智能传感器在大货车备胎更换考核系统中的应用

周文军

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530008）

0 引言

驾驶员若需从事道路经营性普通货物运输，须经过一家符合国家规定资质的道路运输驾驶员培训机构进行相应培训，并经过考核合格后，持结业证书和本人驾驶证，才能到交通运输管理部门申领道路货运从业资格证件[1]。目前，我国道路货运从业人员超过1700 万人，约占道路运输从业人员总数的60%。对这么庞大的从业人员的考核是一项重要的系统性的工作，使用传统方法的人工考核效率低，难以保障考核的公正性，且存在考试过程数据不可追溯的大缺陷。

更换大货车备胎是道路货运从业人员的一项最基本的技能。智能传感器技术广泛应用于医疗保健、汽车、环境、农业和能源等领域[2]。本研究基于智能传感器研发一套能够规范有序的自动考核从业人员更换大货车备胎的操作全过程，精确记录、判断考生更换备胎的真实能力的智能传感器系统，可以大大提高考核效率和考核的公正性。

1 备胎更换考核系统总体架构

1.1 备胎更换主要考核步骤和要点

大货车的备胎更换需要严格按照规定的步骤进行，其主要步骤如下：

第一步，在需要更换的后轮的同侧的前轮下前后分别加止动块；

第二步，以对角交叉的顺序旋松轮胎螺母；

第三步，用千斤顶顶在后桥规定处安全可靠的位置将后轮顶起；

第四步，轮胎离地一定距离后，按对角交叉的顺序将螺母松掉；

第五步，卸下轮胎后安装备胎；

第六步，按对角交叉的顺序紧固螺母，使螺母与螺栓孔的锥形端面精密配合；

第七步，放下千斤顶并取出后，逐一对螺母对角交叉紧固，增加紧固力度；

第八步，将换下的轮胎安装在备胎架上，将所有工具放回原位。

整个过程中，主要的考核点有5 个，分别是：是否按顺序完成八个步骤、止动三角木放置的位置是否正确、千斤顶放置的位置是否正确、螺母松开的顺序是否正确、螺母紧固的顺序是否正确。

1.2 考核系统总体设计

针对大货车备胎更换的5 个主要的考核点，设计如图1 所示的备胎更换考核系统的系统结构[3]。

图1 备胎更换考核系统结构

轮胎止动三角木检测传感器模块用于智能感应和记录考核的第一步，检测止动三角木是否放置正确。

大螺母拆装检测传感器模块用于智能检测第二、四、六步中的拧松和拧紧轮胎大螺母的操作。

备胎螺母拆装检测传感器模块用于智能检测第五步中的使用专业工具卸下备胎的操作。

千斤顶检测传感器模块用于自动记录第三、七步中的使用千斤顶的情况。

信息采集仪通过蓝牙模块同时连接四个传感器模块，将各路传感器的信号进行综合，并将结果通过4G 网络实时传送到服务器。

理论考试系统安装在服务器上，通过PC 或者手机端可以进行访问和考试。因理论考试部分与智能传感器无直接关联，这里仅对智能传感器模块和信息采集仪进行分析和设计。

2 智能传感器模块

2.1 轮胎止动三角木检测传感器模块的设计

止动三角木检测传感器模块主要用于检测考生能否正确放置止动三角木。安装止动三角木检测传感器模块时，如图2 所示，需将传感器模块固定在轮胎面上。考核时，当考生把止动三角木放置到正确的位置后，传感器模块通过检测光强和压力能准确判断考生的操作是否规范。

图2 止动三角木检测传感器模块的安装

图3 所示为止动三角木检测传感器模块的结构图，模块采用3D 打印一次成型。其中，两个固定孔用于穿过两根扎带，缠绕轮胎一圈，使传感器固定在轮胎面上。螺母采用GB6172 M3 薄螺母，安装螺母的这一面贴合轮胎面。螺钉采用M3*8 内六角机米螺钉，其前端为尖状，当拧紧螺钉时，可以让传感器紧紧地轧在轮胎上，进一步固定该模块。

图3 止动三角木检测传感器模块结构

图4 所示为止动三角木检测传感器模块电路图，因传感器模块的体积需要设计得很小，所以采用微型贴片式的STC15W204S 单片机，模块采用3.3 V 微型充电电池供电，且光敏传感器和压敏传感器均集成在PCB 电路板上。单片机通过串口连接蓝牙模块，通过蓝牙网络实现与信息采集仪的无线连接。

图4 止动三角木检测传感器模块电路

2.2 螺母拆装检测传感器模块的设计

图5 所示为螺母拆装检测传感器模块结构图。大螺母与备胎螺母仅存在尺寸上的差别，其他的结构一致。安装螺母拆装检测传感器模块时，将其套在轮胎的螺母之上，然后用螺钉固定即可。考试时考生需要将套筒扳手套在大螺母拆装检测传感器的上面，并保持几秒钟，然后拿开。当考生把扳手放置到传感器上面之后，传感器处的光线被完全挡住，通过检测光强能判断是否进行了拧螺丝这一步骤，通过数据综合可以判断拧螺丝的顺序。

图5 螺母拆装检测传感器模块结构

螺母拆装检测传感器模块的控制电路与止动三角木检测传感器模块电路一样，但是没有用到压敏传感器。

当套筒扳手套在传感器上时，光敏电阻无穷大，则单片机P1.1 口的输入电压接近电源电压3.3 V。反之，当套筒扳手不在传感器上时，光敏电阻正常接受光照，电阻值较小，P1.1 口的输入电压较小，接近0 V。通过信号处理，单片机可以准确地检测到扳手的动作。

同时，此设计可以避免考生用手挡住光敏电阻的作弊行为。因手无法完全将光遮挡住，而扳手可以，通过单片机的数据处理，可以很准确地分辨出来，并激发作弊报警。

2.3 千斤顶检测传感器模块的设计

图6 所示为千斤顶检测传感器模块结构图。考试时，仅需把该传感器模块准确放置到大货车横梁之下即可，操作方便。当考生将千斤顶放置到正确的位置以后，光敏电阻的光照就会被完全挡住，其阻值无穷大；同时压敏电阻能检测到千斤顶的压力，此时其电阻值较小。反之，若没有正确放置千斤顶，光敏电阻会正常接受光照，其阻值较小；压敏电阻没有受到压力，阻值无穷大。以此可以准确地检测出放置和取出千斤顶的这一操作步骤。

图6 千斤顶检测传感器模块结构

与螺母拆装检测传感器模块一样，此设计可以避免考生用手挡住光敏电阻的作弊行为。用手或其他方法挡住传感器时，因所施加的压力是不均匀的，且无法将光敏电阻的光照完全挡住。单片机通过数据处理，可以准确地分辨出来，并激发作弊报警。

千斤顶检测传感器模块的控制电路与止动三角木检测传感器模块电路的原理图完全一致，但是PCB板的布局和布线有所不同。在进行光敏传感器和压敏传感器的PCB 板布局时，需要考虑传感器模块的不同，设计最优的光线检测和压力传递。

3 信息采集仪

信号采集仪的主要功能是实时接收4 个智能传感器模块的信号，进行数据处理和分析以后，将结果通过4G 模块传送至系统服务器。

3.1 信号采集仪电路

信号采集仪的电路[4]如图7 所示，与前述的传感器模块采用相同的单片机STC15W204S，该单片机可以采用3.3～ 5 V 供电，因这里无需像传感器模块那样考虑模块体积和功耗，所以使用5 V 供电。STC15W204S 具有2 个串口，分别实现与蓝牙模块和4G 模块的通信。

图7 信号采集仪电路

蓝牙模块采用BLE02，通过单片机的串口1 与单片机进行通信。此处的蓝牙模块作为主机，可以同时连接止动三角木检测传感器模块、大螺母拆装检测传感器模块、备胎螺母拆装检测传感器模块、千斤顶检测传感器模块等4 个传感器上的蓝牙模块从机。因此，可以实时接收4 个智能传感器模块所采集的数据。

4G 模块通过单片机的串口2 与单片机进行通信。该模块用于将信号采集仪连接到公网，与系统的服务器进行数据交互。

3.2 信号采集仪的程序处理流程

信号采集仪对实时收集的传感器的数据进行分析处理以后才能得出有效的考核结果。程序流程图如图8 所示。首先进行初始化，包括对蓝牙和4G 模块连接的初始化，以及对各个数据寄存器的初始化等。然后依次完成：实时接收4 个传感器模块的信号、处理作弊、评判放置轮胎止动三角木的动作、评判使用千斤顶的动作、评判拆卸大螺母动作和顺序、评判拆备胎螺母动作和顺序、评判安装大螺母动作和顺序、评判八个考核步骤的顺序、评判备胎和工具归位情况等，最后将实时数据传送到服务器。完成一轮数据处理和传送后，将重新开始新一轮的实时接收传感器信号和数据处理、发送的过程。

图8 信号采集仪的程序流程

4 应用实例

我国每年新增大量道路货运从业人员，以南宁市为例，每个月均需要安排1-2 次集中考试，每次约300 人。考生数量较大，传统人工监考的监考效率低下，且存在公平公正性不足等问题。

自从该系统试投入备胎更换考试以来，已经累计服役了16 场共计1620 人次的考核，取得了较好的成效。在无人看守的情况下，累计仅有8 人次出现了检测失误，需要通过调用现场监控进行人工打分，其余考生的考试均正常，成功率为99.5%。通过该系统，自动触发并成功抓获作弊5 人次。该系统能永久保存现场考试的原始数据，可以有效用于复核考生成绩。

5 结语

在实际考场上的应用，验证了本系统的准确性、稳定性和过程数据的可追溯性。目前市场上尚无应用于备胎更换考核系统的专用智能设备，基于智能传感器的备胎更换考核系统填补了这一空白。

在保证考核评判准确可靠的基础上，如果采用更加成熟的制造工艺和技术，能进一步提升本套系统设备运行的稳定性。基于智能传感器的备胎更换考核系统采用模块化的智能传感器，易于扩展和维护。若进一步推广应用这套系统，可以产生较大的经济价值。