摘要∶针对目前货车载荷监测主要依靠固定式称重的现状，设计了一种基于物联网技术的货车载荷实时监测系统；系统以嵌入式系统和多传感器融合算法为核心，由信号采集，信号处理与传输，云服务器等单元组成；采用主控
芯片STM32F105RCT6 和电阻式应变片传感器，实现数据采集与数据处理；处理后的信息通过
无线通信模块发送至云端，云端服务器利用神经网络技术对所得到的数据进行拟合处理，实现了用户在远程情况下对货车的载重量进行实时的监测与管控；实验测试证明，本系统能够准确、高效地采集到货车载荷量，并且所测货车载荷量的精度在2.75%以内，无线传输效果稳定，并能将载荷数据实时上传至云平台，反馈于用户；本系统综合运用了
智能传感器、物联网和云计算等技术，具有实时强、精度高、装配便捷等特点。
0 引言
目前，公路的超载检测装置大多设置在监测站，通过人为引导进入监测站或者收费站的指定位置，利用固定的分离式地磅。或者是无人值守20的称重方式对车辆进行载荷检测。这种检测方式局限于公路的指定地点，无法做到对车辆载荷的实时监控；检测时间长，需要车辆到达指定位置并等待载荷结果，对流量较大的公路而言十分不方便；占地空间大，需要将指定区域改造成地磅式的称重装置，额外占用公路空间；同时现有装置安装费时费力，检测成本高昂。
国内外已有许多学者针对车辆载重问题进行设计与研究。文献 【4】 首次提出了一种测量车辆载荷的方法，该方法利用位移传感器测量车架与车桥间的相对位移以此来测量出车辆的载荷情况，采用线性拟合的方式对载重情况进行预测，文章假定的传感器是理想线性的，这使得其在运动中测量载重具有局限性。文献 【5】 提出一种基于车辆后桥与马槽之间的位移变化来测量车辆载荷的方法，通过测量车辆后桥与马槽的变化，测量出车辆载荷信息，文中模型称重精度只有2%左右，允许偏载20%，只能供使用单位内部计量。文献【6】提到一种基于钢板弹簧与轴载之间的变化量来测量车辆载荷数据的方法，结合数据通过BP神经网络来训练网络模型，利用网络模型预测车辆载荷数据。
文献 【7】 提出了基于
电容传感器的车载动态称重系统的设计，利用电容传感器来替换位移传感器实现对载重的测量。文献 【6-7】 仍是基于钢架弹簧的位移量对车辆载重进行测量，这种测量方式在车辆运行中易受到运动加速度的影响，使得载重值会起伏，无法确定实时的车辆载重精确情况。文献【8】提出一种基于压电薄膜的车辆称重算法，虽然测量精度得到了较大的提升，但是系统设计与算法处理较为复杂，且并不利于实际场景下的普及使用。
纵观国内外研究现状，虽然已经涌现出丰富的测量系统及检测算法，但是这些系统都存在着测量精度不能满足当前车载称重系统的发展需求，且实际应用场景有限的问题。同时随着第五代移动通信技术（The 5th Generation Mobile Communication Technology，5G）兴起，给物联网带来新的机遇与挑战，需要所研发的系统不仅仅是一个单体应用架构，可能涉及到若干个功能模块的组合，往往是硬件系统与软件后台系统并存的、更加智能化、人性化的系统。
因此，本文设计出了一款精度更高、安装简便、基于多传感器信息融合的货车载荷实时监测系统。通过多传感器对车辆的载荷和运行数据进行采集，利用无线通信技术和云端服务器将数据集中处理，并设计了一套前后端体系，能进行测量数据的大规模存储，和车辆的载荷情况进行实时监控输出。有着硬件设备安装便捷，测量结果准确度高，实时性突出等特点。
1、系统方案
基于物联网技术的货车载荷实时监测系统主要分为硬件电路和软件算法两部分，其中硬件电路主要包括数据采集端、信号滤波、放大电路、A/D转换、控制器、数据显示、无线通信以及辅助电路等部分，软件算法主要包括下位机滤波算法和上位机拟合算法。下位机滤波算法处理采集到的载荷信息，减小干扰，提高准确度；上位机拟合算法整合载荷信息为真实载重物重量。系统总体实现框图如图1所示。系统采用的电阻式应变片传感器为BHF高精密级导体应变片；信号放大电路采用INA333芯片；滤波处理采用无源低通滤波器，降低高频信号的干扰；A/D转换模块以ADS1100为转换芯片，系统以STM32F105RCT6为MCU，与A/D转换模块通过I2C进行通信；MCU与无线通信模块通过串口进行通信，并通过串口发送“AT”指令与云服务器进行交互实现数据传输；
图1中，电阻式应变片传感器安装于货车底部横桥承重点处，每辆货车每个车轴对称安装两个电阻式应变片传感器，用于采集货车载重引起的横桥形变信号；所采集到的十分微小的信号通过信号放大电路进行放大，并进行滤波处理，以降低高频信号的干扰；放大处理后的信号经过A/D转换由模拟量转化为数字量，进入MCU进行数据运算和处理；MCU处理的信号通过显示单元进行显示，并且通过无线通信模块发往云服务器；云服务器端采用神经网络方式处理由无线通信模块发来的载重信号，最终拟合出真实载重量并显示。2 硬件
电路设计
数据采集是
硬件设计的核心，本设计为基于多传感器信息融合的车载称重测量，研究对象为车轴形变量与货车载重之间的关系。对于多轴运输车而言，其主要承重组件由车架、车轴、车悬架、车轮等部分组成车体通过车悬架系统连接于车轴，重物装载于车体上时，压力会通过悬架作用于车轴上，致使车轴产生形变量，随着装载量逐渐增加，形变量也会逐渐增大，为了提高车载称重系统测量数据的准确度，首先应该从采集到的形变量进行分析，故准确获取车辆运动过程中真实载荷引起的形变信息最为关键。而在车辆运动的过程中，货车会受到外界多种因素的影响，造成测量数据出现较大偏差，那么就需要消除或减小干扰因素对测量结果的影响。本系统通过设计数据采集模块，信号预处理模块，
微控制器模块，串口调试模块，电源电路模块获取车辆载荷信息；设计无线通信模块发送载荷信息和位置信息于云服务器端进行进一步处理。2.1 数据采集模块
传感器的选型对于提高测量结果精确度起着关键作用，本设计采用电阻式应变片传感器对车轴形变信号进行采集。本文中采用的是BHF高精密级金属导体应变片，这种应变片具有高精度、全密封、温度自补偿、使用寿命长等特点。同时又由于电阻式应变片粘贴于车轴之上，车轴的微小形变量会造成应变片电阻变化量也很微弱，为了将电阻式应变式传感器的电阻变化准确地测量出来，在实际的应用中一般选择电桥电路测量其电阻变化，并且以电压信号的形式输出，也便于测试人员进行测试。电桥电路不仅结构简单稳定，还具有以下优点∶灵敏度高、测量范围宽、线性度好，且易实现温度补偿等。能较好地适应于各种真实环境，同时也能满足各种测量要求，基于上述特点电桥电路在本系统中得到应用。
电桥电路按其结构连接方式可以分为3种类型∶单臂电路、双臂电路以及全桥电路。单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出电压是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥结构的输出电压是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了能够得到较大的输出电压信号，在本文中采用全桥电路结构。基本电路如图2所示。
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发表于 2022-7-28 11:36
