基于WiFi的油罐車區域定位電子簽封系統設計

吳蓬勃， 董俊嶺， 鄭玉紅， 李愛寧

(1.石家莊郵電職業技術學院 電信工程系，河北 石家莊 050031；2.石家莊理工職業學院 機電工程學院，河北 石家莊 050228；3.河北工程技術高等專科學校 電氣自動化系，河北 滄州 061001)

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基于WiFi的油罐車區域定位電子簽封系統設計

吳蓬勃1， 董俊嶺2， 鄭玉紅1， 李愛寧3

(1.石家莊郵電職業技術學院 電信工程系，河北 石家莊 050031；2.石家莊理工職業學院 機電工程學院，河北 石家莊 050228；3.河北工程技術高等專科學校 電氣自動化系，河北 滄州 061001)

針對目前基于GPRS的油罐車電子簽封系統存在的信號缺失、漂移以及操作繁瑣等問題，設計了一種基于WiFi的油罐車區域定位電子簽封系統。重點介紹了總體設計思想以及軟硬件實現方案。系統硬件以內置WiFi的MCU芯片CC3200為核心，實現電子簽封系統與油庫或加油站WiFi的連接和油罐車進、出油閥門的無線控制；同時結合GRPS、GPS和多種傳感器實現車輛在途軌跡、車輛狀態監測。最終實現“在指定的區域、由授權人員開關油罐車電子簽封”以及對油罐車全程監控的目的，杜絕了油品的盜竊等非法行為，方便了系統對油品的監管。

WiFi； 油罐車； 區域定位； 電子簽封

0 引 言

目前，我國的油氣運輸主要由輸油管道、鐵路罐車、水運及公路運輸等多種方式協同進行[1]。其中，公路運輸一般由油氣罐車承擔，主要用于中長距離的天然氣配送及中短距離的加油站配油。公路運輸由于其分散性和個體性的原因，運輸過程不易監管，途中常會出現油品的盜竊、更換或其它非法操作行為[2]。

電子簽封(或鉛封)系統的引入，使得石油公司可以實時獲知油罐車各進、出油口的開、關狀態信息，杜絕了油品的盜竊等非法行為，方便了系統對油品的監管。

[2]提出了將RFID芯片植入鉛封中，構成電子鉛封；通過電子鉛封讀寫器將油罐車的出發點位置、目的地位置、油品名稱、數量、油罐車的牌號、司機的姓名、施封人的姓名等信息記錄在電子鉛封內；只有授權的工作人員才可通過電子鉛封讀寫器開啟鉛封。此種方法雖然實現了“只有授權的人員才可開啟電子鉛封”的目的，但是，考慮到油站的防火防暴要求，此種方法必須要購置大量具有安全防暴性能的電子鉛封讀寫器，大大增加了系統的成本。

文獻[3～5]均提出了通過GPRS實時傳輸油罐車的GPS位置信息、實時監測電子簽封狀態的方案。其中，文獻[3]還提出了“定位電子簽封”的方法，只有當安裝定位電子簽封的油罐車輛進入指定的油庫或加油站時，才可由指定人員持授權RFID卡進行解封或施封。此種方案很好地實現了“在指定位置、由授權人員開啟電子簽封”的目的。但是也存著以下幾個問題：①必須事先得到油庫和加油站的經緯度信息，并根據通過經緯度畫出電子圍欄區域，由于各個地區的加油站眾多，而且還在不斷增減，大大增加了系統維護成本。②由于電子簽封的施封和解封需要通過不同授權的RFID卡實現，所以要為相應的工作人員配備不同的RFID卡，而RFID卡的管理工作也需要有專門人員負責。③要求GPS和GPRS信號準確可靠，而此項屬于不可控因素，在部分區域會發生GPS和GPRS信號的缺失或者漂移，從而造成油罐車到達指定地點后無法正常解封或施封，或者無法遠程解封或施封；為了找到GPS和GPRS信號，油罐車不得不在指定地點附近轉悠，或者司機強行解封或施封，從而給正常的運輸作業帶來不少麻煩，降低了系統的工作效率。

隨著WiFi在多地加油站逐步開展應用，針對目前電子簽封中存著的問題，本文提出了基于WiFi區域定位的電子簽封系統。WiFi路由器的信號覆蓋范圍小(一般為50～80 m左右)，同時WiFi的信號強度與距離有一定的計算關系，從而可以將配有WiFi電子簽封的油罐車限定在一個指定的區域內。

為了降低購置電子簽封閱讀器帶來的成本增加，以及由于多種不同授權的RFID卡帶來的維護成本的增加。本系統利用油庫或加油站室內的操作終端(計算機或PDA)，通過WiFi進行電子簽封的解封或施封，室內終端上的管理軟件可以對操作人員身份進行識別，從而實現了授權工作人員在指定區域內對電子簽封進行解封或施封的目的。另外，油罐車的狀態數據以及授權工作人員的操作記錄均會通過有線網絡實時上傳到系統的監控中心，防止由于GPRS信號丟失導致的系統數據不同步，更好地實現系統對油罐車輛的監督和管理。

1 系統總體設計

圖1所示系統主要包括：電子簽封主機、電子簽封鎖芯、上位機軟件3部分組成。其中電子簽封主機與電子簽封鎖芯之間通過CAN總線連接。電子簽封主機具備：GPS定位、GPRS通信、WiFi通信功能以及本地實時時鐘、數據存儲功能，應急開關功能，可以通過CAN總線控制電子簽封鎖芯的開關。電子簽封鎖芯具備：電子鎖控制電機、拆卸報警功能。室內的操作終端(計算機或PDA)可通過有線網絡或者WiFi連接油庫或加油站WiFi專用路由器，并通過公司內部VPN網絡連接到監控中心。室內操作終端上的管理軟件可實現人員權限管理、油罐車電子簽封控制、操作信息記錄以及與監控中心通信等功能。

圖1 系統總體結構圖

由于電子簽封主機需要和外界通信，為安全起見，一般安裝在油罐車車頭附近；電子簽封鎖芯需要靠近油罐車出、進油閥門，所以需進行密封處理。

2 系統硬件設計

系統硬件部分主要包括：電子簽封主機、電子簽封鎖芯部分。電子簽封主機通過CAN總線與電子簽封鎖芯部分通信，同時為電子簽封鎖芯部分供電。

2.1 電子簽封主機硬件設計

車載電子簽封主機結構如圖2所示。主要包括兩部分，CC3200單元電路和CC3200外圍電路。其中CC3200外圍電路包括：GPRS和GPS電路、CAN總線通信電路、車載電池電壓監測電路、用于存放行駛和操作記錄數據的SD卡電路、DS1307本地實時時鐘電路、語音播報電路、用于觸發電子簽封操作的解施開關、用于應對突發事件的應急開關、LED指示燈電路。下面分別對CC3200單元以及其外圍電路進行詳細介紹。

圖2 電子簽封主機結構框圖

2.1.1 CC3200單元電路設計

CC3200為TI公司推出的業界第一個具有內置Wi-Fi 連通性的單片微控制器單元，針對物聯網應用的SimpleLink CC3200是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU 的無線MCU[6]。CC3200支持基站(STA)、訪問點(AP) 和Wi-Fi Direct模式，可快速連接WiFi路由，也可作為小型的WiFi接入點。其中的Cortex-M4內核運行頻率為80 MHz，內部包括256KB的RAM，ROM采用外部SPI接口Flash芯片。CC3200單元電路如圖3所示。

圖3 CC3200單元電路圖

CC3200單元包括：CC3200芯片、復位電路、引導模式和JTAG調試電路、時鐘電路、WiFi天線電路、Flash電路和電源電路。其中，通過引導模式電路，可設置CC3200的工作模式為：4線JTAG、2線JTAG和Flash下載3種模式。時鐘電路包括兩部分：32.768 KHz慢速時鐘，主要用于：RTC、低功耗空閑模式下WiFi信標監聽等；40 MHz快速時鐘，主要用于WiFi射頻和MCU工作等。CC3200可以連接兩種類型的天線：內置芯片天線和外置U.FL天線，2種天線性能基本相當，但芯片天線體積小，可安裝在PCB板上，所以本系統選用了內置芯片天線。CC3200的電源引腳較多，而且外部需連接電容、電感，以降低耦合和提高抗干擾性能，所以PCB設計時器件需靠近引腳放置。另外，CC3200在工作時電流最大可達600 mA(持續25 ms)，所以如果電池無法提供這樣大的電流，則需要在電源引腳和GND間并聯2個100 μF的去耦電容；本系統使用的是車載24 V蓄電池，電流遠大于1 A，但為可靠起見，仍然并聯了2個100 μF電容。

CC3200的程序放在外部Flash中，可選用8 Mbit或16 Mbit的SPI接口Flash連接到CC3200的專用Flash引腳上，本系統采用的是8 Mbit的M25PX80-VMN6TP。CC3200使用文件系統管理外部Flash資源，程序不可直接訪問Flash，只能通過文件系統訪問。Flash中主要包括：應用程序、數據文件和網絡認證，其中只有網絡認證是加密的。

2.1.2 CC3200外圍電路設計

(1) GPRS和GPS電路。GPS、GPRS部分主要實現油罐車輛的GPS定位、定位數據的GPRS遠程傳輸、電子簽封的GPRS遠程控制。

本系統共需要3路串口(GPRS、GPS、CAN總線)，而CC3200僅有2個串口，所以本系統使用模擬開關CD4053實現了GPS與CAN總線的串口復用。

GPS和GPRS模塊采用了SIM908，SIM908是一款集成GPS導航技術的四頻GSM/GPRS模塊。能夠實現GPS定位及GPRS通信的功能。SIM908與CC3200之間采用雙UART通信，實現GPS定位和時鐘數據的接收以及與遠程服務器間的GPRS通信。

(2) 電池電壓監測電路。車輛蓄電池檢測部分采用CC3200自帶的12位ADC定時采集電池電壓實現。如果電池電壓過低，電子簽封系統會發出聲光報警，同時通過GPRS向監控中心發送報警信息。

(3) 本地實時時鐘電路。本地實時時鐘采用了DALLAS公司的I2C接口的實時時鐘芯片DS1307，使用了CC3200的I2C接口。DS1307可計算到2100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年等日歷數據，并具有閏年補償功能[7]；芯片有1個內置的電源感應電路，具有掉電檢測和電池切換功能，在掉電情況下，使用備用電池供電，確保時間準確無誤。

(4) 語音播報電路。語音播報電路用于為操作人員提供語音提示，方便對電子簽封系統的操作。本系統所需的語音在某個時期內可能固定不變，但是也應能夠對語音進行更新。所以，本系統采用了廣州唯創科技的WT588D語音方案，同時外加了功放，以保證操作人員在室外嘈雜的環境中仍可聽到響亮的語音提醒。

語音播放單元的電路圖如圖4所示。主要包括3部分：語音播放芯片WT588D、外置SPI串口Flash存儲器芯片25PXX和功放芯片TDA2822M。在本系統中采用的是WT588D的3線串口模式，WT588D的7、8、9腳分別作為數據、片選和時鐘腳連接到CC3200；CC3200通過這3個引腳輸出語音索引信號到WT588D；WT588D播放索引地址對應的音樂。其中語音的加載、索引地址的設置、連接模式的選定，均可通過上位機軟件WT588D voiceChip來配置的。配置好后，通過1個連接到JDown接口的“USB下載器”，實現語音下載即可。

圖4 語音播報電路圖[8]

2.2 電子簽封鎖芯硬件設計

電子簽封鎖芯控制部分(如圖5所示)以STM32為主控制器，主要完成電子簽封鎖芯控制、油罐安全信息監測[9-10]二部分功能。

電子簽封鎖芯控制部分實現的功能有：通過CAN總線接收電子簽封主機的開關指令、控制電機開關油罐閥門(即：電子簽封的施封、解封)、檢測電子簽封是否被強行打開。

圖5 電子簽封鎖芯控制框圖

油罐安全信息監測部分實現的功能有：車輛姿態檢測、進出油口溫度檢測和油氣濃度檢測。即：判斷車輛是否發生側翻等事故、判斷進出油口溫度是否超過限定值、進出油口是否發生油氣泄漏導致油氣濃度超標，實現對油罐在途中安全狀況的監測。

3 軟件系統設計

3.1 軟件工作流程

電子簽封系統軟件工作流程如圖6所示。左半部分為油罐車在油庫裝油或者在加油站卸油的工作流程。首先，車輛啟動后，電子簽封系統開始工作；車輛到達油庫或加油站后，手動按下“解施封開關”。然后，電子簽封系統開始連接油庫或加油站專用WiFi路由器，如果連接超時，則語音播報“WiFi連接失敗”，啟動“應急預案”，操作人員電話聯系監控中心，通過遠程GPRS控制電子簽封解封，在特殊情況下，可使用“應急開關”解封；如果WiFi連接成功，則可使用室內操作終端對油罐車解封。然后，操作人員手動開啟油閥，開始裝油或卸油；操作完成后，操作人員手動關閉油閥。最后，通過室內操作終端對油罐車施封。

圖6 系統工作流程

圖6右半部分為油罐車輛在途監測，主要實現：車輛軌跡監測(GPS+GPRS)、油閥狀態監測(電子簽封鎖芯內部有防拆限位開關)、車輛姿態監測、油罐溫度監測、油罐進出油口油氣濃度監測。如果出現：車輛不在規定路線內行駛、車輛姿態異常、途中油罐閥門被強行開啟、油罐溫度超限、油罐進出油口發生油氣泄漏，則系統會發出語音告警，告警信息通過GPRS回傳到監控中心同時本地做數據記錄；系統啟動應急方案，監控中心人員及時電話聯系司機，采取相應的應急措施，確保油罐車在途中安全、正常的行駛。

3.2 基于WiFi的電子簽封解封、施封軟件設計

本系統的“在指定區域、由授權人員對油罐車解封和施封”是基于WiFi來實現的，具體來說是基于電子簽封主機的CC3200與油庫或加油站的室內操作終端基于本地WiFi專用網絡來實現的。具體過程如圖7所示。

圖7 基于WiFi的電子簽封解封和施封的過程

首先，當解施封開關按下后，油罐車電子簽封主機內的CC3200芯片開始掃描附近的WiFi SSID，如果找到油庫或加油站專用WiFi路由器的 SSID，則開始連接WiFi路由器。為管理方便和安全起見，油庫或加油站專用WiFi路由器的SSID和密碼由監控中心統一設置，每個油庫和加油站的SSID對應的密碼均不相同，這些SSID和對應的密碼只存儲在監控中心和每個油罐車的電子簽封系統內部存儲器上；另外，室內操作終端IP地址為靜態地址，并且在路由器上與MAC地址綁定，確保油罐車可以和室內操作終端建立可靠連接。

如果CC3200連接WiFi路由器成功并且信號強度符合設定值，則CC3200與室內操作終端建立起TCP鏈接，室內操作終端向CC3200發送解封指令，CC3200收到指令后，通過CAN總線向鎖芯發送開鎖指令。當裝、卸油作業完成時，操作人員再次按下解施封開關，CC3200向室內操作終端發送施封請求，室內操作終端收到請求后發送施封允許指令，CC3200通過CAN總線向鎖芯發送閉所指令。最終完成油罐車的解封與施封操作。

3.3 電子簽封系統的可靠性設計

為了保證系統的可靠實時運轉，在正常接收到GPS信號的情況下，采用GPS時鐘作為系統操作的時間基準，同時定時通過GPS時鐘對本地實時時鐘做時間校準。在GPS信號缺失的情況下，以本地實時時鐘作為時間基準。

為了防止由于GPRS信號的缺失導致車輛記錄數據無法實時上傳，設置了本地SD卡存儲器作為數據緩沖區，存儲最近1周內的車輛數據(包括：GPS定位數據、時鐘數據、GPRS遠程通信數據等)；在GPRS信號正常且車輛空閑的情況下，上傳本地緩沖區內的數據，確保車輛實時監控數據的完整性。[11-16]

為了應對突發事件，確保油罐車的安全和運輸作業的正常進行，本系統設計了突發事件應急預案。如果WiFi指令無法控制電子簽封動作；或者在運輸途中出現緊急情況，需要解封；司機可撥打監控中心電話，監控中心通過GPRS向車輛電子簽封發送解封指令；如果GPRS信號缺失，司機可按下電子簽封主機上的應急開關，實現解封，但是應急開關僅可使用1次。對以上應急操作事件，系統會詳細記錄操作數據到本地SD卡，并在通信鏈路暢通時上傳送到監控中心，以便事后進行責任追查。

4 WiFi信號覆蓋測試

為了實現WiFi信號對油罐車裝卸油區域的有效覆蓋。需首先使用WiFi信號分析儀測量信號覆蓋情況，確定WiFi路由器安裝位置，確保油罐車量可靠連接到WiFi路由器。

WiFi Analyzer是1款WiFi信道分析工具，可以幫助分析周圍的WiFi信道質量，在設置WiFi路由器時，可根據該軟件為路由器選擇1個最佳的信道。圖8為WiFi信道圖表，它直觀地顯示了各個Wifi熱點的信道重疊情況。Wifi的信道從Channel 1～Channel 14，各個信號占據不同頻譜范圍，相同信道的信號完全重疊，相鄰信道之間的信號會部分重疊，每個信號的跨度大概是5個信道。如果2個信號的頻譜范圍重疊，2個信號就會相互干擾，造成信號質量下降。完全重疊則干擾嚴重，部分重疊則會部分干擾。圖9給出了WiFi信道評級列表，可根據該列表為WiFi路由器選擇最佳的信道。圖10為信號強度測試，可用于日常的WiFi信號強度檢測，圖10為距離WiFi路由器5 m處的信號強度。

圖8 信道圖表

圖9 信道評級

圖10 信號強度測試

5 結 語

本文根據油罐車輛運輸中出現的油品盜竊等不法行為，提出了基于WiFi的油罐車區域定位電子簽封系統。從可靠管理、方便操作、便于維護角度入手，利用WiFi信號的區域覆蓋特性，實現油罐車輛與油庫或加油站WiFi路由器的可靠連接，通過室內操作終端控制電子簽封的解封和施封，從而實現了“在指定的區域、由指定的授權人員裝、卸油品”的目的。同時基于GPS、GPRS和防拆卸技術，實現油罐車輛的在途監控，防止油品在途中被盜。最終實現了油品運輸的高效、可靠監管。

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An Regional Positioning Electronic Seal System for Oil Tank Truck Based on WiFi

WUPeng-bo1,DONGJun-ling2,ZHENGYu-hong1,LIAi-ning3

(1. Department of Telecommunication Engineering, Shijiazhuang Post & Communication Technology Institutes,Shijiazhuang 050031, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shijiazhuang Institute of Technology, Shijiazhuang 050228, China; 3. Department of Electrical Engineer, Hebei Engineering and Technical College, Cangzhou 061001, China)

The present electronic seal system is based on GPRS, and has some problems such as the signal loss or drift of GPRS, and difficult in use. This paper designs a regional positioning electronic seal system for oil tank truck based on WiFi. It mainly introduces the design idea and implementation scheme of software and hardware. It realized the WiFi connection between the electronic seal system and the oil depot and gas station, the wireless control of the oil valve, the monitoring of the transit path and the state of the vehicle combined with GPRS, GPS and a variety of sensors based on CC3200 with built-in WiFi MCU chip which is the core of the system hardware. At last, it achieves the aim of “switching the electronic seal by the authorized person in the designated area” and the total monitoring of oil tank truck which can prevent the theft of oil and other illegal acts, and facilitate system supervision.

WiFi; oil tank truck; regional positioning; electronic seal system

2015-10-10

河北省高等學校科學技術研究青年基金項目(QN2015326)；石家莊郵電職業技術學院科研項目(YB201405，ZD201408)

吳蓬勃(1980-)，男，河北辛集人，碩士，講師，主要研究方向：嵌入式系統開發、物聯網技術。

Tel.：18931368610;E-mail：wpb3dm@126.com

TP 29，TN 927

A

1006-7167(2016)04-0114-07