基于射頻技術的油罐車在途狀態監測系統設計

張 昱，郭忠印，樊兆董，張瀚坤

(1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804； 2.山東省交通科學研究院，濟南 250031；3.山東省路域安全與應急保障交通運輸行業重點實驗室，濟南 250031)

0 引言

當今社會機動車保有量穩步增長，由此引發的車輛交通安全問題也引起社會的廣泛關注，其中對于危化品車輛的運輸安全管理更是研究熱點。由于危化品自身理化性質特殊，不適宜進行大批量鐵路運輸，只能通過公路路網進行運輸。當危化品車輛經過人員密集、復雜路段、車輛交織區域時，易導致交通運輸事故發生[1-3]。

研究發現，危化品在運輸過程中由于罐體傾斜、溫度過高、超速行駛都會引起交通運輸事故。因此，實現對罐體傾角、溫度、鉛封狀態、車速的監測，及時告知駕駛員，才能有效防止罐體傾翻、溫度過高、危化品泄漏等危險事故的發生。

國內外研究人員對于危化品運輸監管進行了一系列研究[4-6]，然而大多是針對車輛軌跡監測和駕駛員主動防御方面的，缺少對罐體狀態的研究。文獻[7]開發了罐車防盜油監測系統，可對罐車閥門狀況進行監測；文獻[8-9]開發的危化品車輛遠程監測系統，均可對罐體溫度、傾斜角度等數據進行遠程監測。然而，危化品車輛監管[10-11]需要考慮多種耦合因素，本文研究了一種綜合車輛定位、罐體狀態監測、電子鉛封油閥、危險報警功能于一體的油罐車車輛狀態監測系統。

1 油罐車狀態監測系統總體結構及原理

1.1 油罐車狀態監測系統總體方案

車輛狀態監測系統[20-21]應用全球定位系統技術(GPS)、電子鉛封技術和GPRS技術[18]，通過安裝在油罐車上的狀態監測系統實時獲取車輛位置信息、罐體狀態參數，實現各閥門無線電子鉛封，同時采用GPRS網絡和互聯網實現車載終端與監控中心的遠程實時通信、無線電子鉛封、車輛定位、罐體狀態監測、數據遠程傳輸、報警等功能。

圖1 油罐車狀態監測系統控制單元結構原理圖

1.2 系統結構及原理

車輛狀態監測系統由安裝在罐車上的車載終端與遠程運管中心顯示系統組成，車載終端由控制單元和4個油閥鉛封單元構成。

控制單元采用主從控制器結構，主控制器采用S3C2440A芯片[12]，負責與鉛封單元通信、感知罐壁溫度、罐體姿態以及數據存儲，并通過GPS模塊、GPRS模塊實現車輛定位以及遠程數據收發功能。從控制器最小系統設計綜合功率消耗、片內資源、處理速度能力以及成本要求等幾個因素，采用SOC方案。選用Silicon Labs公司的射頻一體化微控制器SI1000[13]作為從控制器，通過無線收發模塊實現與油閥鉛封單元通信，無線控制鉛封單元的電控鎖。整個控制單元安裝在車體的底盤上。控制單元采用主從控制器的結構設計，是基于以下兩方面考慮：(1)采用模塊化設計思想，便于二次開發以及模塊功能擴展；(2)控制單元采用主從結構便于與各個鉛封單元無線通信，在一定程度上減輕了主控制器的工作負擔。

油閥鉛封單元位于油罐車罐體的4個進、出油口閥門處，它由SI1000微控器、電源模塊、電控鉛封鎖構成，用于實現各個閥門的施封、解封操作。狀態監測系統控制單元與鉛封單元結構原理分別如圖2(a)、(b)所示。

圖2 油罐車狀態監測系統鉛封單元結構原理

2 罐車狀態監測車載終端硬件設計

2.1 控制單元硬件設計

2.1.1 電源模塊

終端控制單元需要5 V，3.3 V，1.2 V三種直流穩壓電源。第一級電源轉換由汽車電源12 V轉換為5 V，第二級再分別從5 V轉到3.3 V和1.2 V。在第一級電源轉換模塊里選用開關穩壓電源的方案，采用LM2596S-5.0芯片。車載終端的S3C2440A 和MG323模塊及其它芯片使用3.3 V電壓供電，經過線性穩壓芯片 AS2815AR輸出得到3.3 V電壓。ARM內核供電電壓1.2 V,采用LTC3406-1.2降壓型穩壓芯片。電源轉換電路如圖3所示。

圖3 電源轉換電路

2.1.2 存儲單元模塊

S3C2440A 處理器配有NAND Flash控制器，為儲存車輛運行過程中產生的數據信息，設計選用三星公司生產的芯片K9F2G08U0B作為擴展NAND Flash的存儲單元模塊。該存儲器提供了 256 M×8 Bit的存儲空間。設計的硬件電路如圖4所示。

圖4 NAND Flash接口電路

2.1.3 GPRS模塊

為了電路簡便，設計采用通用異步收發傳輸器(UART)串口將EM310模塊與S3C2440A連接，然后在TXD管腳加6.2 kΩ電阻，其天線裝置與EM310模塊的5引腳相連，經過68 nH的電感接地，EM310模塊的TERM_ON引腳經0 Ω的電阻接地，為的是在上電時就拉低引腳，以達到啟動EM310模塊的目的。其接口電路如圖5所示。

圖5 GPRS模塊接口電路

2.1.4 GPS模塊

GPS模塊可以通過計算三至四顆衛星所發出的定位信號，獲取當前車輛的經緯度位置、時間、運動速度等數據。本設計選用U-BLOX公司所產核心為NEO-6M的GPS模塊，該模塊擁有具有-161 dBm 的車輛跟蹤靈敏度以及高達50個通道，數據采集頻率為5 Hz。該模塊結構簡單，是通過串口與ARM主控制器S3C2440A通信的，其外圍接口電路如圖6所示。

圖6 GPS模塊接口電路

2.1.5 從控制器最小系統模塊

從控制器SI1000最小系統設計參考了典型應用電路，供電電壓為3.3 V可由電源模塊供電，其時鐘晶振選取為32.768 kHz，外部晶振選取為30 MHz,在電源部分，電容值為100 nF，100 pF，1 μF，起電源濾波作用。

2.1.6 無線收發模塊

SI1000芯片的內部集成了EZRadio-PRO Transceiver射頻收發模塊[14]。MCU內核與射頻模塊是通過內部SPI1口完成數據通信的；數據進入射頻模塊的先進先出模塊(FIFO)實現無線傳輸，需要經過天線收發電路模塊傳輸出去。

無線信號發射電路與接收電路共用一個前端射頻天線裝置，采用單刀雙擲的射頻開關UPG2214TB對信號發射和接收電路進行切換。系統通過對SI1000的GPIO1和GPIO2引腳的配置，實現對發送接收通道的切換。無線收發電路如圖7所示。

圖7 無線收發電路

2.1.7 溫度采集模塊

考慮到油罐車的運行環境條件惡劣，并從監測精度、成本、可操作性幾方面考慮，溫度傳感器選用DS18B20。該芯片內部由溫度傳感器、光刻ROM存儲器和配置寄存器等部分構成。

DS18B20 通過一條線即可實現與SI1000的P1.5引腳連接，溫度傳感器與SI1000接口電路如圖8所示。

圖8 DS18B20接口電路

2.1.8 傾角采集模塊

本文采用雙軸傾角計ADXL203實現對罐體傾角的采集，該傳感器采用晶體硅固體結構，性能穩定，受溫度的影響極小，同時還具有體積小、輸入簡單，傾斜度測量精度高等優點。在罐體傾斜度測量時，雙軸傾角計需以重力方向作為基準測定被測物體的方位，同時將傳感器的x軸與重力方向垂直設置(即與水平面平行)。設計將傳感器芯片沿水平面放置，X、Y軸均處于水平方向，便可測量罐體的傾斜度，根據以下公式可將芯片輸出的模擬電壓信號VX，VY分別換算成對應的g值變化量GX，GY：

(1)

(2)

再將GX，GY代入傾斜角度的計算公式中，得到罐體在途過程中的傾角，俯仰角(pitch)和傾斜角(roll)，從而判斷罐體姿態是否正常。

(3)

(4)

圖9(a)為ADXL203用于雙軸斜度測量儀的原理示意圖。

ADXL203芯片輸出的是模擬電壓信號，經過相應的濾波電路、放大調理電路后與從控制器相連接。接口電路中的濾波電容CX和CY，電容值選為0.1 μF，由此知信號設置為50 Hz的帶寬，開啟時間為20 ms。經過低通濾波后的電壓信號，通過差動輸入方式連接到微控器SI1000的P2.3(引腳4)和P2.5(引腳2)上，通過這兩個引腳內部集成的ADC可以直接進行AD采樣。圖9(b)為雙軸傾角計接口電路。

圖9 罐體狀態采集原理及接口電路

2.2 鉛封單元硬件設計

油閥鉛封單元安裝在罐體油口閥門一側，該油罐車共4個鉛封單元。該單元硬件電路由無線微控器、電控鎖模塊和無線收發電路構成。微控器選用射頻一體化芯片SI1000，用于與車載終端控制單元通信，以實現鉛封、解封操作。

電控鎖控制電路與鎖芯密封裝于API油閥內，四線制的電控鎖中有兩根控制信號線NO(normal open)和NC(normal close)，另外兩根是電源與接地線。將控制信號線分別與SI1000的I/O口P2.4和P2.6相連。電控鎖根據NO、NC電平出現的高低變化發生置0、置1變化。當NO、NC同時高電平或低電平時，說明有非法操作電控鎖短路(油閥非正常開啟、關斷)，對應狀態與MCU的I/O關系如表1所示。

表1 油閥感測狀態

3 罐車狀態監測車載終端軟件設計

3.1 系統數據通信

系統的數據通信包括車載終端與信息平臺間的GPRS通信和控制單元與鉛封單元的無線RF通信。

3.1.1 GPRS網絡通信

GPRS網絡可通過以下三種方式連接到公網。撥號上網：非對稱數字用戶線路(ADSL)可申請公網IP地址，以便數據中心與移動網關通過VPN隧道專線連接。

固定IP上網：申請固定公網IP地址給GPRS模塊即可直接將數據發送至監控中心。

定時發送：首先在GPRS模塊中設置數據發送時間間隔(默認為60秒)，即每隔一段時間向Internet上對應IP地址上發送一段數據，該IP下的服務器將所接受收據直接存儲在服務器中，確認ID無誤后存儲，并向車載終端發送一段確認報文，終端收到該報文后，確定發送成功；否則重新發送信息。

3.1.2 控制單元與鉛封單元的無線通信

控制單元的無線收發模塊與油閥鉛封單元采用無線方式通信，從控制器SI1000采用的通信協議是EZMac協議。該協議是一種常用于EZRadioPRO和無線微控制單元的通信協議，其各項基本參數均符合FCC的規定，為增加通信可靠性并降低功耗，該協議中包含4個通信頻道，可在不依附 MCU的情況下直接通過ISM頻率采用短幀格式進行數據收發；該協議具有占用資源少、支持廣域尋址、數據包清洗與信號自糾自檢等優點。

EZMac通信協議的結構包括幀頭、載荷和幀尾三部分，幀頭內有前導碼、同步字、地址信息和數據包長度幾個部分，載荷是通信模塊傳輸的有效數據幀尾由兩個字節的CRC校驗位，用于識別是否有錯誤的數據位。EZMac數據幀格式如表2所示。

3.2 控制單元軟件設計

終端控制單元軟件設計采用模塊化編程方法，采用C語言編程，部分底層函數應用匯編語言設計。主程序包括系統初始化、建立GPRS連接、GPS模塊的數據提取、罐壁溫度提取、罐體姿態提取以及與鉛封單元通信[16-17]等。系統初始化是在主控制器上電后，在main()函數中完成的，包括設置系統時鐘、初始化中斷向量表、設置相應I/O口的工作模式。主控制器運行在主程序模塊下，建立好GPRS網絡連接后，在接收到信息中心控制命令時，就會以中斷方式獲取各個模塊的數據信息。

表2 無線數據幀格式

GPS模塊初始化，再將接收到的定位數據存入指定緩沖區，判斷是否接收到完整的GPRMC語句，最后從中提取出定位數據。

罐壁溫度采集流程就是傳感器得到數據采集命令后，對DQ下拉至低電平，然后再15 s之內拉高總線，如果DQ為高電平，則數據采集成功，并將該溫度值作為返回值返回。

罐體傾角采集利用ADXL203芯片對X軸和Y軸兩路數據采集，調用ADC0初始化程序對相關寄存器配置使能，通過獲取X、Y軸的電壓值，由對應公式計算加速度值，并轉換為相應的角度值。油罐車車載終端控制單元軟件流程如圖10所示。

圖10 終端控制單元軟件流程

3.3 鉛封單元軟件設計

鉛封單元被喚醒后，采集油閥當前鉛封狀態并通過無線方式發送給控制單元，收到施封、解封命令后，驅動電控鎖裝置動作。鉛封單元的主程序負責調用各子程序，狀態采集、數據發送和數據接收程序都是通過主程序調用實現。

圖11 鉛封單元軟件流程

4 實驗測試

為驗證基于SI1000的罐車狀態監測系統設計合理性，進行系統調試。選取東風天龍鋁合金半掛油罐車分別在罐車底盤安裝車載終端控制單元，在進、出油口分別安裝鉛封單元。在上位機安裝客戶端軟件，車載終端的GPRS模塊中設置好上位機服務器IP，確保車載終端與服務器通信正常。上位機顯示界面如圖12所示。

圖12 上位機狀態監測系統顯示界面

4.1 調試數據采集

啟動系統，打開上位機，進行參數設置觀察系統是否正常運行。正常運行后，根據狀態監測參數對系統進行測試。具體技術要求如下：

1)遠程數據傳輸采用TCP/IP通訊協議，波特率為115 200。

2)采集監測信息，具體參數要求見表3。

表3 采集數據標準

3)通過測試，分別記錄五組數據的測量值和標準值，進行系統誤差分析。

4.2 罐壁溫度測試

采用計量檢定合格的遙感式測溫儀采集罐壁溫度，同時記錄由終端控制單元DS18B20溫度傳感器測量在上位機顯示的罐壁溫度，分別記錄五組數據。上位機顯示的罐壁溫度為系統測量值，測溫儀實測的溫度值為標準值。

4.3 罐體傾角測試

采用計量檢定合格的帶磁角度尺測量罐體俯仰角和傾斜角，同時記錄由終端控制單元ADXL203芯片測量在上位機顯示的罐體俯仰角和傾斜角，分別記錄五組數據。上位機顯示的罐體傾角為系統測量值，角度尺實測的罐體傾角為標準值。

4.4 油閥鉛封狀態測試

在上位機操作系統改變油閥鉛封狀態，同時記錄實際觀測到的油閥鉛封狀態，分別記錄五組數據。上位機操作后顯示的鉛封狀態為系統測量值，實際觀測狀態為標準值。

4.5 系統測試結果分析

為分析系統實際運行可靠性與測量精度，對油罐車狀態監測系統進行對比實驗測試，記錄各個參數的實驗數據并進行誤差分析，系統誤差計算公式如下式所示：

(5)

式(5)中,ε為誤差值，a為標準值，x為測量值。系統監測數據表如表4所示。

表4 系統監測數據表

由表4可知：罐壁溫度標準取值在39.7～40.1 ℃區間范圍內，溫度波動度為0.4 ℃，系統誤差在0.25%～0.5%之間。罐體俯仰角標準取值在3.0°～3.2°區間范圍內，傾角波動度為0.2°，系統誤差在3.13%～3.33%之間。罐體傾斜角標準取值在2.4°～2.5°區間范圍內，傾角波動度為0.1°，系統誤差在0°～4.17°之間。油閥的鉛封與解封操作分別執行五次，遠程操控電控鎖進行鉛封、解封操作，未出現失誤。

5 結束語

本文從油罐車運輸安全角度出發，設計研發了基于SI1000的油罐車狀態監測系統，實現了無線電子鉛封以及罐壁溫度、罐體傾角監測，該系統的應用可以有效預防由于罐體溫度過高或油罐傾斜、漏油而引發的交通事故。經過實驗測試，各個參數的測量誤差值在5%以內，且系統運行情況良好，符合系統設計需求。測試過程中發現系統運行時間過長時存在數據庫運行卡頓現象，下一步還需開發數據緩存功能，合理分配數據庫空間，以保障系統運行順暢。