特種車輛非接觸式油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鵬煒 ,郭承亮 ,王文軍 ,歐陽(yáng)建東 ,李東坡 ,章原發(fā)

(1.解放軍32139部隊(duì),北京 101200；2.海軍研究院海防工程設(shè)計(jì)研究所,北京 100071)

0 引言

特種車輛為了盡可能多地?cái)y帶燃油，同時(shí)避免燃油過(guò)分集中，需要將多個(gè)油箱布置在車輛底盤的相應(yīng)空間內(nèi)。各相鄰油箱之間用油管相互連通，分為左側(cè)油箱組和右側(cè)油箱組。由于左、右兩組油箱處于同一個(gè)水平面上，原廠設(shè)計(jì)每組油箱在車尾部油箱各設(shè)置一個(gè)浮子式電容油位傳感器來(lái)檢測(cè)油箱的剩余總油量，并通過(guò)儀表刻度盤顯示出來(lái)[1-2]，方便駕駛員知悉。由于儀表只能使駕駛者定性地了解燃油使用狀況，缺乏精確性，且使用過(guò)程中還可能出現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)中零部件卡死的現(xiàn)象，導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，這些已成為安全駕駛的常見隱患之一[3-4]。與此同時(shí)，浮子式油量測(cè)量裝置在經(jīng)過(guò)陡峭路面時(shí)，由于車身振動(dòng)，浮子也隨之振動(dòng)，會(huì)造成油量檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確[5]。特別是對(duì)于軍用特種車輛而言，由于附帶的油箱數(shù)量多，且均為不規(guī)則形狀，原廠裝配的油量檢測(cè)裝置就會(huì)因車輛停放地面的傾斜度、行使?fàn)顟B(tài)的顛簸程度而產(chǎn)生較大誤差，從而影響裝備的使用效率。此外，由于指揮或調(diào)度中心不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握各個(gè)特種車輛的位置、剩余油量以及續(xù)航能力，將會(huì)嚴(yán)重制約行動(dòng)計(jì)劃的精準(zhǔn)性。

為了使駕駛員準(zhǔn)確感知車輛用油情況，方便指揮或調(diào)度中心實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地遠(yuǎn)程監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)，在不破損現(xiàn)有裝備的前提下，系統(tǒng)采用超聲傳感、北斗定位、無(wú)線通信與單片機(jī)控制等技術(shù)[6-10]，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行任務(wù)車輛的油量實(shí)時(shí)檢測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 總體設(shè)計(jì)方案

特種車輛非接觸式油耗實(shí)時(shí)檢測(cè)與定位系統(tǒng)，主要由車載終端油量檢測(cè)裝置及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩大部分組成。車載終端油量檢測(cè)裝置、遠(yuǎn)程控制中心分別如圖1、圖2所示。

圖1 車載終端油量檢測(cè)裝置示意圖

圖2 遠(yuǎn)程控制中心示意圖

為了不破壞現(xiàn)有裝備結(jié)構(gòu)，選用超聲油位傳感器[11]，將其粘貼在油箱底部，以較精確地檢測(cè)該油箱所剩油量數(shù)據(jù)。然后，將多個(gè)油箱的檢測(cè)數(shù)據(jù)和北斗的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算與控制后，實(shí)時(shí)顯示在駕駛室內(nèi)加裝的液晶顯示屏上；同時(shí)，利用無(wú)線通信技術(shù)，如通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(general packet radio servec,GPRS)[12]，將數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)在云服務(wù)器中。指揮或調(diào)度中心人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)、平板和手機(jī)客戶端對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)監(jiān)控[13]。

2 車載終端油耗檢測(cè)與定位裝置設(shè)計(jì)

油耗檢測(cè)與定位裝置的工作過(guò)程是：多個(gè)超聲油位傳感器分別采集各油箱的剩余油量信息，定位系統(tǒng)采集車輛位置信息；利用單片機(jī)，對(duì)油量與位置信息進(jìn)行處理；處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示器上，同時(shí)無(wú)線發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器存儲(chǔ)。

2.1 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分包括超聲油位傳感器、北斗定位模塊、顯示模塊、無(wú)線傳輸和控制模塊模塊。超聲油位傳感器粘貼于車輛油箱的外表面底部，其他各模塊集成在一個(gè)小型機(jī)箱盒內(nèi)，并安裝在車輛駕駛室工作臺(tái)區(qū)域。硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

ATmega32單片機(jī)與各設(shè)備或模塊(超聲油位傳感器、北斗定位、無(wú)線傳輸、LCD顯示器)之間通過(guò)CD4052(雙4路模擬開關(guān))芯片控制，并分別與其中一個(gè)設(shè)備或者模塊進(jìn)行通信。先由CD4052將ATmega32單片機(jī)的TXD擴(kuò)展為TXD1、TXD2、TXD3、TXD4；RXD擴(kuò)展為RXD1、RXD2、RXD3、RXD4。其中：兩組TXD1、RXD1和TXD2、RXD2通過(guò)MAX232C將TTL電壓提升電位到±12 V，并轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)。TXD1、RXD1經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將RS-232轉(zhuǎn)為RS-485后與超聲傳感器進(jìn)行通信；TXD2、RXD2直接與無(wú)線傳輸模塊通信。TXD3、RXD3和TXD4、RXD4分別與LCD顯示器和北斗定位模塊通信。

2.1.1 油位數(shù)據(jù)采集

目前，市場(chǎng)上常用的油位傳感器有傳統(tǒng)油浮子、磁性油浮子、電容式油位傳感器和超聲油位傳感器[12-14]。傳統(tǒng)油浮子式傳感器自發(fā)明汽車以來(lái)一直沿用至今。其優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是功耗大、線性和精度差、壽命短。磁性油浮子式傳感器是傳統(tǒng)油浮子式的升級(jí)產(chǎn)品，抗腐蝕性強(qiáng)、抗震效果好，但是精度依然較低、故障率較高。對(duì)于特種車輛而言，廠家選用的電容式油位傳感器，雖然精度相對(duì)較高、抗干擾性強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不便利。而超聲液位傳感器正好可以綜合它們的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)它們的不足。

根據(jù)現(xiàn)行裝備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在不破壞其任何部件的前提下，本文選用超聲液位傳感器，將其直接粘貼在每個(gè)油箱底部中央位置，即可較準(zhǔn)確地測(cè)出油箱的油位高度。由于容積與油位高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得，因此，測(cè)得油位高度就可以直接換算成油液容量。

2.1.2 北斗定位數(shù)據(jù)采集

北斗定位模塊獲取運(yùn)行車輛的位置信息(經(jīng)、緯度，時(shí)間，方向等)，并由控制模塊處理后將車輛位置信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。本文選用國(guó)產(chǎn)VK1612A9M3型雙模(北斗)衛(wèi)星定位接收模塊。該模塊具有體積小、功耗低、靈敏度高、定位快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車導(dǎo)航、汽車保全、車輛監(jiān)控以及衛(wèi)星定位等。

北斗芯片工作電路如圖4所示。

圖4 北斗芯片工作電路圖

ASM1117-3.3 V是高效率線性穩(wěn)壓器，將VCC(4.75≤Bin≤12 V)正向降壓為3.3 V，為北斗定位芯片VK1612A9M3提供可靠的工作電壓。北斗定位芯片第9、11腳連接有源天線天線，第20、21腳串聯(lián)33 Ω電阻后直接與ATmega32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.1.3 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊一般選用民用GPRS無(wú)線傳輸設(shè)備URS-GPRS-730，以RS-232電平方式與ATmega32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在必要時(shí)，選用車載電臺(tái)、通信車、節(jié)點(diǎn)車，以5G微波或者衛(wèi)星組成的無(wú)線傳輸模塊與ATmega32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.1.4 LCD顯示模塊

根據(jù)特種車輛駕駛室可安裝空間及顯示內(nèi)容要求，選用DMT80480T050_02W迪文DGUS串口工業(yè)液晶屏。該LCD液晶屏具有界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、參數(shù)配置快捷和串口調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)RS-232電平方式直接與ATmega32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2 軟件部分設(shè)計(jì)

油耗檢測(cè)算法程序流程如圖5所示。首先，對(duì)單片機(jī)及其他模塊進(jìn)行初始化，并設(shè)置北斗和超聲傳感器的工作模式。然后，進(jìn)入循環(huán)工作程序，讀取北斗模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)查找字符串“$BDRMC”的值判斷接收信號(hào)的真?zhèn)巍Ｈ?BDRMC=1，暫存接收的位置數(shù)據(jù)，并將該字符串清零后繼續(xù)執(zhí)行；否則，返回重新接收。讀取超聲傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，得到總油量及油耗。將位置信息和油量、油耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到LCD顯示器，同時(shí)按照設(shè)定的車輛行駛距離ΔL(如2 km，可視情況設(shè)定)或時(shí)間間隔Δt(如10 min，可視情況設(shè)定)，向無(wú)線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。最后，返回循環(huán)繼續(xù)接收并處理數(shù)據(jù)，退出程序。

圖5 油耗檢測(cè)算法程序流程圖

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心用于接收無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)的信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理后傳遞給用戶，包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器和用戶客戶端。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與WEB服務(wù)器通過(guò)專線接入無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，并接收其傳送過(guò)來(lái)的油量信息和車輛定位信息數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后輸出至用戶客戶端。

用戶客戶端包括平板計(jì)算機(jī)、手機(jī)及個(gè)人計(jì)算機(jī)，通過(guò)安裝自行開發(fā)的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。客戶端監(jiān)控軟件管理系統(tǒng)包括：系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、基本信息管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)包括資源管理模塊、權(quán)限管理模塊、角色管理模塊和用戶管理模塊，分別用于對(duì)系統(tǒng)資源、訪問(wèn)權(quán)限、角色和用戶信息進(jìn)行管理?；拘畔⒐芾碜酉到y(tǒng)包括車輛綜合信息管理模塊和車輛綜合信息查詢模塊，用于對(duì)車輛綜合信息的管理和查詢。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)包括油料數(shù)據(jù)報(bào)表模塊、油料數(shù)據(jù)分析模塊和油料數(shù)據(jù)查詢模塊，用于對(duì)獲取的油料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并生成報(bào)表供用戶查詢調(diào)取。

客戶端監(jiān)控軟件管理系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 客戶端監(jiān)控軟件管理系統(tǒng)示意圖

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

基于以上設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了特種車輛油量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)樣機(jī)。將其安裝在常用特種車輛上，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。采用廠家標(biāo)稱油耗為18 L/100 km的特種車輛在北京平谷區(qū)周邊不同路況下連續(xù)行駛2 h，每隔10 min采集一次油箱剩余油量，通過(guò)計(jì)算得到油耗測(cè)量值。不同路況油耗測(cè)量值如表1所示。

表1 不同路況油耗測(cè)量值

Tab.1 Fuel consumption measurements in different road conditionsL/100 km

為了驗(yàn)證樣機(jī)檢測(cè)的可靠性，在4種不同路況，將測(cè)得的油耗平均值乘以實(shí)際行駛里程，計(jì)算得到的耗油量與實(shí)際消耗的油量誤差率。

測(cè)量耗油量相對(duì)于實(shí)際值的誤差率如表2所示。

表2 測(cè)量耗油量相對(duì)于實(shí)際值的誤差率

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可得以下結(jié)論。

①在高速公路上行駛時(shí)，由于路況較好，測(cè)得的油耗數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，且油耗值與廠家標(biāo)值稱最接近；測(cè)得的耗油量略小于實(shí)際耗油量，誤差率最小。分析原因:根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述，廠家標(biāo)稱的油耗通常是在良好路面上測(cè)量的等速油耗。在高速上行駛，總行程接近于等速，但難免會(huì)因收費(fèi)站或少數(shù)擁堵路段等路況降低車速。而多次剎車和提速就會(huì)增大耗油量。所以測(cè)量油耗值接近且大于廠家標(biāo)稱值、測(cè)算得的耗油量小于實(shí)際消耗油量是符合理論基礎(chǔ)的。

②在普通公路和城市道路行駛時(shí)，路面質(zhì)地雖然較好，但是路面狹窄、人車密集度大，會(huì)使車輛行駛緩慢。特別是在城市道路行駛，受到信號(hào)燈的約束，頻繁的剎車-起步操作增大了耗油量。所以測(cè)得的平均油耗大于廠家標(biāo)稱值，測(cè)算的耗油量也小于實(shí)際消耗油量，且誤差相對(duì)較大。

③在鄉(xiāng)村道路行駛時(shí)，路面質(zhì)地較差，產(chǎn)生的摩擦力較大，致使測(cè)得平均油耗數(shù)據(jù)與廠家標(biāo)稱值相差最大。但是鄉(xiāng)村道路的人、車密度小，避免了因頻繁剎車-起步所損耗的油量。所以雖然測(cè)算的耗油量也小于實(shí)際耗油量，誤差率卻會(huì)相對(duì)于城市道路減小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用超聲傳感、北斗定位和無(wú)線通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于ATmega32單片機(jī)的特種車輛油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定位系統(tǒng)樣機(jī)。針對(duì)特種車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及保密性要求，研究了利用超聲傳感器檢測(cè)油量、北斗模塊定位車輛和戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的油量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)硬件、軟件設(shè)計(jì)的原理分析和開發(fā)樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。該設(shè)計(jì)為車輛裝備管理的科學(xué)化、保障的精準(zhǔn)化提供了新的思路。