工程機械油耗自動化監測裝置設計

楊洋 柯露露 林鳳濤 李志和 史振帥

摘要：工程機械車輛油耗測量的整體設計方案中，簡述裝置的兩個方面：設計思路及數據采集原理。其中研究設計雙軸傾角傳感器用于車輛燃油液位數據采集，介紹了數據采集儀，并闡述用于采集儀的主要器件的功能和特點，內置GPRS通信模塊以及CLM920系列模塊，為設計采集儀硬件電路提供理論依據。

關鍵詞：油耗測量;雙軸傾角傳感器;數據采集儀;GPRS通信模塊

前言

媒體報導，墨西哥偷油問題致使當地財政每年至少損失30 億美元。墨西哥政府為了防止偷盜汽油行為，采取了一系列措施，首先檢查加油站汽油輸入輸出情況，然后向輸油設施派遣數千名軍人，追蹤煉油廠員工電話使用情況、確認輸油車行駛路線等等。在國內，將油從油田運往加油站的過程中使用運油車，運油車司機會改裝車輛油箱結構進行偷油。這些偷油賊瞄準油價的利潤進行倒賣。油價關系國計民生，同時也涉及到社會安定，防止偷油漏油的問題亟待解決，必須設計出更加科學可靠的油耗自動化監測系統。該系統設計研發還可以解決工程機械接私活的問題，一些機械工程師在業余時間利用職業便利將價格昂貴的機器出租賺外快，對機械本身來說是一種折損，減少機械使用壽命，這些問題都很嚴峻，對工程機械的監管需要對自動化檢測系統的模塊進行優化設計，使其能更加靈敏精確地判斷機械以及機械油耗的狀態。

油耗監控系統設計

油耗監控系統主要的兩個部分為：終端油耗監控裝置、平臺管理系統。終端油耗監控設備的構成：雙軸傾角傳感器、數據采集儀。

雙軸傾角采集儀：本產品是浩坤科技自主研發生產的一款模擬電壓輸出的低成本雙軸傾角采集儀，用戶只需采集傳感器的電壓值就可計算出當前物體的傾斜度。通過把靜態重力場的變化轉換為傾角變化，通過電壓方式輸出，體積小、重量輕，可以滿足對空間有限制的應用需求。主要用來測量物體與水平面的傾斜。具有成本低、溫漂小、使用簡單、抗外界干擾能力強等特點，是光伏發電、云臺控制、塔桿監測等行業測量的理想選擇。產品特點采用高性能工業級芯片;低功耗設計，最大限度降低功耗。采用金屬外殼，保護登記IP67.金屬外殼和系統安全隔離，特別適合于工控現場的應用。采用寬電源輸入。穩定可靠，電源接口內置反相保護和過壓保護。標準易用，采用工業端子接口，特別適合于工業現場應用。

平臺管理系統主要包括CLM920系列模塊，該模塊是一個PCI Express Mini Card 1.2 標準的模塊，基帶芯片采用高通的MDM9X15，支持OS：windows/windows8/Android4.0以上等嵌入式操作系統。監控裝置的工作原理：通過對雙軸傾角傳感器的相對百分比信號角度數據的連續采集，結合標定算法，通過角度比例換算成對應的體積信息，能夠對油箱的油量變化進行監控;再配合GPRS 通信模塊，將數據打包發送到指定SIM卡上。同時給服務器安裝上定制的油耗監控軟件系統，該軟件具有將這些數據分析歸類的功能，用戶可以清晰掌握車輛的油耗狀態。

系統的各模塊選擇

從車輛油耗測量系統需要的總體方案要求及設計思路出發，選擇的螺紋PT100熱電阻以及SLDTB小巧壓力變送器、GPRS通信模塊，結合使用能夠進行信號實時精確處理、轉換的功能，PT100螺紋功能具有耐酸性，油箱中的油的酸性環境需要耐酸性的螺絲才能到達數據安全可靠的目的;另外選用GPRS通信模塊也很重要，能夠保證通信質量，并獲得準確的油耗數據。

螺紋PT100熱電阻的選擇 本產品中的螺紋PT100熱電阻/鉑電阻簡易實用，是工程機械中一種鉑電阻/熱電阻的封裝形式，需要了解下面各種參數：精度、工作環境、線制、高溫線、線長、直徑、插深、螺紋尺寸等，主要作用于機械設備、管道內介質的測量等等需要螺紋安裝的地方。PT100的三種精度選擇可作參考（A級±0.15℃ B級±0.30℃ C級±0.60℃）。

SLDTB小巧壓力變送器 變送器的靈敏度高、精度高、抗過載能力強。遇到電路零點和增益無需調整，SLDTB壓力變送器的特點是選用進口壓力芯片，敏感元件的原理采用擴賽或離子注入等加工形成電阻然后連接成惠斯通電橋，經過二次轉換電路，實現兩線制4–20MA輸出。功能特點是穩定性好，滿度、零位長期穩定性可達0.2%FS/年。在補償溫度0–70℃范圍內，溫度漂移低于0.2%FS，在整個允許工作范圍內低于0.5%FS。結構特點外殼采用全體不銹鋼一體。壓力接口為M20*1.5。

內置GPRS 通信模塊選擇 內置GPRS通信模塊，可通過移動和聯通的GSM網絡連接到服務器，采集到的數據以modbus rtu 格式進行傳送，數據使用·03功能碼主動上報，八通到數據一起傳送數據主動上報，上報周期可以通過浩坤科技數采儀配置程序配置。GPRS通信鏈路在首次建立鏈接時會發送字符串（PID），字符串內容可以通過浩坤科技數采儀配置程序配置。不同的設備設置不同的字符串（PID），以此區分不同的設備。

CLM920LTE 系列模塊

從以下幾個方面介紹CLM920 系列產品的使用和設計，包括外部接口、電氣、機械接口等，其中會出現以下縮略語，BB是連接器的縮略語，RF是傅里葉變換。

如圖.1 所示為CLM920系列模塊功能框圖。CLM920系列模塊電源接口包含兩部分：3.3V為模塊工作電源，VREG_USIM卡工作供電電源。CLM920系列4G模塊采用單電源供電模式，供電范圍為3.3V–4.2V，模塊在傳輸數據或通話瞬時會產生峰值2A的電流，導致電源上會有一個大的波紋。該系列模塊的接口支持USB2.0 高速協議，USB總線供電電壓由模塊內部提供，不需外部提供，支持軟件下載升級，數據通訊等功能。該系列模塊提供一個兼容ISO7816–3標準的USIM卡接口，但是不自帶USIM 卡槽有點不便之處。

總技術標準中的模塊視頻特性描述包括工作頻率、傳導射頻測量、傳導接受靈敏度和發射功率，其中LTE1，UL參數1920MHZ–1980MHZ，LET3，1710MHZ–1785MHZ，另外，GSM850，UL參數為824MHZ–849MHZ，參考以上工作頻率選擇合適的參數匹配進行測試。其中UL為上行的縮寫。

如圖2 CLM920系列模塊的實物外形圖所示，其中長51mm，寬30.1mm，整體結構小巧精致。便于安裝使用。

車輛油箱油量監管的應用其中

如果需要將車輛出租需要著重對車輛的油箱油量進行監管，租賃公司控制油箱達到監管的目的。通過對油箱的監管還可以達到以下的作用：首先是監測車輛速度、排氣管溫度等信息;其次是當車輛位置信息或者運行參數發生突變時將車輛位置、參數變化情況通過數據傳送模塊，向監控中心發送信息及警示信息。接下來是油面數據發生變化超過設定預警線時，及時發送報警信息;最后還能針對工程生產中出現的各類工況，進行模擬及數據收集分析，形成數據云模式。

結論

本文簡述的油耗測量裝置涉及到以下關鍵模塊：燃油液位變化數據測量換算與GPRS通信模塊，根據本文的闡述，燃油液位變化量的測取可以由雙軸傾角傳感器完成;在車輛行駛中，采集的油耗數據通常采用遠程監測，本文采用 GPRS 通信模塊實現油耗信息的遠程無線傳輸。在國內，GPRS油耗監測裝置多運用于船舶方面[1，2]，該類方向系統研究豐富，擁有很多優點：穩定性不錯、適用范圍廣，將其運用于車輛油耗數據采集同樣能得到良好的經濟效應，并且油耗采集精度高、功能擴展性強、安裝簡便等，因此，使用車用 GPRS通信模塊的設計用于工程機械油耗的應用，能實現對車輛的遠程監測[3–4]。

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