基于WIFI的无线便携式汽车轴重称重系统设计与实现

杨伦，余康，徐瑞利

（中航电测仪器股份有限公司，陕西 西安 710119）

前言

对汽车重心位置的计算与检测，为设计人员合理分配汽车轴重和轮重提供有效数据，帮助改善汽车的运行稳定性，并且车辆最终定型前也需要通过重心检测试验[1]。本系统的研究对提高公路交通运输安全和公路使用寿命都具有重大意义。

传统的便携式汽车轴重称重系统，主要由称重板、仪表箱和互联电缆等组成，各称重板与仪表箱之间采用电缆连接，传送重量电压信号。首先由于传送信号为模拟信号，信号幅值也很小，极易受到环境干扰，而且信号在长线传输时会产生衰减，再就是实际使用过程中，互联电缆也极易受到损伤，给使用者带来很大不便，最后称重板与仪表箱之间须有固定的连接对应关系，不能随意调换。这些传统系统的缺陷，致使便携式轴重称重系统的使用难以推广和普及。

针对上述问题，本系统的传感器（即称重台板）直接集成了信号处理功能，每个传感器即为一个独立的秤台，并采用了无线信号传输技术，取消了互连电缆，布放时没有位置顺序的限制，称重台板信号直接传送至电脑显示终端。

图1 传统便携式汽车轴重称重

1 系统总体方案

系统主要由称重台板和电脑终端（含管理软件）两大部分组成，其中称重台板由板式称重传感器、数据采集处理电路和无线信号传输装置三部分集成为一体。

系统采用“车轮-秤台”承载映射机理，即秤台与车辆轮胎相对应，车辆总载荷分配在各秤台上，各秤台独立显示承载重量，每个测试结果通过无线收发装置发送至电脑终端，对各秤台显示的重量信号进行采集与管理，可以对车辆的称重数据进行存储、报表、打印等操作。

传感器选用L15B型板式称重传感器，横向一致性好、测量精度高，信号由数据采集电路转换处理，最终得到精确的重量数据，通过无线传输装置送达电脑终端，无线传输装置选用深圳海凌科的Wi-Fi模块产品，功率大，能够有效绕过障碍物，实现50m的传输距离。数据采集电路和无线传输装置直接嵌入传感器内，形成一体化的重量感应、采集处理、显示及传输的称重台板，充分体现系统便携的特点。

便携式汽车轴重称重系统含多只称重台板，对于不同车型、不同轴型、不同轴距/轮距车辆的轴重及轮重，通过简单的组合即可实现。

系统结构示意图：

图2 系统结构示意图

2 传感器选用

L15B型板式称重传感器具有如下的特点：

1）整体平板式设计，动态响应频率高；

2）采用航空用特殊材料，过载能力强；

3）采用了特殊的防护处理，防护等级高；

4）重量轻，易于携带；

5）装配橡胶提手，可移动布放；

6）配套专用引桥，便于车辆上下称重台板。

图3 板式称重传感器（称重台板）

因此，在公路运输车辆的移动称重和载荷监测方面，板式称重传感器应用广泛，对于飞机重量及重心的检测，以及特别场合的重量检测方面也能适用。

3 无线通讯技术选择

基于使用者便携式应用的要求，系统的外设应尽量精简，因此系统设计时在无线通讯技术选择上，就从电脑可选配的蓝牙模块与Wi-Fi模块之间进行了选择，而不考虑433MHz工业无线电等技术，实现最为便捷的数据传输方式。

嵌入式UART-WIFI模块HLK-WIFI-M03是海凌科电子设计基于串行接口的符合Wi-Fi无线网络标准的产品，内置无线网络协议IEEE 802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到Wi-Fi网络之间的转换。

WI-FI无线网络包括两种类型的拓扑形式：基础网和自组网。本系统中，采用WI-FI的基础网类型，运用无线网络加密方式，对传输的数据进行保护。同时WI-FI模块自动扫描，以快速组网与保持在线，提高系统的响应速度。

通过HLK-WIFI-M03模块，称重台板的数据可以轻松接入无线网络，进行组网。

4 硬件电路及软件程序设计实现

系统硬件电路包含数据采集电路和无线数据传输装置两部分，数据采集电路负责采集板式称重传感器的模拟电压信号，经采集转换处理后得到重量数据，然后由无线数据传输装置将重量数据发送至电脑终端。

数据采集电路主要由电源电路、A/D转换电路、主控制器、按键电路、通讯电路和显示电路等组成，电路结构设计框图见图4。各电路部分的功能如下：

1）电源电路给所有功能电路提供工作电压；

2）A/D转换电路采集称重传感器的模拟电压信号；

3）主控制器是数据采集电路的核心枢纽；

4）按键电路实现清零、标定等用户操作的录入；

5）通讯电路为主控制器与无线数据传输装置的接口；

6）显示电路对采集处理后的重量示值等进行指示。

图4 数据采集电路方案框图

软件程序完成数据采集电路部分A/D转换数据的读取、滤波和标定处理，当有按键操作时识别键值并执行相应的命令，最后将重量数据发送给显示电路进行实时显示，软件流程图见图5。

图5 下位机软件流程图

系统下位机软件的关键部分就是数据滤波和转换处理，从A/D转换器读到的码值一般会有几十上百个数值的跳变，这种情况必须采用数字滤波算法对数据进行处理。本系统采用了中位值滤波和算术平均滤波的组合算法，即中位值平均滤波算法，连续采样12个A/D转换码，排序后找出其中的最大值和最小值并舍弃，把剩余的 10个数值求和再取平均值，即得到一个稳定的数值。中位值平均滤波算法的优点是可以消除偶然出现的脉冲干扰，缺点是测量速度较慢，而且比较占用缓存。

经过实际测试，中位值平均滤波算法可以满足本系统静态测量的应用需求，实现高精度的静态测量。

5 管理软件设计实现

系统管理软件采用Visual Basic 6.0软件编制完成，主要有轮重/轴重/总重显示、数据存储、打印等功能，其中数据存储使用了Microsoft Office自带的Access数据库，对于本管理软件而言，其功能足以支持本课题所需应用。

管理软件流程与称重界面见图6。

图6 管理软件流程图与称重界面

6 系统测试

在连接完成整套系统后，将安装管理软件的电脑放置距被测试传感器约10m远处，用标准力机对被测试传感器进行了测试，包括非线性、重复性和偏载测试，测试结果见表1。

图7 称重测试

表1 静态精度测试结果

通过上述测试结果，分析可知，基于 WIFI的无线便携式汽车轴重称重系统在无线通讯连接的情况下，称重信息传输准确，响应速度快，系统的综合精度达到≤0.2%FS。

7 结语

根据用户的应用需求，选用了基于Wi-Fi无线通讯技术，并结合了高精度数据采集技术的方案，设计实现了基于Wi-Fi技术的便携式汽车轴重称重系统。

本系统未采用传统的电缆线连接方式，而是基于 WIFI技术原理下，将称重仪表集成在称重板内，实现了真正意义上的便携式无线称重方式。系统的单元模块简单，称重信息传输准确、系统响应速度快，综合精度高。

经用户实际应用测试，系统各项功能及性能达到预期要求，运行稳定可靠，满足工程应用需求。