基于STM32L431的智能油箱防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董錕

摘要：智能油箱防盜系統(tǒng)一般應(yīng)用于工程機(jī)械或長(zhǎng)途運(yùn)輸車輛中，其功能是檢測(cè)車輛綜合耗油量、對(duì)油位或系統(tǒng)異常進(jìn)行報(bào)警。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)了一種基于STM32L431的智能油箱防盜系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用高精度液壓傳感器檢測(cè)油箱油位變化，通過(guò)六軸傳感器檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并判斷系統(tǒng)及油箱是否遭到外力撞擊破壞，運(yùn)用STM32L系列超低功耗單片機(jī)和NB-IoT模塊將油位信息和報(bào)警信息上傳至監(jiān)控中心或駕駛員手機(jī)客戶端。

關(guān)鍵詞：智能油箱防盜系統(tǒng);液壓傳感器;六軸傳感器;STM32L431

中圖分類號(hào)：U463.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）21-0094-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

隨著我國(guó)基建行業(yè)的發(fā)展，工程機(jī)械車輛越來(lái)越多，工地中偷油事故頻發(fā);由于運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，長(zhǎng)途貨車油箱被盜事件也時(shí)有發(fā)生。為了防止上述事故的發(fā)生，基建工地一般需要專人看管機(jī)械車輛，增加了生產(chǎn)成本;長(zhǎng)途貨車司機(jī)在行駛途中一般不敢長(zhǎng)時(shí)間停車、大部分司機(jī)疲勞駕駛。為解決上述問(wèn)題，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到油箱油位監(jiān)控領(lǐng)域，通過(guò)低成本的單片機(jī)和傳感器及周邊電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)油箱油位的檢測(cè)和異常報(bào)警，在降低成本的同時(shí)提高管理效率，對(duì)相關(guān)行業(yè)的智能化有著重要意義。

2 方案設(shè)計(jì)

智能油箱防盜系統(tǒng)使用STM32L431系列超低功耗單片機(jī)，通過(guò)3.8V鋰電池進(jìn)行供電。油位信息的采集通過(guò)高精度液壓傳感器實(shí)現(xiàn)，其與主控單元微控制器通過(guò)RS485總線進(jìn)行通信;系統(tǒng)通過(guò)NB-IoT模塊完成油位信息和異常報(bào)警信息的上傳。六軸傳感器主要用于檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)及油箱或系統(tǒng)是否受到外力破壞。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2.1微控制器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控芯片為ST公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的基于Cortex-M4內(nèi)核的32位STM32L431單片機(jī)，該單片機(jī)自帶兩個(gè)16位ADC通道和4組USART通道[1]，選擇其中一組ADC通道用于監(jiān)控電池電量;一組USART通道用于與NB-IoT模塊通信、一組USART通道通過(guò)485電平轉(zhuǎn)換模塊與高精度液壓傳感器通信。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部Flash用于存儲(chǔ)系統(tǒng)狀態(tài)信息和油位信息;單片機(jī)內(nèi)部集成了FPU單元，可以在進(jìn)行算法計(jì)算時(shí)提高計(jì)算效率，降低整體功耗。微控制器模塊是系統(tǒng)的核心，主要功能是：

1）接收六軸傳感器模塊傳回的信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算得出設(shè)備的狀態(tài)信息;

2）讀取高精度液壓傳感器數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行解析;

3）將得到的工作狀態(tài)信息、油位數(shù)據(jù)信息等通過(guò)NB-IoT通信模塊發(fā)送至服務(wù)器。

2.2 六軸傳感器

1）傳感器特點(diǎn)

本系統(tǒng)的六軸傳感器選用的是MPU6050，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)[2]，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)等。擴(kuò)展之后可以通過(guò)其 I2C或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。本系統(tǒng)中微控制器模塊通過(guò)I2C總線讀取六軸傳感器的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)后，通過(guò)四元素法計(jì)算系統(tǒng)的俯仰角和偏航角數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定設(shè)備處于何種狀態(tài)。

2）狀態(tài)計(jì)算方法

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]，工程機(jī)械或運(yùn)輸車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其固有震動(dòng)頻率f與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n存在以下關(guān)系，其中τ為發(fā)動(dòng)機(jī)沖程（一般τ=2或4），i為發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸個(gè)數(shù)（氣缸個(gè)數(shù)常見(jiàn)的有3、4、5、6、8、10、12等）。

f=n*i/（60*（τ/2））

通常，工程機(jī)械或運(yùn)輸車輛使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速一般低于3000r/min，按此轉(zhuǎn)速估算，固有震動(dòng)頻率f的最大值在600Hz左右，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，本系統(tǒng)中，六軸傳感器采樣率定為1200Hz。

微控制器模塊根據(jù)六軸傳感器原始數(shù)據(jù)計(jì)算得出俯仰角和偏航角數(shù)據(jù)后，分別進(jìn)行離散傅里葉變換[4]，計(jì)算出系統(tǒng)震動(dòng)頻率f，再結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)頻率確定系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)，頻率與工作狀態(tài)的關(guān)系為：f<5Hz：靜止?fàn)顟B(tài);5Hz≤f≤20Hz：異常震動(dòng);f>20Hz：工作狀態(tài)。

2.3 高精度液壓傳感器

本系統(tǒng)的高精度液壓傳感器選用的是測(cè)量精度較高的投入式液位計(jì)，根據(jù)所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器制作而成，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。為了提高系統(tǒng)整體檢測(cè)精度，根據(jù)工程機(jī)械或運(yùn)輸車輛工作實(shí)際，工作過(guò)程中，油箱內(nèi)油溫會(huì)隨著工作時(shí)長(zhǎng)逐漸升高[5]，在投入式液位計(jì)中集成了溫度檢測(cè)傳感器。系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中，根據(jù)油溫確定柴油密度值[6]，再結(jié)合投入試液位計(jì)測(cè)量的油位壓強(qiáng)值，計(jì)算得出實(shí)際油位數(shù)據(jù)，提高測(cè)量精確度。

2.4 NB-IoT模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)選擇NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，符合當(dāng)前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和5G發(fā)展趨勢(shì)：設(shè)備成本低、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[7]。M5312 NB-IoT模塊是一款高性能、低功耗 NB-IoT 無(wú)線通信模組，采用 LCC 封裝，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) SMT 設(shè)備實(shí)現(xiàn)模塊的快速生產(chǎn)，并滿足苛刻環(huán)境下的應(yīng)用需求。本系統(tǒng)中，通信模組直接通過(guò)USART端口與微控制器模塊進(jìn)行通信，控制簡(jiǎn)單、通信成功率高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能油箱防盜系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、震動(dòng)信息檢測(cè)、信息狀態(tài)包發(fā)送等模塊，軟件流程圖如圖2所示。

開(kāi)機(jī)后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括：傳感器自檢、NB-IoT模塊初始化、與服務(wù)器握手和對(duì)時(shí)等。初始化后，高精度液壓檢測(cè)模塊和NB-IoT模塊進(jìn)入低功耗模式，僅六軸傳感器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)，此后在系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變后，根據(jù)具體狀態(tài)類型，進(jìn)行油位信息檢測(cè)和系統(tǒng)油位、狀態(tài)信息發(fā)送。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要包含兩個(gè)部分：1）系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)試，主要包括：車輛開(kāi)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)靈敏度、暴力撞擊系統(tǒng)整體時(shí)異常震動(dòng)檢測(cè)靈敏度;2）油位檢測(cè)精確度。

4.1 系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)試

根據(jù)測(cè)試需求，將本系統(tǒng)安裝到車輛后，在分別處于靜止、工作和暴力撞擊油箱或本系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)后臺(tái)收到的狀態(tài)信息，測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)檢測(cè)的成功率可達(dá)94%以上。

4.2 油位檢測(cè)精確度測(cè)試

根據(jù)測(cè)試需求，在不同油溫下，分別對(duì)高精度液壓模塊的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，在油溫逐漸升高后，測(cè)量誤差有變大趨勢(shì)，但總體檢測(cè)絕對(duì)誤差最大在15mm以內(nèi)，最大相對(duì)誤差為4.6%。

5 結(jié)論

為了解決工程機(jī)械和長(zhǎng)途貨車油位監(jiān)控及報(bào)警問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于STM32L431的智能油箱防盜系統(tǒng)，可通過(guò)六軸傳感器判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)，并通過(guò)高精度液壓傳感器模塊精準(zhǔn)檢測(cè)油位信息，實(shí)時(shí)通過(guò)NB-IoT模塊報(bào)警信息、油位狀態(tài)等信息的發(fā)送。當(dāng)工程機(jī)械或長(zhǎng)途火車正常工作時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的油位信息，后臺(tái)可進(jìn)行油耗分析、油耗預(yù)測(cè)和工時(shí)計(jì)算等，為相關(guān)領(lǐng)域的智能化檢測(cè)與管理提供了可能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)具有較高的狀態(tài)檢測(cè)精度和油位檢測(cè)準(zhǔn)確度，測(cè)量結(jié)果能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

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【通聯(lián)編輯：梁書】