0 引言

    近年來，成品油運輸行業(yè)發(fā)展迅速。但是因為缺乏有效監(jiān)管，出現(xiàn)了在運輸途中油品被偷盜的問題，給管理帶來困擾。為了進行高效的信息化管理，傳統(tǒng)鉛封正在被電子鉛封所取代。文獻[1]提出的油罐車防盜鎖系統(tǒng)由車載電子鎖與加油站解鎖器組成，改裝成本很高。文獻[2]設(shè)計了基于通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)網(wǎng)絡(luò)的油罐車監(jiān)管系統(tǒng)，但缺乏對車輛定位的功能。文獻[3]采用北斗定位技術(shù)、碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)通信技術(shù)、射頻卡技術(shù)實現(xiàn)油罐車電子鉛封功能，是比較先進的技術(shù)方案。

    基于前人的設(shè)計，本文提出以下技術(shù)改進：設(shè)計出一種可行的油閥改裝方案，實現(xiàn)自動施封功能, 以去除施封卡，保留解封卡；使用更先進的4G通信技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性；車內(nèi)組網(wǎng)變?yōu)樽戏洌╖igBee）無線通信，以防止線束被蓄意破壞，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)低功耗運行。這一套油罐車鉛封管理系統(tǒng)會比原來的系統(tǒng)更可靠安全，管理維護變得更簡單便捷。

1 總體架構(gòu)

    系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。油罐車的駕駛艙中安裝主板控制盒，進/出油口安裝從板控制盒。卸油時，操作人員使用射頻卡向主板發(fā)送解封請求，主板將當前經(jīng)緯度通過蜂窩移動通信方式上傳至服務(wù)器，服務(wù)器判斷位置合法性并回復主板請求。若位置合法，主板則通過ZigBee向從板發(fā)送指令，由從板執(zhí)行解封操作。連入因特網(wǎng)的電腦還可以安裝客戶端軟件，對油罐車進行管理。

2 球閥電子鉛封機械設(shè)計

    油罐車的油閥通常為球閥，手柄旋轉(zhuǎn)90°即可實現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉。為了安裝電子鉛封，需要對球閥進行如圖2所示的改裝。手柄轉(zhuǎn)軸處安裝角度傳感器，以檢測閥門狀態(tài)。手柄與閥體各自固連帶孔片狀結(jié)構(gòu)，可相對轉(zhuǎn)動。手柄處于閥門關(guān)閉狀態(tài)時，兩孔對中。此時鎖舌從中穿過，則手柄不可轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鉛封功能。從板控制盒中，使用減速直流電機與絲杠結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電子鎖功能。另外還安裝了兩個微動開關(guān)檢測鎖舌位置，以判斷鉛封狀態(tài)。同時檢測閥門與鉛封狀態(tài)是實現(xiàn)自動施封的基礎(chǔ)。

3 硬件設(shè)計

3.1 主板硬件設(shè)計

    主板硬件架構(gòu)如圖3所示。主芯片GD32F105是一款完全兼容STM32的國產(chǎn)芯片。它通過串口與ZigBee模塊ZICM2410、通信/定位模塊EC20、射頻卡讀卡模塊ZTL522相連；通過SPI接口與存儲器、屏幕相連；通過普通I/O口與人機交互模塊中的按鍵、指示燈、蜂鳴器相連。電源管理模塊使用車載24 V輸入，實現(xiàn)24 V轉(zhuǎn)5 V、5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換，并對各電壓進行監(jiān)控。

    EC20模塊集成了4G通信與衛(wèi)星定位功能。它的長期演進技術(shù)(Long Term Evolution，LTE)模塊擁有100 Mb/s下行速率與50 Mb/s上行速率，并在無3G/4G信號時仍能接入2G網(wǎng)絡(luò)。它的定位模塊能接收全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS)與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的定位信息，定位精度1.5 m。EC20模塊電路圖如圖4所示，它有3個天線：主天線、接收多樣性天線與衛(wèi)星定位天線。串口為1.8 V電平，故使用TXS0108PWR進行3.3 V與1.8 V電平轉(zhuǎn)換。

3.2 從板硬件設(shè)計

    從板硬件架構(gòu)圖如圖5所示。主芯片同樣選用GD32F105，它通過串口與ZigBee模塊相連，通過普通IO口與人機交互模塊中的指示燈、蜂鳴器相連。另外還有電源管理模塊與鉛封管理模塊。

    電源管理模塊中的充電電路如圖6所示。LM2576芯片將車載24 V輸入轉(zhuǎn)換為5 V。TP4054充電器使用5 V輸入為3.7 V鋰電池充電。電池3.7 V輸入設(shè)置了按鈕S1與三極管Q1并聯(lián)的開關(guān)。按下按鈕，單片機上電后控制三極管導通，完成相應(yīng)鉛封動作后，單片機控制三極管斷開，從而實現(xiàn)零功耗待機。從板日常為純電池工作，一次充電可維持一年以上。

    另外，使用HM1548B芯片將3.7 V升壓為5 V，給電機供電。使用CAT6219將5 V降壓為3.3 V，為主芯片等供電。

    從板鉛封管理電路如圖7所示。LG9110S為電機驅(qū)動芯片，有800 mA輸出能力。IA、IB為輸入信號，與主芯片相連。OA、OB為輸出信號，與電機相連。接地端串聯(lián)0.1 Ω采樣電阻，以檢測電機堵轉(zhuǎn)時的電流增加。閥門位置角度傳感器信號ANG與電機電流CUR作為模擬信號輸入到主芯片AD模塊中。檢測鎖舌位置的2個微動開關(guān)與4個ID電阻均采用簡單的接地檢測。ID0~ID2使用二進制，表示第1倉到第8倉(一般最多5倉)油罐，ID3表示為進油口還是出油口。

4 軟件設(shè)計

4.1 主板軟件設(shè)計

    主板軟件設(shè)計如圖8所示。主芯片在輪詢中檢查是否檢測到解封卡，以及是否收到從板解封請求。若二者皆為是，則判定為接收解封請求。信號正常時，通過蜂窩移動通信方式將當前地理位置上傳至服務(wù)器，并接收服務(wù)器應(yīng)答。若位置合法則向從板發(fā)送解封指令，若非法則報警。若遇到?jīng)]有信號的緊急情況，操作者需要使用超級解封卡。主板在沒信號且檢測到超級解封卡時執(zhí)行解封，并且保存相關(guān)數(shù)據(jù)待有信號時上傳。

    解封卡有普通卡與超級解封卡兩種。主板預先存儲一定數(shù)量的超級解封卡號，一旦使用則刪除該卡號，直到在服務(wù)器上重新注冊后才能再次使用該卡。

4.2 從板軟件設(shè)計

    操作人員在主板控制盒中插入解封卡，然后在相應(yīng)油口的從板控制盒按下電源按鈕。正常情況下，從板解封，操作人員手動打開球閥。裝油/卸油作業(yè)完成后，手動關(guān)閉球閥，再次按下從板電源按鈕，進行施封。

    因為只有解封卡沒有施封卡，故從板必須可以自動施封，其軟件流程如圖9所示。上電初始化后，首先導通三極管Q1閉合電源開關(guān)。然后判斷閥門狀態(tài)與鉛封狀態(tài)。若閥門關(guān)且有鉛封，則向主板發(fā)送解封請求。若閥門閉且無鉛封，則自動施封。最后向主板發(fā)送閥門狀態(tài)與鉛封狀態(tài)，再自行斷電。

5 測試結(jié)果

    上位機軟件使用Visual Basic編寫，界面如圖10所示。該軟件可以對油罐車進行信息查詢、發(fā)送施封/解封指令、查詢歷史數(shù)據(jù)，以及對車載終端、油站、解封卡進行注冊管理。 

    歷史數(shù)據(jù)查詢功能中可以生成各類報表。表1是某車隊疑點數(shù)據(jù)的節(jié)選。除了超速駕駛、疲勞駕駛以外，與油罐車密切相關(guān)的疑點事件主要有以下3種：在無信號地區(qū)使用超級解封卡、在非法地點試圖解封、在非法地點閥門開啟。報表中詳細列舉了事件類型、終端ID、時間與地點，為后續(xù)相關(guān)管理及追責提供有力證據(jù)。

6 結(jié)論

    本文使用4G、GNSS、ZigBee技術(shù)設(shè)計了油罐車電子鉛封系統(tǒng)。通過對球閥的機械改裝，使得同時檢測鉛封與閥門狀態(tài)成為可能，并在軟件上實現(xiàn)自動施封。從板的電源硬件設(shè)計為零功耗待機，使得該ZigBee節(jié)點可以用電池工作1年以上。另外還編寫了實用的上位機軟件，實現(xiàn)油罐車的實時管理與歷史數(shù)據(jù)查詢。

參考文獻

[1] 王明吉，李玉爽，曹文.油槽車防盜油電子密碼鎖控系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學報，2004(增刊)：836-839.

[2] 胡嘯.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的油罐車運營監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計[D].廈門：廈門大學，2008.

[3] 劉學江.油罐車輛電子鉛封系統(tǒng)設(shè)計[D].北京：北京航空航天大學，2013.