基于红外测温原理的大型运输车辆刹车鼓温度监控系统

基于红外测温原理的大型运输车辆刹车鼓温度监控系统

李芳慧 刘志 刘振华 贾志周 张哲钊

长春理工大学，吉林 长春 130000

摘要：刹车鼓是刹车系统中的重要组成部分，重载车辆在长距离下坡路段刹车时，制动器的温度急剧升高，制动性能降低，加大车辆制动失灵的几率。为保证车辆行驶安全，我们研制了刹车鼓温度红外监控系统，开发手机软件以便实时查询，并借助OneNET平台云存储分析数据，对刹车鼓寿命进行评估，对用户的行车行为作出合理建议。

关键词：红外测温；WIFI模块；OneNET平台；GPS模块

0 引言

近年来，社会发生多起大货车交通恶性事故，造成严重伤亡和损失。经交警调查，造成事故的主要原因除了肇事车辆超载外，还有一个重要原因即车辆刹车制动鼓温度过高导致制动力衰退。货车中主要采用鼓式刹车。车辆在长距离下坡路段行驶时制动器的温度也比较高，此时刹车鼓表面可能会硬化甚至破裂，制动力下降。同时刹车鼓也会在热疲劳损伤和蠕变损伤作用下老化，严重影响行车安全。

我们的刹车鼓温度监控系统可以实时监测刹车鼓的温度，并通过手机软件及时给予司机危险警报以降低风险，联网时将云存储分析刹车鼓数据。该系统及时解决了刹车鼓温度过高导致的性能衰退问题，并在刹车鼓过于老化时提醒用户检修，保障了行车安全。

1 研究背景与现状

车辆在正常制动时，摩擦片的温度在300℃左右，当摩擦片的工作温度低于 300°C时，制动鼓与摩擦片的摩擦因数稳定在 0.3-0.4 之间。但在更高的温度，摩擦片里的有机化合物受热分解，析出气体和液体，润滑摩擦片和刹车鼓，导致摩擦因数变小，制动力矩变小，出现热衰退现象。

目前市场上广泛采用模压材料、编织材料和粉末冶金摩擦材料作为刹车鼓刹车片摩擦材料，这些材料在300℃以上时不能承受较高的单位压力，会加快磨损。在高速行驶状态下紧急制动稳定在350℃左右，一般不会超过 400℃。当工作温度超过350℃后（因刹车片材料不同有较大差异），制动效果急剧降低。普通刹车片在超过 400～500℃时一般会丧失制动性能。

为有效解决由于刹车鼓温度过高而引起的制动性能降低问题，人们通常采用手动开启淋水系统的方法降温。但在行车过程中，司机注意力高度集中或者疲劳驾驶，未能及时减速或者淋水降温，从而导致风险加大。我们的刹车鼓温度监控系统实时检测温度及时反馈给司机，并云存储数据，分析刹车鼓寿命提醒司机及时检修，可以大大降低由于刹车鼓制动失效从而导致事故的风险。

2 基于红外测温原理刹车鼓温度监控系统的设计

2.1 系统的总体结构

图1 系统总体结构示意图

此设计提供了一种基于红外测温原理监测大型运输车辆刹车鼓温度的装置，它是由硬件部分和软件部分两部分组成，硬件部分包括STM32C8t6单片机,MLX90614红外线测温器，ESP8266芯片和GPS模块，软件部分包括刹车鼓温度的传递程序和和接受程序以及手机的ONENET APP。本装置借助红外测温的方法利用MLX90614红外线测温器对刹车片的温度进行准确地测量，MLX90614红外线测温器与STM32C8T6单片机通过引脚的连接传递温度，同时GPS模块准确得到运输车的方位信息，在ESP8266芯片的作用下，STM32C8T6单片机与手机连接进行温度数据的传递以及运输车方位数据的传输，将温度数据和位置数据传递到手机的ONENET APP ，将温度数据和运输车的方位信息传递到云端，不仅可以使得用户在手机的ONENET APP实时地监测刹车鼓温度，而且也可以使得相关部门监测到刹车鼓温度和运输车的位置。使用者可以对刹车鼓温度进行密切地实时监测，更好地解决刹车鼓温度过高导致的刹车鼓性能衰退的问题，保障行车的安全，也可以使有关部门对运输车的安全信息进行监测，保障交通秩序。

2.2 系统的硬件部分设计

2.2.1 MLX90614红外传感器

该传感器属于非接触型温度传感器，进行辐射信号的采集与处理，可以读出刹车片的温度；搭载MLX90614红外传感器芯片的热像仪把被测物体表面温度分布借助红外辐射信号的形式存储起来，经接收光学系统和焦平面探测器构成像在红外探测器上，再由探测器经过算法转化为电信号。将MLX90614芯片与STM32F103C8T6单片机进行连接，将测量得到的温度值通过PWM传递给STM32F103C8T6单片机，单片机将温度值传送到货车司机的手机。MLX90614的SDAPWM是数字的输入输出引脚，在SDAPWM引脚上可以读出被测物体的温度。

图2 MLX90614红外传感器工作过程

图3 温度数据读取过程

MLX90614 芯片中温度值计算的流程：

IR1 感应器件:

用长度可编程的的 FIR 滤波器（1）测量 IR 感应器件；偏移量补偿；增益补偿；用长度可编程的的 IIR 滤波器（2）进一步滤波，结果存于 RAM 地址为 0x04的寄存器IR1的当中；计算物体的温度，结果存于RAM地址为0x07的寄存器To1。

IR2 感应器件:

用长度可编程的 FIR 滤波器（1）测量 IR 感应器件；进行偏移量的补偿；增益补偿；用长度可编程的 IIR 滤波器（2）进一步滤波，结果存于RAM 地址为0x05的寄存器IR2；计算被测物体温度，结果存于 RAM 地址为 0x08 的寄存器To2。IR红外传感器内含有多个串联的热电偶，热电偶的冷端连接在厚厚的芯片基质上，热端连接在薄膜上，薄膜会吸收 IR 的入射信号会使热端升温，热电堆输出信号为：

TO 是被测物体的绝对温度，Ta 使传感器基底的绝对温度，A 是整体敏感系 数。片上的温度传感器会测量基底的温度，在测得片上温度或温差信号后，对应的被测物体温度可以计算出来，这些计算是在 DSP 完成的，具体计算过程如下：

例如：若0x27AD 对应-70摄氏度，0x7FFF对应382.19摄氏度；则根据上方公式计算出0x3AF7对应28.75摄氏度。

2.2.2 WIFI 模块：

WIFI模块用于发送数据，也可用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器；选用ESP8266 模块核心处理器，主频支持 80MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板载天线。支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议，完整的 TCP/IP 协议栈。

2.3 系统的软件部分设计

2.3.1 OneNET 平台：

OneNET 是由中国移动打造的 PaaS 物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，为智能硬件、智能家居产品提供完善的物联网解决方案。 ONENET平台在我们项目中的用于采集用户的行车记录，进行对刹车鼓寿命的评估，并提醒用户及时的去检修刹车鼓；接入互联网，将部分数据上传给交警，预防一部分车祸，方便有关部门处理事故纠纷等；云存储数据，进行大数据分析，方便日后开发者，对软件设备等等做出更新优化，完善产品的功能。分析刹车鼓的问题报送相关制造商以优化刹车鼓，以及有关部门加强监管。GPS模块精确定位货车的位置，在发生事故时及时处理。

2.3.2 手机 APP

利用ONENET平台自带的APP,实时查询的功能，专为移动端开发的APP，比如在下坡那种路段，司机可以自主查询刹车鼓的状态，提前根据温度情况，对行车操作做出适当调整，比如避免急刹车次数，适当降低速度等。

3 系统关键性能优势及分析

系统关键性能指标1：部署维护方便，直接固定在车胎轮毂上，适应大部分车辆的轮毂；

系统关键性能指标2：实时查询轮毂状态，将显示界面放到驾驶室，司机可以随时看到各个轮毂的温度，以便及时作出相对应的处理；

系统关键性能指标3：高集成度方便管理。

4 结语

根据央视《每周质量报告》播出节目中公布，近几年我国每年交通事故都超过 30 万起，这其中因为刹车失灵造成的事故就占到了三成左右。基于红外测温原理的大型运输车辆刹车鼓温度监控系统根据红外测温原理、电子电工技术和自动控制理论设计，具有较高的科学性、可行性和实用性。

在未来我们将依靠云平台大数据，分析刹车鼓在各个情景下的状态，以及老化情况，并及时将潜在的问题反馈给各个生产厂家，为厂家研发新产品，优化相关产品提供方向。同时可与交通或市场监管部门合作，对刹车鼓市场进行有效监管，督促产品不良率较高的厂家进行整改。

随着我们更加深入的学习了解，基于红外测温原理的大型运输车辆刹车毂温度监控系统将在实践中不断地丰富和发展，从不断创新走向不断成熟，也必将具有更加广阔的应用前景。

参考文献

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[5]周志勇，张宏，樊启蕴．盘式刹车制动盘的高温失效机理和寿命计算[J].石油机械，1998，26 (1): 29-31.

基金项目：2020年吉林省大学生创新创业训练计划项目“基于红外测温原理的大型运输车辆刹车鼓温度监控系统”，项目编号：202010186037。

作者简介：李芳慧(2000-)，女，汉族，吉林辽源人，长春理工大学本科在读，电气工程及其自动化专业；