专利名称：机动车载荷安全监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及安全监测技术，特别涉及一种机动车载荷安全监测系统。
背景技术：
据统计，超载是机动车发生道路交通车祸的主要因素。由于车体在超过机动车自身载荷时，很难准确控制其行驶路线，行驶的可靠性低，从而为道路交通事故埋下隐患；进一步地，机动车在转弯时，车体受力会不平衡，当这种不平衡超过一定阈值时，车体将会发生侧翻；而且，机动车的超载将对道路及桥梁造成严重的破坏。目前，对于机动车的超载，主要采用静态的地磅检测法，即称量机动车的总重量，减去该机动车自身的重量，得到该机动车的载荷，如果得到的载荷超出该机动车的额定载 荷，则确定该机动车超载。但该方法设置的地磅成本较高、且受安置地理位置的影响，机动车需要行驶到设置有地磅的位置才能进行检测，因而，在机动车初始加载载荷时，不能确定加载的载荷是否超载，以及，在行驶至设置有地磅的位置之前，可能导致道路交通车祸的发生。目前还没有一种有效的方法对机动车在初始加载载荷以及行驶过程中引起的超载进行实时动态监测。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提出一种机动车载荷安全监测系统，降低检测超载的成本、提高机动车行驶的可靠性。为达到上述目的，本实用新型提供了一种机动车载荷安全监测系统，该系统包括传感器以及载荷信息处理平台，传感器通过无线网络或有线方式连接至载荷信息处理平台，其中，传感器，安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处，感知模拟信息，输出数字信息至载荷信息处理平台；载荷信息处理平台，安装在机动车的驾驶室内，接收传感器输出的数字信息，输出
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口吕 I I=I Λ !、ο进一步包括通过无线网络与载荷信息处理平台相连的远程监控中心。所述安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处的传感器为多个，分别位于在车体承载轮轴与减振钢板的连接处的车体中心位置，以及，在车体承载轮轴与减振钢板的连接处与车体中心对称的两侧位置。所述传感器为力传感器或应变传感器。所述传感器包括敏感元件单元、数据处理单元、通讯单元以及电源单元，其中，敏感元件单元与数据处理单元相连,数据处理单元与通讯单元相连，电源单元分别与敏感元件单元、数据处理单元以及通讯单元相连。所述传感器进一步包括数字信号处理器，通过集成电路接口电路或通用异步收发器接口与电源单元相连。所述载荷信息处理平台包括界面显示单元、第一通讯单元、数据处理单元以及电源单元，其中，界面显示单元与数据处理单元相连，数据处理单元与第一通讯单元相连，电源单元分别与界面显示单元、第一通讯单元以及数据处理单元相连。所述载荷信息处理平台进一步包括与数据处理单元以及电源单元相连的GPS定位单元。所述载荷信息处理平台进一步包括与数据处理单元以及电源单元相连的第二通讯单元。由上述的技术方案可见，本实用新型提供的一种机动车载荷安全监测系统，该系统包括传感器以及载荷信息处理平台，传感器通过无线网络或有线方式连接至载荷信息处理平台，其中，传感器，安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处，感知模拟信息，输出数 字信息至载荷信息处理平台；载荷信息处理平台，安装在机动车的驾驶室内，接收传感器输出的数字信息，输出告警信息。这样，利用常见的传感器进行载荷安全监测，成本低，可以有效降低检测超载的成本；进一步地，传感器安装不受地理位置的影响，安装方便，能够实时获取机动车的载荷信息，并在超载时，输出告警，便于及时采取措施，可以有效预防机动车超载，从而避免了超载对道路的破坏，提高了机动车行驶的可靠性。
图I为本实用新型实施例机动车载荷安全监测系统结构示意图。图2为本实用新型实施例传感器在机动车上的安装结构示意图。图3为本实用新型实施例传感器的结构示意图。图4为本实用新型实施例的载荷信息处理平台结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步地详细描述。现有通过地磅检测机动车超载的方法，设置的地磅成本较高、且受地理位置的影响，不能满足实时监测机动车的需求。基于物联网技术的无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)是以大量静止或移动的传感器通过自组织方式构成的无线网络，传感器用于感知、采集、处理无线传感器网络监测区域内监测对象的信息，并通过无线网络发送给用户或远程监控中心，以便用户或远程监控中心根据接收的数据信息进行统计、分析，从而获知监测对象的运行状态信息以实现监控。由于传感器可以实时传送采集的数据，并具有构建快速、部署方便的特点，且不易受到监测环境的限制，因此，在环境监测、城市交通管理、医疗监护、仓储管理、汽车电子等领域有较好的应用。本实用新型实施例中，考虑将无线传感器网络技术应用于机动车载荷安全监测，在车体承载轮轴与减振钢板的连接处，安装传感器，用于实时采集车体载荷信息以进行机动车安全状态的监控，将采集的载荷信息无线发送至载荷信息处理平台，载荷信息处理平台将接收到的车体各测点的载荷信息进行数据处理，通过车体判别算法，判断机动车是否超载、车体是否失衡以及各测点是否超值，如果出现异常，发出报警信息，这样，可以有效预防机动车超载、失衡等引发的事故以及超载对道路的破坏。图I为本实用新型实施例机动车载荷安全监测系统结构示意图。参见图1，该系统包括传感器以及载荷信息处理平台，传感器通过无线网络或有线方式连接至载荷信息处理平台，其中，传感器，安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处，在预先设置的采集周期内，感知车体载荷，将感知到的模拟信息进行放大、滤波、数字转换后，输出数字 信息至载荷信息处理平台；本实用新型实施例中，传感器相对地磅来说，成本低，安装方便，可以有效降低检测超载的成本。传感器可以是力传感器，也可以是应变传感器等。较佳地，安装在连接处的传感器可以为多个，每一传感器对应一个测点，分别位于在车体承载轮轴与减振钢板的连接处的车体中心位置，用以感知车体中心载荷，以及，在车体承载轮轴与减振钢板的连接处与车体中心对称的两侧位置，用以感知机动车在转弯处车体两侧的载荷，每一传感器分别通过无线网络或有线方式连接至载荷信息处理平台。传感器可以直接通过在测点布置应变片的方式进行检测，也可以是通过安装其内部集成应变片桥路的方式进行检测。载荷信息处理平台，接收传感器输出的数字信息，进行数据处理，获取机动车载荷，在确定机动车载荷超过预先设置的载荷阈值后，触发告警。本实用新型实施例中，载荷信息处理平台可以安装在机动车的驾驶室内。如前所述，如果安装在连接处的传感器为多个，则载荷信息处理平台进一步为安装的传感器设置传感器标识，并输出至传感器，建立传感器标识与传感器安装位置的映射关系，并针对每一位置的传感器，分别设置该位置对应的载荷阈值。触发告警可以是生成告警信息，将该告警信息以及告警信息对应的传感器安装位置信息在载荷信息处理平台的显示面板上进行显示，以便机动车驾驶员获知超载信息，从而实时采取相应措施避免超载，也可以是将生成的该告警信息以及告警信息对应的传感器安装位置信息通过无线网络发送至预先设置的远程监控中心，以便远程监控中心记录相关超载信息，并对该机动车进行监控以及采取相应处理措施。进一步地，载荷信息处理平台预先存储有该机动车的车牌号信息，在向远程监控中心输出告警信息时，携带该机动车的车牌号信息。实际应用中，载荷信息处理平台还用于获取该机动车的全球定位系统(GPS，Global Position System Receiver)信息,在向远程监控中心输出告警信息时,携带该GPS信息。该系统进一步包括远程监控中心，通过无线网络与载荷信息处理平台相连，用于接收载荷信息处理平台通过无线方式发送的报警信息、地理位置及车牌号，进行存储并分析。图2为本实用新型实施例传感器在机动车上的安装结构示意图。参见图2，在机动车的车体底盘下面，是承受车体载荷的减振钢板，减振钢板设置在车体承载轮轴上，车体承载轮轴由轴承支撑，轴承安装在车轮中心，传感器则安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处。图3为本实用新型实施例传感器的结构示意图。参见图3，该传感器包括敏感元件单元、数据处理单元、通讯单元以及电源单元,其中，敏感元件单元与数据处理单元相连，数据处理单元与通讯单元相连，电源单元分别与敏感元件单元、数据处理单元以及通讯单元相连。敏感元件单元，用于感知车体载荷，将感知的模拟信息输出至数据处理单元；本实用新型实施例中，敏感元件单元能够灵敏地感知被测变量(车体载荷)并做出响应。数据处理单元，用于接收敏感元件单元输出的模拟信息，进行放大及滤波以及数字转换处理后输出至通讯单元；本实用新型实施例中，数据处理单元主要是将敏感元件单元测得的数字信息(载 荷信息)进行采集处理，例如，放大、滤波、数字转换处理，并将处理得到的数字信息通过通讯单元发送到载荷信息处理平台。通讯单元，用于将数据处理单元输出的数字信息进行发送；本实用新型实施例中，通讯单元采用802. 15. 4协议进行数据的无线传输。实际应用中，传感器不需要一直处于工作状态，感应并采集模拟信息，为了降低传感器的功耗，较佳地，通讯单元进一步地用于接收载荷信息处理平台输出的采集指令，输出至敏感元件单元；本实用新型实施例中，通讯单元接收载荷信息处理平台下发的采集指令，例如，开始采集指令、停止采集指令、采样率设置指令、传感器组号指令以及信道号指令，输出至敏感元件单元，以便于敏感元件单元根据采集指令进行相应操作。 敏感元件单元，根据采集指令进入工作状态，感知车体载荷，在采集完毕后，将自身置于休眠状态。其中，通讯单元包括功率放大器以及射频天线(图中未示出)。本实用新型实施例中，功率放大器用于解决远距离传输问题，包括发送通道上的射频功率放大器，例如，HFA3925以及接收通道上的低噪声放大器，例如，HFA3424。其中，射频功率放大器HFA3925用于实现2. 4GHz发射信号功率放大功能,放大增益最大可达28dB，输出功率最大可达250mW ;低噪声放大器HFA3424用于实现2. 4GHz接收信号低噪声放大功能，放大增益可达14dB。本实用新型实施例中，可以使用将数据处理单元和通讯单元集成在一起的系统芯片，例如，CC2430实现数据处理及传输功能，系统芯片CC2430包括一个高性能2. 4GHz的直接序列扩频(DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)射频收发器和一颗工业级小巧高效的8051控制器。这样，能够提高处理性能并满足以ZigBee为基础的2. 4GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。CC2430的设计结合了 8Kbyte的RAM及强大的外围模块，尺寸只有7 X 7mm 48-pin的封装，采用具有内嵌闪存的O. 18µm CMOS标准技术,可实现数字基带处理器、射频(RF)、模拟电路及系统存储器，并将这些功能整合在同一个硅晶片上。针对协议栈、网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含增强型工业标准的8位8051控制器，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。在CC2430中，集成了一个增强的数据保密协议(AES, Advanced Encryption Standard)协处理器，以支持 IEEE802. 15. 4MAC 安全所需的(128位关键字)AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。电源单元，用于为敏感元件单元、数据处理单元以及通讯单元提供工作电压。本实用新型实施例中，电源单元可以为电池，用于实现对系统中有源器件的供电，同时还可以对电池进行充放电管理。较佳地，电源单元可以对系统的敏感元件单元、数据处理单元以及通讯单元分别采用独立的电源管理，在其空闲时使其进入休眠状态或关闭其电源，从而使系统总功耗大大降低。 进一步地，该传感器还包括数字信号处理器(图中未示出)，通过集成电路接口电路(IIC, Integrated Circuit Interface Circuit)或通用异步收发器(UART, UniversalAsynchronous Receiver Transmitter)接口与电源单元相连,实现对电源单元的电压、电流和温度情况的实时监控，防止电源过充和欠电现象的发生，在电源单元电压低于预先设置的电压阈值时，通知载荷信息处理平台及时更换电池并为电池充电。图4为本实用新型实施例的载荷信息处理平台结构示意图。参见图4，该载荷信息处理平台包括界面显示单元、GPS定位单元、第一通讯单元、第二通讯单元、数据处理单元以及电源单元，其中，界面显示单元与数据处理单元相连，数据处理单元分别与第一通讯单元、GPS定位单元以及第二通讯单元相连，电源单元分别与界面显示单元、GPS定位单元、第一通讯单元、第二通讯单元以及数据处理单元相连。界面显示单元，用于显示传感器在机动车上的安装位置信息，显示数据处理单元输出的告警信息以及告警信息对应的传感器安装位置信息；本实用新型实施例中，界面显示单元还用于设置采集命令，是载荷信息处理平台上显示开关键、测点布置图、测点数据、测点声光报警、阈值设置、相关监测命令设置的显示面板。GPS定位单元，用于获取机动车的GPS信息，输出至数据处理单元；本实用新型实施例中，GPS可实现全球范围内的实时导航和定位，GPS由太空卫星、地面控制系统、用户设备三个部分组成。GPS的基本定位原理是每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集至少4颗卫星的数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。由于GPS具有全球覆盖以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点，近年来在国内外得到了广泛的应用，在各个领域发挥了极大的作用，已成为了信息时代不可以或缺的一部分。本实用新型实施例中，使用GSU-38A0GPS模块。其特点是体积小、接口简单、可靠性强，可用于DSP、ARM、单片机系统。通过将输入电压5V输入固定电源输出芯片LT1085，输出3. 3V电压给GSU-38A0GPS模块芯片。GSU-38A0GPS模块具有12个数据并行接收通道，包括了 8个数据位、I个起始位、I个停止位、无校正位，输出电平为CMOS电平、电流为1mA。通信方式采用异步串行通信，默认的通讯速率是4800baud，接收频率为1575. 42±1. OMHz, LI波段C/A码。GSU-38A0GPS模块可以提供经度、纬度、速度、高度、世界协调时间、频率和GPS卫星轨道信息等。它的最大特点是低压3. 3V供电；工作电流不高于50mA (不含天线消耗)；高灵敏度_145dBm ;可以输出时间的最小单位为O. 01秒。该GSU-38A0GPS模块有8M的flash存储器，信息格式可以是NMEA-0183或Binary,米用美国信息交换标准码(ASCII, American Standard Code for InformationInterchange)代码，附带的天线中心频率为1575. 42MHz,右螺旋偏振，增益大于或等于_5dB，轴线比为3dB。第一通讯单元，用于接收传感器通讯单元输出的数字信息，输出至数据处理单元; 第二通讯单元，用于将数据处理单元输出的信息发送到远程监控中心；本实用新型实施例中，第二通讯单元是将载荷信息处理平台中相关数据通过通用无线分组业务(GPRS, General Packet Radio Service)网络发送到远程监控中心。GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接，具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、自如切换的优点。目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9. 6K字节，GPRS手机传输速度可以达到115Kbps。GPRS以分组交换的方式进行数据传输，由于是分组交换，因此在网络资源的利用率上较电路交换有了很大的提高，而且GPRS可以同时进行语音与数据的传递，并且计费可以完全按照产生的流量来统计。数据处理单元，用于接收传感器输出的数字信息，进行数据处理，获取机动车载荷，在确定机动车载荷超过预先设置的载荷阈值后，向界面显示单元输出告警信息以及告警信息对应的传感器安装位置信息；接收GPS定位单元输出的GPS信息，携带在告警信息中，向第二通讯单元输出；本实用新型实施例中，数据处理单元还可以在向远程监控中心输出告警信息时，携带该机动车的车牌号信息。较佳地，数据处理单元采用Atmel公司的AT89S52，获取GPS定位单元及第一通讯单元的数据，根据发送数字信息的传感器性能参数，对数字信息进行数据处理，将数字信息换算为对应的车体载荷信息，并通过预先设置的内部车体判别算法，将处理结果通过面板显示单元显示，并通过第二通讯单元发送到远程监控中心。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。另外，AT89S52可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。下面对车体判别算法进行说明。车体判别算法主要是将各测点数据进行处理，判断出(I)超出载荷阈值的测点；(2)车体超载；[0086](3)车体失衡，左偏或右偏；算法描述如下设总共有4个测点A、B、C、D，采集周期为t。传感器测出各测点数据(模拟载荷信息)Al, A2,…，An ;B1，B2，...，Bn;Cl，C2，…，Cn ;D1，D2，…，Drun 为自然数。根据监测的机动车车型，获取各测点的载荷阈值，其中，各测点的载荷阈值可以根据机动车车型、车体额定载荷以及测点位置，通过有限元方法、实际实验测试或机动车设计公司得到，设测点A、B、C、D的载荷阈值分别为Fa、Fb、Fe、Fd 如果An彡Fa或Bn彡Fb或Cn彡Fe或Dn彡Fd,则发出报警信息。当然，实际应用中，也可以在采集周期t内计算各测点数据平均值I、]、
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C、D, Α-^Τ·_如果]> Jj >叩或P > Fe或万> FcL则发出报警信息。还可以根据机动车车型，计算出车体平均载荷阈值F :在采集周期t内，根据各测点平均值计算出车体载荷总平均值V如果I > F，则发出报警信息。载荷信息处理平台显示各测点载荷值，并进一步对超出载荷阈值的测点进行声光报警，即触发告警为发送声光报警。电源单元，用于为界面显示单元、GPS定位单元、第一通讯单元、第二通讯单元以及数据处理单元提供工作所需的电压。上述示例中，GPS定位单元以及第二通讯单元并不是实现本实用新型必需的单元。下面对本实用新型实施例机动车载荷安全监测系统的工作流程进行说明。步骤501，安装在车体承载轮轴与减振钢板连接处的传感器感知车体载荷，在预先设置的采集周期内，将感知到的模拟信息进行放大、滤波、数字转换后，通过无线方式输出数字信息至载荷信息处理平台；本步骤中，安装在车体承载轮轴与减振钢板连接处的传感器包括安装在车体承载轮轴与减振钢板连接处车体中心位置的传感器，以及，安装在车体承载轮轴与减振钢板连接处与车体中心对称的两侧位置的传感器。较佳地，传感器在将感知到的模拟信息进行输出时，处理得到的数字信息中携带有预先设置的传感器标识。进一步地，传感器在预先设置的采集周期时间到时，将自身置于休眠状态，监测来自载荷信息处理平台的采集命令，在接收到采集命令后，进入采集状态。步骤502，载荷信息处理平台接收传感器输出的数字信息，进行数据处理，获取机动车载荷，在确定机动车载荷超过预先设置的载荷阈值后，触发告警。本步骤中，所述载荷信息处理平台安装在机动车的驾驶室内。进一步地，载荷信息处理平台预先建立传感器标识与传感器安装位置的映射关系，并针对每一安装位置的传感器，分别设置该安装位置对应的载荷阈值，则进行数据处理，获取机动车载荷，在确定机动车载荷超过预先设置的载荷阈值后包括[0111]接收各传感器在采集周期内输出的数字信息；根据传感器性能参数确定该传感器数字信息对应的载荷，作为机动车载荷；本步骤中，数字信息量与机动车载荷的大小成正比，根据传感器性能参数，例如，放大倍数，确定该传感器数字信息对应的载荷，具体可参见相关技术文献，在此不再赘述。实际应用中，机动车载荷包括测点单次载荷、测点平均载荷以及综合平均载荷。每一传感器对应一个测点，设测点编号为A的测点感知的模拟信息为Ai,其中，i为自然数，则测点单次载荷SAi ；测点平均载荷Z的计算公式为
权利要求1.一种机动车载荷安全监测系统，其特征在于，该系统包括传感器以及载荷信息处理平台，传感器通过无线网络或有线方式连接至载荷信息处理平台，其中， 传感器，安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处，感知模拟信息，输出数字信息至载荷 目息处理平台； 载荷信息处理平台，安装在机动车的驾驶室内，接收传感器输出的数字信息，输出告警信息。
2.如权利要求I所述的系统，其特征在于，进一步包括通过无线网络与载荷信息处理平台相连的远程监控中心。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处的传感器为多个，分别位于在车体承载轮轴与减振钢板的连接处的车体中心位置，以及，在车体承载轮轴与减振钢板的连接处与车体中心对称的两侧位置。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传感器为力传感器或应变传感器。
5.如权利要求I至4任一项所述的系统，其特征在于，所述传感器包括敏感元件单元、数据处理单元、通讯单元以及电源单元，其中， 敏感元件单元与数据处理单元相连，数据处理单元与通讯单元相连，电源单元分别与敏感元件单元、数据处理单元以及通讯单元相连。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述传感器进一步包括 数字信号处理器，通过集成电路接口电路或通用异步收发器接口与电源单元相连。
7.如权利要求I至4任一项所述的系统，其特征在于，所述载荷信息处理平台包括界面显示单元、第一通讯单元、数据处理单元以及电源单元，其中，界面显示单元与数据处理单元相连，数据处理单元与第一通讯单元相连，电源单元分别与界面显示单元、第一通讯单元以及数据处理单元相连。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述载荷信息处理平台进一步包括与数据处理单元以及电源单元相连的GPS定位单元。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述载荷信息处理平台进一步包括与数据处理单元以及电源单元相连的第二通讯单元。
专利摘要本实用新型公开了一种机动车载荷安全监测系统。该系统包括传感器以及载荷信息处理平台，传感器通过无线网络或有线方式连接至载荷信息处理平台，其中，传感器，安装在车体承载轮轴与减振钢板的连接处，感知模拟信息，输出数字信息至载荷信息处理平台；载荷信息处理平台，安装在机动车的驾驶室内，接收传感器输出的数字信息，输出告警信息。应用本实用新型，可以降低检测超载的成本、提高机动车行驶的可靠性。
文档编号G05B19/418GK202533786SQ20122000522
公开日2012年11月14日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者沈唯真, 罗银生, 陈得民 申请人:北京必创科技有限公司