油罐車閥門狀態(tài)監(jiān)測單元設計

黃國兵，王淇葦，黃凱，2，張文星

（1.西安工程大學計算機科學學院，陜西西安 710048；2.國網(wǎng)陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西咸陽 712000）

油品運輸過程中存在監(jiān)守自盜的現(xiàn)象[1]，以致需要對運輸過程進行全過程的監(jiān)視管理。防止油品被盜最有效的辦法就是對油罐車的裝/放油閥門狀態(tài)進行監(jiān)測，常用的監(jiān)測方法包括：1）基于RFID 的電子鉛封技術[2]；2）監(jiān)測油罐閥門狀態(tài)的方法[3-4]。根據(jù)用戶需求，采用閥門狀態(tài)監(jiān)測方法。為了實現(xiàn)對油品運輸過程的監(jiān)管，需要對油品運輸?shù)娜^程進行監(jiān)控[5]。考慮到油罐車閥門監(jiān)測單元的安裝部位，該單元運行必須滿足防爆要求[6]。為此，監(jiān)測單元模塊采用電池供電[7]，為了延長電池的更換周期（不小于2年），模塊運行必須采用省電模式設計[8-9]。由于從油罐閥門到車載終端之間使用有線通信不利于監(jiān)測單元的省電運行和安裝固定，用戶提出閥門監(jiān)測單元與車載終端之間采用無線方式通信，參考項目組先前實施的低功耗ZigBee 通信技術[10-11]，探索實現(xiàn)了適合項目的低功耗、短距離RF 通信電路實現(xiàn)方法[12]。針對閥門監(jiān)測單元模塊數(shù)據(jù)采集的需求，模塊需要實現(xiàn)1 路開關量和4 路模擬量信號采集，這些信號的傳感器需要監(jiān)測單元供電，也要考慮省電運行的要求。

1 閥門狀態(tài)監(jiān)測解決方案

1.1 單片機系統(tǒng)方案構思

通過對用戶需求的具體分析，閥門監(jiān)測單元安裝在金屬閥門蓋內(nèi)運行，RF 天線從外蓋露出，電池槽和天線底座布置在閥門腔體的外側(cè)，圓形監(jiān)測電路板固定在腔體的內(nèi)側(cè)，閥門底蓋為金屬，使電子組件與油品完全分隔。

考慮到閥門監(jiān)測單元的低功耗和防爆需求，采用電池供電方式。閥門監(jiān)測單元以低功耗模式工作，使其具有安防爆的特征，同時延長電池的工作壽命，以滿足2 年電池更換周期的要求。

RF 無線通信電路采用短距離、低功耗模式，這里選用ATMEL 公司的AT86RF230 構建RF 無線通信電路[13-14]。由于ATMEL 公司有配套的支持低功耗模式的微控制器產(chǎn)品Atmega1281[15-16]，因此，選用該微控制器為核心搭建所設計的閥門監(jiān)測單元電路。解決方案如圖1 所示。

圖1 閥門監(jiān)測單元的解決方案

1.2 監(jiān)測信號接口

根據(jù)需求，閥門監(jiān)測單元需要采集閥門的開/合狀態(tài)和幾路模擬信號，其中閥門狀態(tài)采用紅外光電傳感器實現(xiàn)，采集的模擬信號包括油氣泄漏情況、罐體溫度、罐體傾斜度、油品液位、罐內(nèi)壓力等。其中，罐體溫度采樣使用Dallas 公司的4 只DS18B20 單線溫度傳感器實現(xiàn)，考慮到監(jiān)測單元省電運行的要求，溫度傳感器直接與安裝在駕駛室內(nèi)的車載終端連接，由車載終端供電，其他模擬信號接入監(jiān)測單元采集。

根據(jù)傳感器運行環(huán)境，傳感器由監(jiān)測單元供電，考慮到省電設計的要求，僅在采集數(shù)據(jù)時給傳感器供電。由于模擬信號的采集需要根據(jù)油罐車的實際情況配置，監(jiān)測單元需讀取模擬信號的配置狀態(tài)，決定是否啟動相應的模擬量信號采集。此外，信號感知采用小型低功耗傳感器。信號接入方案如圖2所示。

圖2 閥門監(jiān)測單元的信號接入方案

2 閥門監(jiān)測單元實現(xiàn)設計

根據(jù)以上解決方案，為了達成監(jiān)測單元省電運行的目的，考慮到閥門信息每1 min 刷新1 次即可滿足要求，數(shù)據(jù)采集的周期定為1 min，采集和發(fā)送任務完成之后CPU 立即進入睡眠狀態(tài)。為了喚醒CPU，采用1 min 定時中斷實現(xiàn)這一功能。此外，一旦發(fā)生電池電壓低的狀態(tài)，uP 電路也向CPU 提請中斷，提示更換電池。

2.1 RF無線射頻通信電路

閥門監(jiān)測單元電路設計的關鍵在于低功耗RF無線射頻通信的接口電路設計。在查閱防爆環(huán)境下無線通信的文獻之后[10,13-14]，選擇ATMEL 的AT86RF 230 實現(xiàn)這一通信接口。AT86RF230 采用SPI 接口與CPU 進行數(shù)據(jù)交換，并通過IRQ 信號向CPU 提請中斷，實現(xiàn)其與CPU 之間的信息交互。AT86RF230工作需要獨立的16 MHz 晶振驅(qū)動，依照AppNote 提供的參考電路，所設計的接口電路如圖3 所示。

圖3 RF無線通信接口的電路

圖3 中，AT86RF230通過信號RFP 和RFN 連接平衡電感，再接RF 天線座。

2.2 閥門狀態(tài)采集

閥門狀態(tài)采集采用紅外線光電傳感器實現(xiàn)。具體實現(xiàn)時，光源部分安裝在閥門沿口，閥門內(nèi)設置有導光、透光口，閥門閉合時，電路板上的光敏管與透光口、光源在一條直線上，光源正好照射到電路板上的光敏管；閥門打開時，光源照射不到光敏管。由此可見，當閥門閉合時，光敏管導通，否則截止，這樣就可以判斷閥門的開合狀態(tài)。閥門狀態(tài)感知電路如圖4所示。

圖4 閥門狀態(tài)感知電路

圖4 中，D11 導通時，采樣點接地，處于低電平，反之，D11 截止，光敏管的電阻為無窮大，采樣點處于高電平。為了實現(xiàn)對采樣點電平信號整形，采用LM393 比較器實現(xiàn)這一功能。電路中的R14電位計用于調(diào)節(jié)信號感知的靈敏度。

2.3 模擬信號接入

根據(jù)項目需求，閥門監(jiān)測單元最多需要采集4路模擬量，包括油氣濃度、油品液位、罐內(nèi)壓力和罐體傾斜角，具體接入模擬量的路數(shù)由油罐車實際情況確定，并通過跳線器（JP2）進行配置組態(tài)，以便監(jiān)測單元能判定其工作狀態(tài)。由于模擬量采集精度為5%F，Atmega1281 內(nèi)置的ADC 即可滿足要求，模擬信號接入電路如圖5 所示。信號接入時，為了防止外部強電、高壓信號竄入損壞CPU，這里采用D1和D9對輸入信號作鉗位處理。

圖5 模擬信號接入電路

為了達到模擬量輸入通道的省電運行目的，監(jiān)測單元要讀取模擬量通道的配置信息，并根據(jù)配置狀態(tài)決定是否采樣。也就是說，沒有配置的模擬通道不采集，以節(jié)省電源開銷。同時，傳感器僅在信號采集時接通電源，避免不必要的電能消耗。信號采集實驗發(fā)現(xiàn)，傳感器供電需要盡可能提前，如果采樣時供電，電路不充分供電會導致采集值比實際值偏低。為此，MCU 喚醒工作時，喚醒中斷服務執(zhí)行時就打開傳感器電源開關，盡量提前給傳感器供電。

另外，閥門監(jiān)測單元的信號傳感器由項目組定制，這些傳感器都采用3.3 V 供電，信號輸出范圍為0～3 V，以微功耗模式工作。

2.4 軟件運行流程

閥門監(jiān)測單元的軟件相對簡單，該文采用了前后臺模式的軟件架構，前臺主循環(huán)部分以查詢方式輪流對采集信息進行處理，后臺部分主要實現(xiàn)中斷服務功能，完成數(shù)據(jù)采集與通信任務。

后臺部分包括三個中斷服務程序，分別是1 min喚醒中斷、電池電壓低中斷和RF 電路的SPI 中斷。喚醒中斷服務主要實現(xiàn)兩個功能，分別是設置定時采樣標記和給傳感器供電。電池電壓低中斷設置電池告警標記，而SPI 中斷除實現(xiàn)SPI 驅(qū)動之外，在報文發(fā)送完成之后，設置RF 報文發(fā)送完成標記。

前臺主循環(huán)部分運行時，先檢測是否為1 min 采集標記，如果是，則設置DI 采集、AI 采集標記，再檢測電池電壓低標記、DI 采集標記、AI 采集標記，按標記實現(xiàn)對應的功能，并根據(jù)信息處理的結果生成事件信息，只要有新生成的事件信息，即設置RF 發(fā)送標記。主循環(huán)程序最后檢測RF 標記，向車載終端發(fā)送新生成的信息，最后關閉傳感器電源，CPU 進入睡眠狀態(tài)。主循環(huán)部分的程序框圖如圖6 所示。

圖6 前臺主循環(huán)程序框圖

圖6 中，省略部分包括電池電壓低標記、DI 采集標記、AI 采集標記的查詢處理。

3 實驗結果與分析

為了驗證所設計閥門監(jiān)測單元是否結合需求，在實驗室搭建環(huán)境對監(jiān)測單元的功能和性能參數(shù)進行了測試，主要包括數(shù)據(jù)采集、RF 通信。

實驗室搭建的測試環(huán)境包括車載物聯(lián)網(wǎng)后臺PC 服務器、物聯(lián)網(wǎng)終端和閥門監(jiān)測單元三部分，測試時可以通過PC 服務器軟件觀測閥門監(jiān)測單元采集的閥門狀態(tài)和模擬量參數(shù)的值，通過車載物聯(lián)網(wǎng)終端觀測監(jiān)測單元的RF 電路工作狀態(tài)，需要測試的狀態(tài)和參數(shù)通過閥門監(jiān)測單元接入。

1）RF 通信無障礙測試。閥門監(jiān)測單元和車載終端之間無遮擋通信，測試距離為30 m、60 m 時20次事件傳輸無誤，90 m 時20 次事件傳輸有一次傳輸失敗。

2）RF 通信有障礙測試。閥門監(jiān)測單元和車載終端之間隔墻通信，測試距離為20 m、40 m 時20次事件傳輸無誤，80 m 時20 次事件傳輸有一次傳輸失敗。

3）閥門狀態(tài)模擬測試。將紅外光源對準閥門透光孔，再用遮光板模擬閥門打開和閉合，在后臺系統(tǒng)觀測從監(jiān)測單元上報的閥門狀態(tài)變化事件。連續(xù)測試10 次，測試結果為全部正確。

3）模擬量采集精度測試。采用高精度直流標準源提供0 V、1 V、2 V、3 V 電壓，每個測點對每個測試值輪流測量五次，在后臺服務器上觀測監(jiān)測單元上報的采樣值，統(tǒng)計誤差的最大值。測試得到的最大絕對誤差為0.097 V，引用誤差為3.2%F。

根據(jù)以上測試結果，RF 通信、閥門狀態(tài)和模擬量參數(shù)采集等功能都滿足規(guī)范書要求。

4 結論

針對項目組車載物聯(lián)網(wǎng)項目研究開發(fā)的需求，文中完成了閥門監(jiān)測單元開發(fā)工作，設計時主要針對省電、防爆需求進行了精細考量，提出了基于電池供電、CPU 低功耗、RF 短距離低功耗運行的方案，實現(xiàn)了閥門開合狀態(tài)采集、4 路模擬信號采集的功能，信號采集接口設計時也充分考慮了省電、防爆的需求。在實驗室完成了RF 通信、閥門狀態(tài)采集和模擬量采集精度測試，都滿足預期要求。由于實驗室條件限制，沒有對閥門監(jiān)測單元的省電效果、防爆性能進行檢測，這些項目由委托單位負責實施。