器数据采集转换；仪表置零、标定、零点跟踪、分度变换等、与上位机通讯、U盘存储等功能。终端外壳外壳拟采用FA5型防水铸铝壳的壳体，其原理如图2所示。

1.2.1 电源模块

车载称重终端电源由车厢内蓄电池供电，将蓄电池的24V直流电经降压滤波电路处理之后转换为终端各模块需要的5v和3.3V。

1.2.2 数据采集处理模块

数据采集处理单元是车载称重终端的核心模块，由数据采集控制器、数据处理算法等组成，是连接称重单元和其他模块的桥梁。

数据采集控制器是将传感器的模拟信号经滤波后采集到微处理器中，STM32F107VCT6微处理器的片上有2个12位逐次逼近的高速A/D转换器，可同时测量16个外部和2个内部信号源。

采集到的数据经微处理器处理完成之后，将得到的重量数据通过RS232串口和GPS/GPRS DTU连接，通过GPRS网络将重量信号发送给中心监控平台，这部分由GPRS/GPS DTU模块完成。

1.2.3 人机交互模块

人机接口单元由2个部分组成：一部分是终端上的液晶显示屏，另一部分是利用超级终端通过串口与上位机通讯。

液晶显示屏选用触摸屏，能够实时显示车牌号、货物名称、时间、车速、重量等信息，设置2级管理系统，技术人员可对其参数进行标定。

终端可通过232串口，利用超级终端与上位机通讯，在上位机上用菜单形式显示各种命令列表，输入命令查看、修改各个参数的值，实现仪表的置零、分段标定、设置零点跟踪范围以及修改上限报警载荷等功能。

1.2.4 GPRS/GPS DTU

作为车载称重系统信息交互的通道，选用ZH6600GPS+GPRS系列嵌入式DTU，32位的ARM处理器，72MHz的CPU速度，抗干扰能力强。采用GPRS网络及接入点名称（AccessPoint Name，APN）专线接入的方式，主要适用于在GPRS网络下实现各种无线业务，且GPRS在线模式可选择永久在线、按需在线、唤醒在线等模式，支持数据协议传输或数据透传功能。

将DTU各参数配置完成之后，用串口线与人机交互模块相连，将车牌、车型、当前时间、车辆的重量信息、报警信息及GPS信息等发送给监控中心，同时监控中心发出的各种命令也可以通过DTU给车载称重终端，从而实现整个系统之间的信息交互。

1.2.5 USB通讯模块

该模块用于实现U盘本地存储，U盘操作采用RO.09b文件操作系统。存储文件中包括车牌、车型、实时时间、货物名称、称重数据、报警事件、状态信息等。

1.3 中心监控平台

基于GPS的车载动态智能监控中心是面向相关行业、政府职能部门、企业、车队等提供相关服务及信息的综合监控平台，由工作站、数据服务器、Web服务器、管理服务器、拼接屏等组成，接收GPRS/GPS DTU模块发送过来的信息，且对GPS定位信息进行解析，能够实现数字地图显示、历史数据查询、异常报警、数据采集、用户管理、权限管理、数据修改、系统管理、数据接口、数据管理、大屏显示等功能。

其中数字地图选用百度地图API，具体功能为实现车辆位置及信息的显示，能够实时对单台、多台车进行跟踪定位，显示车辆的当前位置、速度、方向、载重、总重等，数据更新时间为30秒，能够对单车或多车的车辆行驶路线进行查询，并在数字地图中显示行驶路线。

历史数据主要为超载车辆信息统计。查询条件可单选、复选，能够按照以下规则进行数据筛选、查询、统计：按时间段查询车辆总数；按超限超载率查询超重车辆总数；按车牌号查询车辆装载情况；按轴数查询车辆装载情况；车辆累计超载次数等。

2 称重试验数据及结果分析

笔者于2015年10月在山西省太原市小店区对相关车辆进行了实地测试。测试选取时间段为晚上9点至凌晨5点，测试车辆选用型号为DFL13IIAX9A，额定载荷为20T的东风重卡。在该型货车上安装有4个电阻式拉绳传感器。拉绳传感器的拉绳长度的变化量与载荷呈非线性关系，所以车载称重终端微处理器需要对由传感器信号转化后得到的AD值进行分段线性拟合。

由于电阻式拉绳传感器的阻值变化与拉绳长度变化和微处理器采集得到的AD值变化成线性关系。所以测量载荷阻值关系，实质上是测量载荷与钢板挠度的关系。分析载荷和钢板挠度的关系，得到理论的系数标定值表；然后将实地测试得到的载荷阻值的斜率进行分段标定，得到试验系数标定值表；对理论和试验标定值表进行数据处理，得到标准的系数标定值表。

将终端各参数按照标准系数标定值表进行标定之后，进行测试。测试分为静态测试和动态测试。同时，将数据采集得到的AD值导入经训练之后的RBF网络，得到的重量值与车辆实际运行测试所测得的重量数据相比较，验证结果。

2.1 实际测试

将标定完成之后的测试车辆停放在相对水平的路面上，载荷从OT以IT的步进递增至20T，再递减至OT。每次测量记录数据时，应将车辆在水平路面上多次移动，取其平均值进行记录。并选定一段路面进行动态测试。测试数据记录及其误差分析如表l所示（以载重IOT-15T为例来说明）。

式中W_静：静态称量值；W_表：仪表显示称量值；W_空：空载称量值；W_动：动态称量值；W_砝：标准测试砝码重量值；o_静：静态误差百分比；σ_动：动态误差百分比。

由表1可以得知，在水平路面上静态称量时，实际测量值与理论测量值之间的误差情况小于3%，动态称量的实际测量值与理论测量值误差小于5%，满足系统设计要求。

2.2 径向基神经网络验证

径向基神经网络（RBF网络）所需训练时间少，且能够对任意非线性函数进行很好地局部逼近。

将车载称重信号和倾角信号作为RBF网络的输入，经实验仿真得到RBF网络的隐藏层层数为8，车载实际重量作为输出值，则最终的RBF网络模型为2X8XI。

RBF网络得到的重量值与上述动态测试所得到的车载实时重量值相比较，比较曲线如图3所示（以载重15T的一段随机数据为例来说明）。

由图3可以看出，经训练之后的RBF网络得到数据曲线与动态测试所测得的数据曲线基本拟合。

3 结论

对比、验证理论计算与实测数据可知，静态标定误差低于3%F.S，动态误差优于5%F.S，满足车载称重系统实际使用需求。本系统将称重装置和载重汽车相结合，利用嵌入式和无线网络技术，实现了对车辆轨迹及载重量的高速、高精度的采集。系统预留的I2C和CAN总线接口可与车载其它模块相结合，便于系统进行功能扩展，完善汽车“黑匣子”功能。本系统可以安装在各种不同类型的载重汽车上，随时随地测量其载重量，对解决货车实时监控管理、运量统计、物流调整、源头治超、公路设施超限治理等有重大意义。