基于物聯網的車載稱重系統研究

袁偉明 王 韜

（江蘇北斗水聯網科技有限公司，江蘇南京 210000）

1 緒論

交通運輸行業是經濟發展的重點，是經濟發展的重要基礎[1]，2020年交通運輸業對江蘇省GDP的貢獻率約4%，根據2019年交通運輸行業發展統計公報，載貨汽車保有量逐年下降，比2018年下降19.8%，載重噸位逐年上漲，比2018年增長5.5%，大噸位的運輸車輛已逐漸成為運輸工具。超載對公路基礎設施的損壞十分嚴重，根據測算一輛軸載為15 t的超限車在道路上行駛1次，對道路的作用相當于標準軸載10 t的汽車行駛5次，軸載24 t的貨車在道路上行駛1次，對道路的作用相當于標準軸載10 t的貨車行駛約30次[2]。車輛超載對道路基礎設施的耐久性和服務年限的縮短有直接關系，是路政執法機構、道路養護單位應著重關注的問題。

2 車載智能動態稱重基本原理

現階段，應用較為廣泛的稱重技術利用重力作用，測貨物的重力在垂直方向對車輛造成的應變，計算物體重量。通過安裝在貨車車軸上的應變傳感獲取車軸變形，建立貨車各軸變形與車輛載重之間的模型，測得車載實時重量。假設車輛鋼板彈簧或車橋的變化與承載量呈線性關系，通過檢測應變傳感器變化得到車輛的載重信息。利用物聯網、互聯網技術將傳感器的信號傳輸至中心監控平臺，在中心監控平臺實現車輛跟蹤、信息顯示、數據統計等功能。

3 系統總體方案設計

3.1 系統總體框架

車載智能稱重系統由硬件和軟件兩個部分組成。

硬件部分采用應變傳感器與傾角傳感器對車輛載重進行采集；采用嵌入式處理器對采集數據進行處理，利用GNSS技術對車輛位置進行實時監控，通過無線通信技術將車輛信息傳至監控平臺。

軟件設計部分包括車載控制系統（車載端）、遠程監控系統（客戶端）、App或小程序（移動端），主要功能模塊為載重監控、位置監控、異常預警、數據分析等。

3.2 系統層次結構

車載智能稱重系統層次包括硬件設備層、系統驅動層、操作層和應用程序層。

硬件設備層以數據處理器為中心，包含應變傳感器與傾角傳感器等采集設備、GNSS定位設備、5G/4G/3G數據傳輸設備等。

系統驅動層包含數據采集通道的串口、數據存儲設備的驅動、顯示器驅動等。

操作系統層包含車載端系統、PC客戶端系統、移動端系統，車載端系統為μC/OS-Ⅱ，PC客戶端系統以Windows 10為主，移動端系統為Android和iOS系統。

應用程序層以硬件設備層、系統驅動層、操作系統層為基礎，是車載智能稱重系統功能表現的窗口，主要包括載重監控、位置監控、異常預警以及數據分析等應用程序的開發。

車載系統結構如圖1所示。

圖1 車載稱重系統結構

4 車載動態稱重算法研究

4.1 車輛靜態載荷測量算法

汽車受到載荷作用時，車橋變形，在此過程中，車橋可等效于簡支梁模型。

假設車輛載重為W，后三軸分別承擔重量W/3，即按三軸均載假設P=W/6。l1區間相應彎矩M為：

抗彎模量、應力、應變分別為：

普通6軸貨車在集中力的作用下懸臂梁受力模型如圖2所示。

圖2 車載稱重計算簡圖

4.2 車輛動態載荷測量算法

本文的研究對象是某型號的6軸汽車，通過力學分析可知車輛載貨的重力等于車輛所有軸的支反力之和。將應變傳感器通過焊接、超強磁鐵、黏結等方式固定在車軸位置上，采集車軸的變形信息，建立車輛荷載與車軸變形之間的關系模型，最終實現車輛動態載荷的測量。

汽車計算模型如圖3所示。

圖3 汽車計算模型

汽車可以簡化為以A、B兩點為支撐的簡支梁，C點是車輛的應力測試點，F點是車輛重力的集中點，設簡支點A到車輛荷載集中點C的長度為a，簡支點B到車輛荷載集中點F的長度為x。設A、B點的支反力為F1、F2，根據力矩平衡的條件可得方程組：

由此可得到A、B兩點的支反力為：

C處的彎矩和應力為：

式中：w——車軸的抗彎截面系數（mm3）；F——車輛重量（N）；L——簡化模型兩支點間的長度（mm）。

車輛的應力只與重力有關，車輛傳感器測量點位置如圖4所示。

圖4 車輛傳感器測量點位置

車輛實際在上道路行駛時并不是在水平方向，有一定的坡度。假設車輛在坡度角為α的道路上行駛，車輛動態運行狀態如圖5所示。

圖5 車輛動態運行狀態

由圖5可得力學方程：

式中：F1、F2、F3、F4——垂直方向的載荷（N）；α——道路坡度；G——車輛靜止情況下的總荷載（N）。

假設汽車第三軸的載荷為F31、F32，第四軸的載荷為F4，第五軸的載荷為F5，第六軸的載荷為F6，利用傳感器測量每個車軸的重力分量，最終得到車輛荷載與車軸變形之間的關系模型：

式中：k1、k2、k3、k4、k5——各個車軸傳感器重力分量的權值；A、B、C、D、E——傳感器采集的載重數據值。

5 結語

本文以車載稱重系統功能為出發點，對數據采集、存儲到最終應用的全過程進行分析，提出系統開發的原理，并制定軟硬件的總體設計方案。通過利用車輛荷載與車軸形變之間的關系建立車載稱重模型，實現車輛動態載荷的測量。