针对目前货车的源头治超,货车的电子不停车收费（ETC)、渣土车治理及物流信息化等难题,提出基于物 联网的车载称重监控系统的解决方案。本方案利用传感器技术及称重技术实现了车载动静态称重，利用无线通信网 络实现了车辆信息的传输,利用识别技术实现了货车的身份识别，利用后台应用管理平台实现了数据的交互及信息 的共享。试点应用表明，系统称重精度高、性能稳定、适用性强,能够满足当前车载称重的要求。
随着国民经济的持续发展,物流行业的快速增长,载货汽 车数量大幅增加，随之带来公路、交通的一系列问题,如：车辆 的超限超载、道路拥堵以及引发公路、桥梁基础设施安全、道 路交通事故等,给国家和人民生命财产带来极大损失。为了 有效遏止货运超限超载车辆上路，我国高速公路收费站安装 了轴重仪、整车式称重系统等计重设备,对行驶高速公路的车 辆进行超限超载检测，有效地控制了车辆超载运输。在使用 过程中先后暴露出了称重精度差、通行效率低、易受车辆行驶 状态影响等问题,始终未能解决称重精度和通行效率之间的 巨大矛盾,经常出现由于计重收费和超限控制带来的纠纷和 交通拥堵,给管理部门和公路运营企业造成了巨大的压力。
基于物联网的车载称重系统集卫星通信技术、卫星导航 技术、物联网技术、车载称重技术于一体,可实现对载货车辆 载重量、行驶速度、位置信息的实时监控，能够解决目前面临 的装载量自动监测、货车超限治理、货车不停车收费、渣土车 治理、物流信息化、智能交通等诸多难题,越来越得到社会的 广泛关注。
1.系统方案
基于物联网的车载称重系统按照功能分为四部分：车载 称重单元、车载智能监控终端、无线通信网络及监控调度中 心。系统构成原理详见图1。

图1中：车载称重单元安装在载货车辆的车轴上，用来检 测货车的载重信息；车载智能监控终端安装在驾驶室内，用于 实现载重量处理、偏载处理、车辆定位、数据传输、电子不停车 收费（Electronic Toll Collection, ETC)设备数据交互等功能；无 线通信网络实现了数据的无线传输；监控调度中心实现了车 辆信息、传输数据、报警信息的监控、管理等功能.
2.硬件设计
2.1车载称重单元
2.1.1应变放大原理
货车在设计时，出于安全性考虑,货车的车轴设计安全系 数裕度较大，因此车轴受载荷作用后，应变及变形非常微小， 难以满足一定精度条件下的测试要求。在应力应变或形变测 试过程，力传递环节、边界刚性及应变区与非应变区强度等因 素,导致感受到的应力应变大幅衰减，因此传统的测量方法很 难实现车载称重要求。
本系统通过将车轴一定区域的形变集中到车载传感器弹 性体应变区的方式,来实现应变放大,通过传感器电路转换, 获取了具有一定信噪比的电信号，此电信号和载重量成一定 的比例关系，从而间接获取货车载重量。

2.1.2测量方法
依据车轴应力大小及应力分布进行间接测量。通过对货 车车轴的静力学分析，来确定有效敏感区应变值及有效敏感 区域的分布状态,采用车载称重传感器的合理分布来消除 重心改变带来的位置误差，以获得满意的称重精度。驱动轴 及前轴力学有限元分析见图2。

2.1.3车载敏感器件
在车辆行驶过程中，车载传感器承受持续的交变载荷 (振动、冲击等）的作用，对弹性元件的疲劳特性及可靠性要 求极高,传统的敏感器件难以满足要求，为此采用溅射薄膜工 艺解决车载称重系统敏感器件的可靠性、温度补偿及热冲击 问题。主要过程如下：
通过离子束溅射沉积方法将绝缘膜直接溅射在弹性 体上 ,附着力极强,其性能远优于传统的贴片胶工艺。
通过离子束溅射等先进工艺手段和微机械加工方法， 将惠斯通电桥直接溅射在弹性体上2 ,避免了胶粘及引线构 桥,温度特性较佳。
采用基于溅射薄膜技术的敏感器件，最高耐受温度可 达400T：,可以满足传感器的直接焊接要求。
2.1.4车载传感器的布局及信息融合
车载称重传感器根据称重精度不同，可采用每根车轴中 部布局一只传感器或每根车轴两侧各布局一只传感器两种方 式,后者可消除装载货物质心沿轴向的位置偏差。
根据车轴强度的不同，采用同类信息融合技术,对传感器 进行分组分类3 ,分别进入车载智能监控终端，通过求取通 道耦合系数,进而得到装载货物的静态重量信息。
2.2车载智能监控终端
车载智能监控终端由ARM嵌入式微控制器单元、电源 单元、称重信号放大与调理单元、模数转换单元、显示单元、数 字I/O接口单元、无线数传单元、卫星定位单元、数据存储单 元、ETC接口单元、视频采集单元等构成，车载智能监控终端 原理见图3。

系统采用ARM系列LPC2378处理器。它包含10/100 Ethernet MAC、USB2.0 全速接口、4 个 UART、2 路 CAN 通道、 1 个串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface, SPI)接口、2 个同步串行端口 (Synchronous Serial Port, SSP)、3 个 I2C 接口、1个I2S接口和1个8位存储控制器（MiniBus), LPC2378 处理器作为车载智能监控终端的核心，内嵌有操作软件,完成 称重数据采集的控制与运算处理;定位数据的识别与处理；数 据存储的控制；ETC数据的交互；北斗/GPS模块的数据交互 以及实现对显示单元的人机界面的控制等任务[4 S。
电源单元为车载智能监控终端各个子单元提供稳定电 源。电源单元采用宽电源输入，对通过传导方式引入的电磁 干扰有较强的抑制能力，能够提供多路稳定输出的直流稳压 电源.
采集系统选择AD公司的AD7799BUR作为两通道高精 度模数转换电路单元。AD7799的最高采样率为500 Hz,采样 分辨率可达24位（在500 Hz的采样率下，有效分辨率也可达 14位）。转换器内置1 ~ 128增益的低噪声可编程仪表放大 器,实现高共模小信号的放大与模数转换；同时采用比例式采 样技术降低了对供桥电源电压稳定性的要求。
显示单元由4.3英寸480 x272图形点阵65K色串行接 口电阻式触摸液晶屏及内嵌的驱动程序构成，提供图形化的 人机界面，能够直观、友好地实现人机交互会话。
定位单元由“北斗/GPS”双模定位模块构成，主要完成地 理信息定位以及在特殊环境或紧急事件下的事件消息的传 递。在我国的一些边陲地区和偏远山区，无线公共网络（如： 全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications, GSM)、第三代数字通信（The 3rd Generation, 3G)等）覆盖不 到或者当出现事故,无线公共网络阻塞或瘫痪无法实现车载 监控信息的传递时，可以利用“北斗”定位系统的短报文功能 实现信息的无线传输。
车载智能监控终端ETC接口与ETC车载设备（On Board Equipment, OBE)之间建立标准通信链接，在ETC车载单元 (OBE)与路侧设备(Road Side Equipment, RSE)交互的同时, 向车载智能监控终端发送读取车辆信息的指令,通过ETC车 载设备（OBE)的处理，将货车信息（如车辆载重信息、车牌 号、道路入口甚至行驶路径等）传递至ETC收费系统车道控 制器,车道控制器完成对车辆信息的验证及控制终设协调的 工作和上传交易记录到后台数据库系统，从而实现货车的 ETC缴费过程。
数字I/O接口单元由开关量输入输出驱动、电平转换以 及相应的保护电路构成，主要实现对车辆状态的感知、识别和 相应的控制输出。如：是否刹车、转向灯是否打开等状态,发 动机工作状态等的识别与确认以及进行声光报警、强制刹车 等的输出控制。
3.车载智能监控终端软件
车载智能监控终端软件包含:车辆定位模块、称重管理模 块、监控模块、存储模块、远程交互模块、人机交互与权限管理 等，软件功能模块见图4。

3.1主程序
主程序由多个实时、独立的任务构成,任务0用于定位处理,任务1用于称重处理，任务2用于监控管理，任务3用于 本地存储,任务4用于远程交互，任务5用于人机交互及权限 管理,各任务之间采用全局变量进行交互，包括车辆基本信息、称重信息、定位信息、状态信息、报警信息等。
3.2称重管理
称重管理功能包括数据采集、称重处理、显示、参数设置、 标定等。称重处理包括零点跟踪、两点标定、多点标定、自动 手动置零、分度变换、数据合成等。设置参数包括上电置零范 围、手动自动置零范围、分度、零点、满程、标定参数。参数存 储在内部存储器中，非掉电易失。显示数据包括装载重量、车 辆自重、整车重量、轴数、限载重量、超限重量等。
3. 3定位管理
定位管理功能包括定位数据接收、数据解析、坐标变换、 显示等;定位数据通过串口接收，主要获取数据包含日期、时 间、经度、纬度、速度、方向等。
3.4本地存储
用于记录称重结果、状态信息、报警事件等。
3.5远程交互
远程交互用于终端与数据中心的数据指令接收和数据传 输，主要包括称重结果、状态信息、报警事件等记录的上传,调 度指令、参数设置指令等的接收。
4.无线通信网络
无线通信网络作为车载称重系统信息交互的通道，考虑 到实际应用中容量大、布点多、布点分散、实时数据信息量大 以及拓展性等特点，采用3G网络及接入点名称（A ccess Point Name, APN)专线接入的方式。基于3G网络组建的无线数据 传输系统具有永远在线、按流量计费、速度快、流量大、覆盖范 围广、通信链路免维护、组网简单、灵活、防雷击等特点0 ,监 控中心网络采用APN专线,所有点均采用内网固定IP,保障 数据传输的可靠性及安全性。
5.监控调度中心
监控调度中心由数据库服务器、通信服务器、Web服务器、监控调度计算机、网络设备、大屏幕等部分组成,如图5所示.

5.1网络平台
采用基于传输控制协议/网间协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP)体系的通用以太网络，提供 了开放的网络平台及可扩展性。基本网络平台构成包括服务 器、客户端、网络接入及应用展示部分等。
5.2数据接入
系统采用专用网络和公用网络两种传输模式，专用网络使用短距离无线通信，用于内部测试和区域组网。公用网络 则适用于长距离广域传输。其中专用网络由SgBee、WiFi (Wireless Fidelity) 10等构成，为仿真测试平台提供了测试通 信通道;使用3G公用网络实现广域网络传输，与北斗通信构 成互补的数据传输体系。针对每种传输模式的特点，采用统 一的上层传输协议及不同的通信驱动软件，既兼顾各自通信 体系的独立性,又保证服务软件处理信息的一致性。
5.3通信协议
综合监控管理软件与智能终端的远程交互需要可靠、安 全的通信协议,并具有兼容性和可扩展性。本系统采用基于 TCP/IP、用户数据包协议（User Datagram Protocol, UDP)的上 层管理协议，实现终端与数据中心的数据指令接收和数据传 输，主要包括:称重信息、状态信息、报警信息等的上传;调度 指令、参数设置指令等的接收。解析格式包括固定的帧头帧 尾字符、前导信息类型字符以及不定长信息字段。此外传输 协议中加入用户及密码校验，以增强数据传输安全性。
5.4综合监控管理软件
综合监控管理软件架构为B/S和C/S组合模式。C/S结 构的服务平台软件主要用于数据接入、设备管理、终端测试及 调试。B/S结构主要用于应用仿真、服务接口等，。综合监控 管理软件主要包括:服务平台软件、B/S监控终端软件及B/S 服务软件,服务平台软件主要实现数据接入、数据库管理、数 据监控、链接状态管理、调试及标定等功能；B/S监控终端软 件主要实现车辆信息管理、实时数据监控、历史数据查询、车 辆定位管理、报警、数据查询等；B/S服务软件主要实现网上 车辆信息查询及应用服务接口。
6.结语
车载称重系统充分运用物联网作为技术平台,感知延伸层 实现了车载称重及身份识别3 ；网络层实现了数据的传输及交 互;应用层实现对载货车辆载重量、行驶速度、位置信息的实时 监控。根据目前试点应用看,系统具有称重精度高、性能稳定 可靠、低成本、易维护等特点，可以解决货车源头治超、货车超 限治理、渣土车治理、物流信息化、智能交通等诸多难题.