基于超聲波傳感器的車載超重監(jiān)控報警系統(tǒng)

隨著交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，伴隨著產(chǎn)生的車輛超載現(xiàn)象也日益嚴重，這不但會毀壞公路設施，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主要有：靜態(tài)稱重技術和動態(tài)稱重技術，這兩種技術都是通過在公路的特定位置設定關卡，安裝地磅使用壓力傳感器、電阻應變式傳感器等等來檢測車輛是否超重，測量結果比較精確，但這兩種技術有一些共同的缺點：傳感器易受損，而且在特定位置設定關卡，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)控中心對信息進行解析、記錄及保存。這樣，傳感器不僅不易受損，而且實現(xiàn)了車載，同時實現(xiàn)了對超載車輛的遠程實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

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 硬件構成

車載檢測子系統(tǒng)的構成如圖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、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、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)進行整合處理，得到車載重量，再將其與該車輛的額定載荷進行比較，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，經(jīng)過反射到達超聲波接收端，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的精確定時來減小，速度誤差與空氣密度有關，而空氣密度又與溫度有關，可通過溫度傳感器測量當下溫度進行溫度補償。超聲波在空氣中的傳播速度C與環(huán)境溫度的關系如式(2)：

C=331.4+0.61×T (2)

溫度補償方法為每次先按照式(2)計算當時聲速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)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，在GPS定位中，3顆衛(wèi)星，就可以列出3個位置方程，從而解出觀測點的位置(X，Y，Z)?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，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，對這個方程組進行求解，就得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(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、計算機直接相連。單片機與計算機通過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現(xiàn)

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

2)超聲波傳感器選用由清新機電實業(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500 Hz，支持多量程探測，1 ms快速光強探測，精度可達1 mm，盲區(qū)1 cm。

3)溫度傳感器使用美國Dallas半導體公司生產(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與單片機的硬件接口使用RS232通信標準。將GSM的RXD接單片機的TXD、GND接GND與單片機進行串口通信，單片機通過發(fā)送AT指令實現(xiàn)對GSM的控制，它們之間的具體實現(xiàn)電路如圖3所示。

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