周文軍

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

0 引言

駕駛員若需從事道路經(jīng)營(yíng)性普通貨物運(yùn)輸，須經(jīng)過(guò)一家符合國(guó)家規(guī)定資質(zhì)的道路運(yùn)輸駕駛員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)培訓(xùn)，并經(jīng)過(guò)考核合格后，持結(jié)業(yè)證書和本人駕駛證，才能到交通運(yùn)輸管理部門申領(lǐng)道路貨運(yùn)從業(yè)資格證件[1]。目前，我國(guó)道路貨運(yùn)從業(yè)人員超過(guò)1700 萬(wàn)人，約占道路運(yùn)輸從業(yè)人員總數(shù)的60%。對(duì)這么龐大的從業(yè)人員的考核是一項(xiàng)重要的系統(tǒng)性的工作，使用傳統(tǒng)方法的人工考核效率低，難以保障考核的公正性，且存在考試過(guò)程數(shù)據(jù)不可追溯的大缺陷。

更換大貨車備胎是道路貨運(yùn)從業(yè)人員的一項(xiàng)最基本的技能。智能傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、汽車、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和能源等領(lǐng)域[2]。本研究基于智能傳感器研發(fā)一套能夠規(guī)范有序的自動(dòng)考核從業(yè)人員更換大貨車備胎的操作全過(guò)程，精確記錄、判斷考生更換備胎的真實(shí)能力的智能傳感器系統(tǒng)，可以大大提高考核效率和考核的公正性。

1 備胎更換考核系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 備胎更換主要考核步驟和要點(diǎn)

大貨車的備胎更換需要嚴(yán)格按照規(guī)定的步驟進(jìn)行，其主要步驟如下：

第一步，在需要更換的后輪的同側(cè)的前輪下前后分別加止動(dòng)塊；

第二步，以對(duì)角交叉的順序旋松輪胎螺母；

第三步，用千斤頂頂在后橋規(guī)定處安全可靠的位置將后輪頂起；

第四步，輪胎離地一定距離后，按對(duì)角交叉的順序?qū)⒙菽杆傻簦?/p>

第五步，卸下輪胎后安裝備胎；

第六步，按對(duì)角交叉的順序緊固螺母，使螺母與螺栓孔的錐形端面精密配合；

第七步，放下千斤頂并取出后，逐一對(duì)螺母對(duì)角交叉緊固，增加緊固力度；

第八步，將換下的輪胎安裝在備胎架上，將所有工具放回原位。

整個(gè)過(guò)程中，主要的考核點(diǎn)有5 個(gè)，分別是：是否按順序完成八個(gè)步驟、止動(dòng)三角木放置的位置是否正確、千斤頂放置的位置是否正確、螺母松開(kāi)的順序是否正確、螺母緊固的順序是否正確。

1.2 考核系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)大貨車備胎更換的5 個(gè)主要的考核點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖1 所示的備胎更換考核系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 備胎更換考核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪胎止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊用于智能感應(yīng)和記錄考核的第一步，檢測(cè)止動(dòng)三角木是否放置正確。

大螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊用于智能檢測(cè)第二、四、六步中的擰松和擰緊輪胎大螺母的操作。

備胎螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊用于智能檢測(cè)第五步中的使用專業(yè)工具卸下備胎的操作。

千斤頂檢測(cè)傳感器模塊用于自動(dòng)記錄第三、七步中的使用千斤頂?shù)那闆r。

信息采集儀通過(guò)藍(lán)牙模塊同時(shí)連接四個(gè)傳感器模塊，將各路傳感器的信號(hào)進(jìn)行綜合，并將結(jié)果通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器。

理論考試系統(tǒng)安裝在服務(wù)器上，通過(guò)PC 或者手機(jī)端可以進(jìn)行訪問(wèn)和考試。因理論考試部分與智能傳感器無(wú)直接關(guān)聯(lián)，這里僅對(duì)智能傳感器模塊和信息采集儀進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2 智能傳感器模塊

2.1 輪胎止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊的設(shè)計(jì)

止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊主要用于檢測(cè)考生能否正確放置止動(dòng)三角木。安裝止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊時(shí)，如圖2 所示，需將傳感器模塊固定在輪胎面上。考核時(shí)，當(dāng)考生把止動(dòng)三角木放置到正確的位置后，傳感器模塊通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)和壓力能準(zhǔn)確判斷考生的操作是否規(guī)范。

圖2 止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊的安裝

圖3 所示為止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊的結(jié)構(gòu)圖，模塊采用3D 打印一次成型。其中，兩個(gè)固定孔用于穿過(guò)兩根扎帶，纏繞輪胎一圈，使傳感器固定在輪胎面上。螺母采用GB6172 M3 薄螺母，安裝螺母的這一面貼合輪胎面。螺釘采用M3*8 內(nèi)六角機(jī)米螺釘，其前端為尖狀，當(dāng)擰緊螺釘時(shí)，可以讓傳感器緊緊地軋?jiān)谳喬ド?，進(jìn)一步固定該模塊。

圖3 止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊結(jié)構(gòu)

圖4 所示為止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊電路圖，因傳感器模塊的體積需要設(shè)計(jì)得很小，所以采用微型貼片式的STC15W204S 單片機(jī)，模塊采用3.3 V 微型充電電池供電，且光敏傳感器和壓敏傳感器均集成在PCB 電路板上。單片機(jī)通過(guò)串口連接藍(lán)牙模塊，通過(guò)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與信息采集儀的無(wú)線連接。

圖4 止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊電路

2.2 螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊的設(shè)計(jì)

圖5 所示為螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖。大螺母與備胎螺母僅存在尺寸上的差別，其他的結(jié)構(gòu)一致。安裝螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊時(shí)，將其套在輪胎的螺母之上，然后用螺釘固定即可?？荚嚂r(shí)考生需要將套筒扳手套在大螺母拆裝檢測(cè)傳感器的上面，并保持幾秒鐘，然后拿開(kāi)。當(dāng)考生把扳手放置到傳感器上面之后，傳感器處的光線被完全擋住，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)能判斷是否進(jìn)行了擰螺絲這一步驟，通過(guò)數(shù)據(jù)綜合可以判斷擰螺絲的順序。

圖5 螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊結(jié)構(gòu)

螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊的控制電路與止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊電路一樣，但是沒(méi)有用到壓敏傳感器。

當(dāng)套筒扳手套在傳感器上時(shí)，光敏電阻無(wú)窮大，則單片機(jī)P1.1 口的輸入電壓接近電源電壓3.3 V。反之，當(dāng)套筒扳手不在傳感器上時(shí)，光敏電阻正常接受光照，電阻值較小，P1.1 口的輸入電壓較小，接近0 V。通過(guò)信號(hào)處理，單片機(jī)可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到扳手的動(dòng)作。

同時(shí)，此設(shè)計(jì)可以避免考生用手擋住光敏電阻的作弊行為。因手無(wú)法完全將光遮擋住，而扳手可以，通過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，可以很準(zhǔn)確地分辨出來(lái)，并激發(fā)作弊報(bào)警。

2.3 千斤頂檢測(cè)傳感器模塊的設(shè)計(jì)

圖6 所示為千斤頂檢測(cè)傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖?？荚嚂r(shí)，僅需把該傳感器模塊準(zhǔn)確放置到大貨車橫梁之下即可，操作方便。當(dāng)考生將千斤頂放置到正確的位置以后，光敏電阻的光照就會(huì)被完全擋住，其阻值無(wú)窮大；同時(shí)壓敏電阻能檢測(cè)到千斤頂?shù)膲毫?，此時(shí)其電阻值較小。反之，若沒(méi)有正確放置千斤頂，光敏電阻會(huì)正常接受光照，其阻值較小；壓敏電阻沒(méi)有受到壓力，阻值無(wú)窮大。以此可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出放置和取出千斤頂?shù)倪@一操作步驟。

圖6 千斤頂檢測(cè)傳感器模塊結(jié)構(gòu)

與螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊一樣，此設(shè)計(jì)可以避免考生用手擋住光敏電阻的作弊行為。用手或其他方法擋住傳感器時(shí)，因所施加的壓力是不均勻的，且無(wú)法將光敏電阻的光照完全擋住。單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理，可以準(zhǔn)確地分辨出來(lái)，并激發(fā)作弊報(bào)警。

千斤頂檢測(cè)傳感器模塊的控制電路與止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊電路的原理圖完全一致，但是PCB板的布局和布線有所不同。在進(jìn)行光敏傳感器和壓敏傳感器的PCB 板布局時(shí)，需要考慮傳感器模塊的不同，設(shè)計(jì)最優(yōu)的光線檢測(cè)和壓力傳遞。

3 信息采集儀

信號(hào)采集儀的主要功能是實(shí)時(shí)接收4 個(gè)智能傳感器模塊的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析以后，將結(jié)果通過(guò)4G 模塊傳送至系統(tǒng)服務(wù)器。

3.1 信號(hào)采集儀電路

信號(hào)采集儀的電路[4]如圖7 所示，與前述的傳感器模塊采用相同的單片機(jī)STC15W204S，該單片機(jī)可以采用3.3～ 5 V 供電，因這里無(wú)需像傳感器模塊那樣考慮模塊體積和功耗，所以使用5 V 供電。STC15W204S 具有2 個(gè)串口，分別實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊和4G 模塊的通信。

圖7 信號(hào)采集儀電路

藍(lán)牙模塊采用BLE02，通過(guò)單片機(jī)的串口1 與單片機(jī)進(jìn)行通信。此處的藍(lán)牙模塊作為主機(jī)，可以同時(shí)連接止動(dòng)三角木檢測(cè)傳感器模塊、大螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊、備胎螺母拆裝檢測(cè)傳感器模塊、千斤頂檢測(cè)傳感器模塊等4 個(gè)傳感器上的藍(lán)牙模塊從機(jī)。因此，可以實(shí)時(shí)接收4 個(gè)智能傳感器模塊所采集的數(shù)據(jù)。

4G 模塊通過(guò)單片機(jī)的串口2 與單片機(jī)進(jìn)行通信。該模塊用于將信號(hào)采集儀連接到公網(wǎng)，與系統(tǒng)的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.2 信號(hào)采集儀的程序處理流程

信號(hào)采集儀對(duì)實(shí)時(shí)收集的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理以后才能得出有效的考核結(jié)果。程序流程圖如圖8 所示。首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)藍(lán)牙和4G 模塊連接的初始化，以及對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的初始化等。然后依次完成：實(shí)時(shí)接收4 個(gè)傳感器模塊的信號(hào)、處理作弊、評(píng)判放置輪胎止動(dòng)三角木的動(dòng)作、評(píng)判使用千斤頂?shù)膭?dòng)作、評(píng)判拆卸大螺母動(dòng)作和順序、評(píng)判拆備胎螺母動(dòng)作和順序、評(píng)判安裝大螺母動(dòng)作和順序、評(píng)判八個(gè)考核步驟的順序、評(píng)判備胎和工具歸位情況等，最后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。完成一輪數(shù)據(jù)處理和傳送后，將重新開(kāi)始新一輪的實(shí)時(shí)接收傳感器信號(hào)和數(shù)據(jù)處理、發(fā)送的過(guò)程。

圖8 信號(hào)采集儀的程序流程

4 應(yīng)用實(shí)例

我國(guó)每年新增大量道路貨運(yùn)從業(yè)人員，以南寧市為例，每個(gè)月均需要安排1-2 次集中考試，每次約300 人。考生數(shù)量較大，傳統(tǒng)人工監(jiān)考的監(jiān)考效率低下，且存在公平公正性不足等問(wèn)題。

自從該系統(tǒng)試投入備胎更換考試以來(lái)，已經(jīng)累計(jì)服役了16 場(chǎng)共計(jì)1620 人次的考核，取得了較好的成效。在無(wú)人看守的情況下，累計(jì)僅有8 人次出現(xiàn)了檢測(cè)失誤，需要通過(guò)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控進(jìn)行人工打分，其余考生的考試均正常，成功率為99.5%。通過(guò)該系統(tǒng)，自動(dòng)觸發(fā)并成功抓獲作弊5 人次。該系統(tǒng)能永久保存現(xiàn)場(chǎng)考試的原始數(shù)據(jù)，可以有效用于復(fù)核考生成績(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際考場(chǎng)上的應(yīng)用，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和過(guò)程數(shù)據(jù)的可追溯性。目前市場(chǎng)上尚無(wú)應(yīng)用于備胎更換考核系統(tǒng)的專用智能設(shè)備，基于智能傳感器的備胎更換考核系統(tǒng)填補(bǔ)了這一空白。

在保證考核評(píng)判準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上，如果采用更加成熟的制造工藝和技術(shù)，能進(jìn)一步提升本套系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。基于智能傳感器的備胎更換考核系統(tǒng)采用模塊化的智能傳感器，易于擴(kuò)展和維護(hù)。若進(jìn)一步推廣應(yīng)用這套系統(tǒng)，可以產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。