隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，伴隨著產(chǎn)生的車輛超載現(xiàn)象也日益嚴(yán)重，這不但會毀壞公路設(shè)施，更增加了交通事故的發(fā)生率，對人們的生命財產(chǎn)安全帶來很大的危害，所以及時地發(fā)現(xiàn)并治理超載車輛具有重要的意義。

現(xiàn)在普遍使用的檢測車輛超重的技術(shù)主要有：靜態(tài)稱重技術(shù)和動態(tài)稱重技術(shù)，這兩種技術(shù)都是通過在公路的特定位置設(shè)定關(guān)卡，安裝地磅使用壓力傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器等等來檢測車輛是否超重，測量結(jié)果比較精確，但這兩種技術(shù)有一些共同的缺點(diǎn)：傳感器易受損，而且在特定位置設(shè)定關(guān)卡，會存在很多監(jiān)管不到的地方。

基于上述考慮，本文提出一種車載超重監(jiān)控報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用超聲波傳感器測量車輛在受載時車梁與車軸的相對位移，通過傳感器標(biāo)定，來間接測量車輛是否超重，一旦車輛超重，系統(tǒng)的GPS模塊定位車輛，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)將超重信息以及定位信息發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對信息進(jìn)行解析、記錄及保存。這樣，傳感器不僅不易受損，而且實(shí)現(xiàn)了車載，同時實(shí)現(xiàn)了對超載車輛的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

系統(tǒng)主要包括車載檢測子系統(tǒng)和監(jiān)控中心兩個部分。系統(tǒng)框圖如1所示。

主要工作原理是：車輛運(yùn)行過程中，車載檢測子系統(tǒng)檢測車輛是否超重，若車輛超重，即產(chǎn)生報警信息，并通過GSM模塊將報警信息發(fā)送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對信息進(jìn)行分析處理后，將重要數(shù)據(jù)記錄保存，并對超載車輛作出處理。

2 車載檢測子系統(tǒng)

2.1 硬件構(gòu)成

車載檢測子系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，包括測重模塊與主控單元兩大部分。其中測重模塊包括單片機(jī)、超聲波傳感器、溫度傳感器、無線傳輸模塊四個部分;主控單元包括單片機(jī)、GPS模塊、GSM模塊以及無線傳輸模塊四個部分。另外，本系統(tǒng)使用三個測重模塊，呈三角形分布在車軸的三個位置，這樣做的目的是防止車輛載荷分布不均，局部受重，導(dǎo)致誤報。

工作原理是：車輛在行駛過程中，三個測重模塊分別使用超聲波傳感器，檢測車輛在受載時所處位置的車軸與車梁的相對位移，經(jīng)過數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償后，將得到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送給主控單元，主控單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，得到車載重量，再將其與該車輛的額定載荷進(jìn)行比較，來判斷車輛是否超重。若車輛超重，主控單元即產(chǎn)生報警信息，將該車輛的車牌號、額定載荷、超重數(shù)據(jù)以及GPS定位信息通過GSM模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。

2.2 超聲波測距原理

本系統(tǒng)使用的超聲波測距方法是超聲脈沖反射法，它的原理是：超聲波發(fā)射器發(fā)出單個或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時刻計時器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測目標(biāo)，經(jīng)過反射到達(dá)超聲波接收端，此時計時器停止計時，得到的時間t就是超聲波在發(fā)射器和被測目標(biāo)之間來回傳播的時間。

測距的公式表示為：

s=C·△t/2 (1)

式中，s為測量的距離;C為超聲波在空氣中的傳播速度;△t為超聲波發(fā)送與接收時間差。

根據(jù)上述超聲波測距公式，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。時間誤差可通過單片機(jī)的精確定時來減小，速度誤差與空氣密度有關(guān)，而空氣密度又與溫度有關(guān)，可通過溫度傳感器測量當(dāng)下溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。超聲波在空氣中的傳播速度C與環(huán)境溫度的關(guān)系如式(2)：

C=331.4+0.61×T (2)

溫度補(bǔ)償方法為每次先按照式(2)計算當(dāng)時聲速C，然后再按照式(1)計算距離s。

2.3 GPS定位原理

由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，在GPS定位中，3顆衛(wèi)星，就可以列出3個位置方程，從而解出觀測點(diǎn)的位置(X，Y，Z)?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差，增加了第四個未知數(shù)，即鐘差，因而引入第4顆衛(wèi)星，列出了第四個方程式，對這個方程組進(jìn)行求解，就得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高了定位精度。

2.4 GSM模塊的使用

GSM短信模塊是專門用于短信接收發(fā)送的模塊，具有RS-232通信口，可與單片機(jī)、計算機(jī)直接相連。單片機(jī)與計算機(jī)通過RS232串口給GSM模塊發(fā)送AT指令來控制GSM模塊收發(fā)短信、設(shè)置短信中心號、短信格式等等。常用的AT指令如表1所示：

2.5 各個功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)

1)主控單元與測重模塊的單片機(jī)均選用STC89C52，該單片機(jī)功耗低、性能高、價格便宜，而且用于此系統(tǒng)，不會造成資源浪費(fèi)。

2)超聲波傳感器選用由清新機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的KS101B，該傳感器的探測范圍1 cm～550 cm，探測頻率可達(dá)500 Hz，支持多量程探測，1 ms快速光強(qiáng)探測，精度可達(dá)1 mm，盲區(qū)1 cm。

3)溫度傳感器使用美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，完成對超聲波檢測的溫度補(bǔ)償。

4)無線傳輸模塊使用由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4 GHz～2.5 GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片NRF24L01，該芯片具有4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá)8 Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡單。

5)GSM模塊選用SIM300。GSM與單片機(jī)的硬件接口使用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)。將GSM的RXD接單片機(jī)的TXD、GND接GND與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，單片機(jī)通過發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)對GSM的控制，它們之間的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

6)GPS模塊選用REB3571。GPS與單片機(jī)的硬件接口使用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)。將GPS的TXD接單片機(jī)的RXD、GND接GND與單片機(jī)進(jìn)行串口通信。系統(tǒng)上電，GPS定位成功后，通過TXD不斷輸出定位信息，系統(tǒng)在串行中斷函數(shù)中，不斷接收定位信息放到緩存數(shù)組中，通過對GPRMC信息的解析，提取出經(jīng)緯度。GPS與單片機(jī)的連接電路如圖4所示。

7)系統(tǒng)供電電源總共包括以下幾部分：NRF24L01需要3.3 V供電，GSM模塊需要12 V供電，其余器件均需要5 V供電，而汽車電瓶為12 V，所以將12 V通過5 V穩(wěn)壓芯片LM7805得到5 V電源，再將5 V電源通過3.3 V穩(wěn)壓芯片LM1117得到3.3 V電源。電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

2.6 軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化編程，將各部分的功能模塊化，易于程序的修改與移植。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個模塊：測重模塊和主控模塊。測重模塊的流程圖如6所示。

測重模塊工作時，先完成對超聲波傳感器，溫度傳感器以及NRF24L01的初始化，之后超聲波傳感器開始測距，根據(jù)溫度傳感器采集到的溫度對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，再將數(shù)據(jù)通過NRF24L01無線發(fā)射到主控模塊，若發(fā)送成功，等待一段時間再循環(huán)測距，若發(fā)送失敗，重新發(fā)送。

主控模塊的流程圖如圖7所示。模塊上電后完成對GPS模塊、GSM模塊的初始化，NRF24L01接收測重模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，對三個模塊的數(shù)據(jù)綜合處理后，與額定載荷相對比，判斷車輛是否超重，若超重，即將GPS的定位信息以及車牌號發(fā)送給監(jiān)控中心，否則，重新接收數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是基于Microsoft Visual C++6.0平臺實(shí)現(xiàn)的，主要功能是通過GSM模塊接收車載檢測子系統(tǒng)發(fā)送的報警信息，對信息進(jìn)行分析處理，保存到數(shù)據(jù)庫中。

監(jiān)控中心的實(shí)現(xiàn)主要包括三個部分：用MSComm控件實(shí)現(xiàn)GSM模塊與計算機(jī)的串行通信;在VC平臺上使用ADO訪問Access數(shù)據(jù)庫完成對報警信息的保存、查看等操作;使用WebBrowser控件調(diào)用谷歌地圖，根據(jù)經(jīng)緯度信息，查看車輛具體的地理位置。

3. 1 MSComm控件

GSM模塊與計算機(jī)的串行通信使用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)，硬件連接直接使用USB轉(zhuǎn)串口線將GSM的串口與計算機(jī)的USB口相連。軟件實(shí)現(xiàn)是通過在VC平臺上添加MSComm控件，使用MSComm控件完成對通信串口的設(shè)置、發(fā)送AT指令給GSM模塊并接收GSM模塊的報警信息。

3.2 使用ADO訪問Access數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫是為了實(shí)現(xiàn)對報警信息的保存、查看的操作，處理數(shù)據(jù)量不大，而且對數(shù)據(jù)庫的操作比較簡單，所以選擇使用Access數(shù)據(jù)庫，并選擇使用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)訪問Access數(shù)據(jù)庫。ADO(ActiveX Data Objects)是一個便于使用的應(yīng)用程序?qū)咏涌?，主要的?yōu)點(diǎn)是易于使用、速度快、內(nèi)存開銷小，它使用最少的網(wǎng)絡(luò)流量，并且在前端和數(shù)據(jù)源之間使用最少的層數(shù)，它是一個輕量、高性能的接口。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于超聲波傳感器的車載超重監(jiān)控報警系統(tǒng)，介紹了本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)，以及該系統(tǒng)的各個部分的工作原理、設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)踐證明，本系統(tǒng)很好地達(dá)到預(yù)期效果，安裝方便，性能穩(wěn)定，效果良好。但是，因?yàn)槌暡▊鞲衅魇峭ㄟ^測量車軸與車梁間的相對位移來間接檢測車輛是否超重，所以，需要定期對因車載重量引起的車輛的車軸與車梁間的相對位移進(jìn)行標(biāo)定，并更新數(shù)據(jù)庫中車輛的額定載荷的數(shù)據(jù)。