基于超聲波傳感器的車載超重監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

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(huì)毀壞公路設(shè)施，更增加了交通事故的發(fā)生率，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)很大的危害，所以及時(shí)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(cè)車輛超重的技術(shù)主要有：靜態(tài)稱重技術(shù)和動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)，這兩種技術(shù)都是通過(guò)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(lái)檢測(cè)車輛是否超重，測(cè)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(huì)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(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用超聲波傳感器測(cè)量車輛在受載時(shí)車梁與車軸的相對(duì)位移，通過(guò)傳感器標(biāo)定，來(lái)間接測(cè)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(guò)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(duì)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(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)超載車輛的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(cè)子系統(tǒng)和監(jiān)控中心兩個(gè)部分。系統(tǒng)框圖如1所示。

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

2 車載檢測(cè)子系統(tǒng)

2.1 硬件構(gòu)成

車載檢測(cè)子系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，包括測(cè)重模塊與主控單元兩大部分。其中測(cè)重模塊包括單片機(jī)、超聲波傳感器、溫度傳感器、無(wú)線傳輸模塊四個(gè)部分;主控單元包括單片機(jī)、GPS模塊、GSM模塊以及無(wú)線傳輸模塊四個(gè)部分。另外，本系統(tǒng)使用三個(gè)測(cè)重模塊，呈三角形分布在車軸的三個(gè)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(bào)。

工作原理是：車輛在行駛過(guò)程中，三個(gè)測(cè)重模塊分別使用超聲波傳感器，檢測(cè)車輛在受載時(shí)所處位置的車軸與車梁的相對(duì)位移，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償后，將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給主控單元，主控單元對(duì)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(lái)判斷車輛是否超重。若車輛超重，主控單元即產(chǎn)生報(bào)警信息，將該車輛的車牌號(hào)、額定載荷、超重?cái)?shù)據(jù)以及GPS定位信息通過(guò)GSM模塊發(fā)送給監(jiān)控中心。

2.2 超聲波測(cè)距原理

本系統(tǒng)使用的超聲波測(cè)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(gè)或一組超聲波脈沖，在發(fā)射時(shí)刻計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到被測(cè)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)反射到達(dá)超聲波接收端，此時(shí)計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，得到的時(shí)間t就是超聲波在發(fā)射器和被測(cè)目標(biāo)之間來(lái)回傳播的時(shí)間。

測(cè)距的公式表示為：

s=C·△t/2 (1)

式中，s為測(cè)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(shí)間差。

根據(jù)上述超聲波測(cè)距公式，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。時(shí)間誤差可通過(guò)單片機(jī)的精確定時(shí)來(lái)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(guò)溫度傳感器測(cè)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(jì)算當(dāng)時(shí)聲速C，然后再按照式(1)計(jì)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(cè)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(gè)位置方程，從而解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X，Y，Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，增加了第四個(gè)未知數(shù)，即鐘差，因而引入第4顆衛(wèi)星，列出了第四個(gè)方程式，對(duì)這個(gè)方程組進(jìn)行求解，就得到觀測(cè)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(shí)，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(guò)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(jì)算機(jī)直接相連。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口給GSM模塊發(fā)送AT指令來(lái)控制GSM模塊收發(fā)短信、設(shè)置短信中心號(hào)、短信格式等等。常用的AT指令如表1所示：

2.5 各個(gè)功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)

1)主控單元與測(cè)重模塊的單片機(jī)均選用STC89C52，該單片機(jī)功耗低、性能高、價(jià)格便宜，而且用于此系統(tǒng)，不會(huì)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(cè)范圍1 cm～550 cm，探測(cè)頻率可達(dá)500 Hz，支持多量程探測(cè)，1 ms快速光強(qiáng)探測(cè)，精度可達(dá)1 mm，盲區(qū)1 cm。

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

4)無(wú)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(wú)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(jiǎn)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(guò)發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM的控制，它們之間的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

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