智能傳感器在大貨車備胎更換考核系統中的應用

周文軍

（南寧職業技術學院，廣西 南寧 530008）

0 引言

駕駛員若需從事道路經營性普通貨物運輸，須經過一家符合國家規定資質的道路運輸駕駛員培訓機構進行相應培訓，并經過考核合格后，持結業證書和本人駕駛證，才能到交通運輸管理部門申領道路貨運從業資格證件[1]。目前，我國道路貨運從業人員超過1700 萬人，約占道路運輸從業人員總數的60%。對這么龐大的從業人員的考核是一項重要的系統性的工作，使用傳統方法的人工考核效率低，難以保障考核的公正性，且存在考試過程數據不可追溯的大缺陷。

更換大貨車備胎是道路貨運從業人員的一項最基本的技能。智能傳感器技術廣泛應用于醫療保健、汽車、環境、農業和能源等領域[2]。本研究基于智能傳感器研發一套能夠規范有序的自動考核從業人員更換大貨車備胎的操作全過程，精確記錄、判斷考生更換備胎的真實能力的智能傳感器系統，可以大大提高考核效率和考核的公正性。

1 備胎更換考核系統總體架構

1.1 備胎更換主要考核步驟和要點

大貨車的備胎更換需要嚴格按照規定的步驟進行，其主要步驟如下：

第一步，在需要更換的后輪的同側的前輪下前后分別加止動塊；

第二步，以對角交叉的順序旋松輪胎螺母；

第三步，用千斤頂頂在后橋規定處安全可靠的位置將后輪頂起；

第四步，輪胎離地一定距離后，按對角交叉的順序將螺母松掉；

第五步，卸下輪胎后安裝備胎；

第六步，按對角交叉的順序緊固螺母，使螺母與螺栓孔的錐形端面精密配合；

第七步，放下千斤頂并取出后，逐一對螺母對角交叉緊固，增加緊固力度；

第八步，將換下的輪胎安裝在備胎架上，將所有工具放回原位。

整個過程中，主要的考核點有5 個，分別是：是否按順序完成八個步驟、止動三角木放置的位置是否正確、千斤頂放置的位置是否正確、螺母松開的順序是否正確、螺母緊固的順序是否正確。

1.2 考核系統總體設計

針對大貨車備胎更換的5 個主要的考核點，設計如圖1 所示的備胎更換考核系統的系統結構[3]。

圖1 備胎更換考核系統結構

輪胎止動三角木檢測傳感器模塊用于智能感應和記錄考核的第一步，檢測止動三角木是否放置正確。

大螺母拆裝檢測傳感器模塊用于智能檢測第二、四、六步中的擰松和擰緊輪胎大螺母的操作。

備胎螺母拆裝檢測傳感器模塊用于智能檢測第五步中的使用專業工具卸下備胎的操作。

千斤頂檢測傳感器模塊用于自動記錄第三、七步中的使用千斤頂的情況。

信息采集儀通過藍牙模塊同時連接四個傳感器模塊，將各路傳感器的信號進行綜合，并將結果通過4G 網絡實時傳送到服務器。

理論考試系統安裝在服務器上，通過PC 或者手機端可以進行訪問和考試。因理論考試部分與智能傳感器無直接關聯，這里僅對智能傳感器模塊和信息采集儀進行分析和設計。

2 智能傳感器模塊

2.1 輪胎止動三角木檢測傳感器模塊的設計

止動三角木檢測傳感器模塊主要用于檢測考生能否正確放置止動三角木。安裝止動三角木檢測傳感器模塊時，如圖2 所示，需將傳感器模塊固定在輪胎面上。考核時，當考生把止動三角木放置到正確的位置后，傳感器模塊通過檢測光強和壓力能準確判斷考生的操作是否規范。

圖2 止動三角木檢測傳感器模塊的安裝

圖3 所示為止動三角木檢測傳感器模塊的結構圖，模塊采用3D 打印一次成型。其中，兩個固定孔用于穿過兩根扎帶，纏繞輪胎一圈，使傳感器固定在輪胎面上。螺母采用GB6172 M3 薄螺母，安裝螺母的這一面貼合輪胎面。螺釘采用M3*8 內六角機米螺釘，其前端為尖狀，當擰緊螺釘時，可以讓傳感器緊緊地軋在輪胎上，進一步固定該模塊。

圖3 止動三角木檢測傳感器模塊結構

圖4 所示為止動三角木檢測傳感器模塊電路圖，因傳感器模塊的體積需要設計得很小，所以采用微型貼片式的STC15W204S 單片機，模塊采用3.3 V 微型充電電池供電，且光敏傳感器和壓敏傳感器均集成在PCB 電路板上。單片機通過串口連接藍牙模塊，通過藍牙網絡實現與信息采集儀的無線連接。

圖4 止動三角木檢測傳感器模塊電路

2.2 螺母拆裝檢測傳感器模塊的設計

圖5 所示為螺母拆裝檢測傳感器模塊結構圖。大螺母與備胎螺母僅存在尺寸上的差別，其他的結構一致。安裝螺母拆裝檢測傳感器模塊時，將其套在輪胎的螺母之上，然后用螺釘固定即可。考試時考生需要將套筒扳手套在大螺母拆裝檢測傳感器的上面，并保持幾秒鐘，然后拿開。當考生把扳手放置到傳感器上面之后，傳感器處的光線被完全擋住，通過檢測光強能判斷是否進行了擰螺絲這一步驟，通過數據綜合可以判斷擰螺絲的順序。

圖5 螺母拆裝檢測傳感器模塊結構

螺母拆裝檢測傳感器模塊的控制電路與止動三角木檢測傳感器模塊電路一樣，但是沒有用到壓敏傳感器。

當套筒扳手套在傳感器上時，光敏電阻無窮大，則單片機P1.1 口的輸入電壓接近電源電壓3.3 V。反之，當套筒扳手不在傳感器上時，光敏電阻正常接受光照，電阻值較小，P1.1 口的輸入電壓較小，接近0 V。通過信號處理，單片機可以準確地檢測到扳手的動作。

同時，此設計可以避免考生用手擋住光敏電阻的作弊行為。因手無法完全將光遮擋住，而扳手可以，通過單片機的數據處理，可以很準確地分辨出來，并激發作弊報警。

2.3 千斤頂檢測傳感器模塊的設計

圖6 所示為千斤頂檢測傳感器模塊結構圖。考試時，僅需把該傳感器模塊準確放置到大貨車橫梁之下即可，操作方便。當考生將千斤頂放置到正確的位置以后，光敏電阻的光照就會被完全擋住，其阻值無窮大；同時壓敏電阻能檢測到千斤頂的壓力，此時其電阻值較小。反之，若沒有正確放置千斤頂，光敏電阻會正常接受光照，其阻值較小；壓敏電阻沒有受到壓力，阻值無窮大。以此可以準確地檢測出放置和取出千斤頂的這一操作步驟。

圖6 千斤頂檢測傳感器模塊結構

與螺母拆裝檢測傳感器模塊一樣，此設計可以避免考生用手擋住光敏電阻的作弊行為。用手或其他方法擋住傳感器時，因所施加的壓力是不均勻的，且無法將光敏電阻的光照完全擋住。單片機通過數據處理，可以準確地分辨出來，并激發作弊報警。

千斤頂檢測傳感器模塊的控制電路與止動三角木檢測傳感器模塊電路的原理圖完全一致，但是PCB板的布局和布線有所不同。在進行光敏傳感器和壓敏傳感器的PCB 板布局時，需要考慮傳感器模塊的不同，設計最優的光線檢測和壓力傳遞。

3 信息采集儀

信號采集儀的主要功能是實時接收4 個智能傳感器模塊的信號，進行數據處理和分析以后，將結果通過4G 模塊傳送至系統服務器。

3.1 信號采集儀電路

信號采集儀的電路[4]如圖7 所示，與前述的傳感器模塊采用相同的單片機STC15W204S，該單片機可以采用3.3～ 5 V 供電，因這里無需像傳感器模塊那樣考慮模塊體積和功耗，所以使用5 V 供電。STC15W204S 具有2 個串口，分別實現與藍牙模塊和4G 模塊的通信。

圖7 信號采集儀電路

藍牙模塊采用BLE02，通過單片機的串口1 與單片機進行通信。此處的藍牙模塊作為主機，可以同時連接止動三角木檢測傳感器模塊、大螺母拆裝檢測傳感器模塊、備胎螺母拆裝檢測傳感器模塊、千斤頂檢測傳感器模塊等4 個傳感器上的藍牙模塊從機。因此，可以實時接收4 個智能傳感器模塊所采集的數據。

4G 模塊通過單片機的串口2 與單片機進行通信。該模塊用于將信號采集儀連接到公網，與系統的服務器進行數據交互。

3.2 信號采集儀的程序處理流程

信號采集儀對實時收集的傳感器的數據進行分析處理以后才能得出有效的考核結果。程序流程圖如圖8 所示。首先進行初始化，包括對藍牙和4G 模塊連接的初始化，以及對各個數據寄存器的初始化等。然后依次完成：實時接收4 個傳感器模塊的信號、處理作弊、評判放置輪胎止動三角木的動作、評判使用千斤頂的動作、評判拆卸大螺母動作和順序、評判拆備胎螺母動作和順序、評判安裝大螺母動作和順序、評判八個考核步驟的順序、評判備胎和工具歸位情況等，最后將實時數據傳送到服務器。完成一輪數據處理和傳送后，將重新開始新一輪的實時接收傳感器信號和數據處理、發送的過程。

圖8 信號采集儀的程序流程

4 應用實例

我國每年新增大量道路貨運從業人員，以南寧市為例，每個月均需要安排1-2 次集中考試，每次約300 人。考生數量較大，傳統人工監考的監考效率低下，且存在公平公正性不足等問題。

自從該系統試投入備胎更換考試以來，已經累計服役了16 場共計1620 人次的考核，取得了較好的成效。在無人看守的情況下，累計僅有8 人次出現了檢測失誤，需要通過調用現場監控進行人工打分，其余考生的考試均正常，成功率為99.5%。通過該系統，自動觸發并成功抓獲作弊5 人次。該系統能永久保存現場考試的原始數據，可以有效用于復核考生成績。

5 結語

在實際考場上的應用，驗證了本系統的準確性、穩定性和過程數據的可追溯性。目前市場上尚無應用于備胎更換考核系統的專用智能設備，基于智能傳感器的備胎更換考核系統填補了這一空白。

在保證考核評判準確可靠的基礎上，如果采用更加成熟的制造工藝和技術，能進一步提升本套系統設備運行的穩定性。基于智能傳感器的備胎更換考核系統采用模塊化的智能傳感器，易于擴展和維護。若進一步推廣應用這套系統，可以產生較大的經濟價值。