作者 / 馬曉晴 胡小翠 王傑 王敏敏 周平
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201712/373594.htm安徽農業大學 工學院電氣工程系(安徽 合肥 230000)
*基金項目：安徽省質量工程項目(編號：2015ckjh008);安徽農業大學校級大創項目(編號：2016102)
周平(1982-)，男，博士，副教授，研究方向：農業自動化、農業信息化等。
摘要：針對車輛超載檢測系統精度不高、效率低的現狀，本文研究一種基於胎壓差分的測量方法，並在此基礎上利用傳感技術、無線收發技術、嵌入式硬體技術等，集成開發車輛載重檢測系統，實現胎壓變化的監測與記錄。通過準確性試驗得出該系統的相對誤差在±5%以內;由穩定性實驗得出最大相對誤差為3.8%。因此該測量系統具有較高的理論價值和實用價值。
引言
據統計，全國每年由車輛超載引起的交通事故佔70%，由超載直接導致的群死群傷事故佔50%[1]。車輛超載的危害性引起了國務院的高度重視，由部務會議通過的《超限運輸車輛行駛公路管理規定》第三十三條中規定：公路管理機構應當對貨運車輛進行超載檢測[2]。
目前車輛載重檢測方式主要分為靜態稱重和動態稱重。國外車輛稱重最典型的技術為神經網絡法，該測量技術以神經網絡為核心，將測量過程中影響測量精度的誤差因素作為訓練樣本，得到較理想的網絡模型，其優點是測量精度高但製造成本也高[3];國內的測量技術製造成本相對較低，一種是基於汽車疊板彈簧形變的測量技術，其優點是製造容易，但精度不高，誤差在5%~30%左右;另一種是基於高精度稱重傳感器的測量技術，其測量準確度高，但不能實現動態實時測量，效率低。
為了彌補上述測量系統中精度低、效率低、製造成本高的不足，本文設計了一種基於胎壓差分法的車輛自載重檢測系統。
1 胎壓差分測量原理
當輪胎受到外部壓力作用發生形變時，其內部氣壓增加以對抗外力，因此當汽車載重時，輪胎內部的氣壓和空間都會發生相應變化[4]。假設輪胎為一個理想模型，不考慮其剛性和周圍環境等複雜的影響因素，當輪胎負荷為Q時，內部氣壓為Pt，輪胎發生一定形變，設輪胎接地面積為S，此時有：
(1)
又因為：
(2)
R為輪胎半徑，f為下沉高度，假設在汽車行駛的過程中，輪胎溫度T不變 。
聯立上式可得：
(3)
因此，對於確定型號的汽車，只需要測量汽車空載時和滿載後的輪胎胎壓就可得到汽車的載重量。
2 系統總體設計
2.1 結構設計
圖1為基於胎壓差分法的車輛自載重檢測系統結構。基於物聯網架構，通過壓力傳感器採集基本數據，採用嵌入式處理器進行分析和運算，得到汽車自載重與輪胎胎壓之間的數學關係，並通過無線射頻進行信息交換與通信，實現車輛載重的實時監控與測量[5]。
2.2 功能設計
圖2為基於胎壓差分法的車輛自載重檢測系統功能。主要分為兩部分，用戶界面信息顯示以及超載處理，當用戶進入系統界面時，系統會自動匹配車輛的噸位、輪胎的型號以及車主的相關信息，並將當前狀態下的輪胎胎壓值與車輛載重值顯示在屏幕上。系統自主判斷當前車輛是否超載，若超載則發出警報信號。
3 系統軟硬體設計
3.1 硬體設計
圖3為基於胎壓差分法的車輛自載重檢測系統硬體組成。主要分為傳感器採集、CPU處理和無線數據傳輸。
傳感器處於輪胎與測量系統接口位置，是獲取與檢測信息的窗口。系統採用STI8016型號的高完整性單晶矽壓力半導體傳感器進行數據採集，該產品非線性度，遲滯，重複性，輸入與輸出偏差較小，測量精度高，測量範圍在-100kPa~2MPa之間，具有良好的可靠性和靈敏性。
微處理器作為整個系統的核心，需要完成數據的處理、發送、接收及顯示等功能。微處理器選用具有內置10位25通道單端/差分ADC的C8051F310單片機，其內部校準24.5 MHz±2%的工作頻率，完全能夠滿足靜態胎壓測量速率。無線傳輸選用nRF24L01晶片，可直接與單片機I/O連接。通過軟體設置其傳輸速率可以實現15~50m範圍內的數據傳輸[6]。
3.2 軟體設計
圖4為基於胎壓差分法的車輛自載重檢測系統測量流程。首先對系統進行初始化，然後將採集到的模擬量轉換成數字量發送給CPU進行運算和處理，nRF24L01的無線發送模塊將處理後的數據發送給無線接收模塊，最終顯示在液晶屏上。
在無線傳輸過程中，先對數據寬度、頻道等參數進行設置。數據發送時，nRF24L01的寄存器配置為發射模式，寫入發送地址和數據，延時一定時間後啟動發射;數據接收時，寄存器配置為接收模式，寫入與發送模塊相同的地址寬度，數據長度和頻率，打開相應的數據通道進行數據接收。
4 試驗與結果
4.1 準確性試驗
為了驗證所提出設計的準確性，在實驗室搭建普通4輪貨運車輛平板模型進行實驗測試。假設貨車的4個輪胎新舊程度和磨損程度相同，將數據採集裝置安裝在每一個輪胎的氣門芯上，初始胎壓為94.26kPa，每增加65kg測量一次數據取平均值(如表1所示)。
圖5為胎壓與載重擬合直線。由Origin9.0軟體分析得出當貨車載量逐漸增加時，其擬合直線的擬合係數R2=0.97，說明回歸直線對觀測值的擬合程度很好，胎壓與載量之間基本滿足線性關係[8]。
由準確性試驗可以得出，對於特定型號的汽車和輪胎，本文所提出的測量方法準確度較高，測量的相對誤差在±5%以內。
4.2 穩定性試驗
為了驗證該測量方法的可靠性和穩定性，在車輛載重為400kg的狀態下，保持系統待機，每隔24小時進行一次數據採樣，採樣10次並進行分析(如表2所示)。圖6為連續觀測數據曲線，10個採樣數據均在400kg上下波動，最大絕對誤差為13.8kg，最大相對誤差為3.8%。在車輛長期行駛的過程中，能夠保證測量數據的準確性，因此該測量系統具有一定的可靠性和穩定性。
4.3 結果
通過上述試驗證明，本文提出的測量方法相對誤差均在±5%以內，能夠較準確得到對應輪胎胎壓的汽車載重值，因此可採用相同的方法對不同型號的車輛進行測量，並分別得出相應的線性表達式。
5 結論
本文通過對輪胎胎壓與車輛自載重之間數學關係的研究，提出一種基於胎壓差分的測量方法。該測量機理簡潔有效，基於此機理上建立的車輛自載重實時檢測系統精度高，便於安裝和攜帶，具有較高的實用價值。但由於時間、實驗條件和技術等原因，還有很多地方不夠完善。例如該系統沒有自主學習能力，只能對特定的輪胎進行測量，因此還需進一步研究，以滿足廣泛的應用需求。
參考文獻：
[1]杜娟,劉曉東.我國車輛超載現狀分析及對策研究[J].價值工程,2012,(01):279-280.
[2]交通運輸部.超限運輸車輛行駛公路管理規定.[Z]2016.
[3]劉燕.汽車自載重測量系統研究[D].東北大學,2012.
[4]李仁慶.動載荷下汽車胎壓變化規律試驗研究[D].浙江工業大學,2016.
[5]張海濤,張永奎.物聯網體系架構與核心技術[J].長春工業大學學報(自然科學版),2012,(02):176-181.
[6]覃溪.基於nRF24L01的無線溫溼度報警器的設計[J].科技展望,2017,(10):136.
[7]劉振華.基於NRF24L01的無線數據採集系統設計[J].山西科技,2016,(06):104-109.
[8]郝長春,孫潤廣.Origin9.0軟體在大學物理實驗數據處理中的應用探討[J].大學物理實驗,2015,(04):90-91.
本文來源於《電子產品世界》2018年第1期第46頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。