0 引言

    近年來(lái)，成品油運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速,。但是因?yàn)槿狈τ行ПO(jiān)管,，出現(xiàn)了在運(yùn)輸途中油品被偷盜的問(wèn)題，給管理帶來(lái)困擾,。為了進(jìn)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(xiàn)[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(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于通用分組無(wú)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(duì)車輛定位的功能,。文獻(xiàn)[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(shí)現(xiàn)油罐車電子鉛封功能,，是比較先進(jìn)的技術(shù)方案。

    基于前人的設(shè)計(jì),，本文提出以下技術(shù)改進(jìn)：設(shè)計(jì)出一種可行的油閥改裝方案,，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施封功能, 以去除施封卡，保留解封卡,；使用更先進(jìn)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(wú)線通信,，以防止線束被蓄意破壞,，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。這一套油罐車鉛封管理系統(tǒng)會(huì)比原來(lái)的系統(tǒng)更可靠安全,，管理維護(hù)變得更簡(jiǎn)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(jìn)/出油口安裝從板控制盒,。卸油時(shí)，操作人員使用射頻卡向主板發(fā)送解封請(qǐng)求,，主板將當(dāng)前經(jīng)緯度通過(guò)蜂窩移動(dòng)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(fù)主板請(qǐng)求。若位置合法,，主板則通過(guò)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(duì)油罐車進(jìn)行管理,。

2 球閥電子鉛封機(jī)械設(shè)計(jì)

    油罐車的油閥通常為球閥，手柄旋轉(zhuǎn)90°即可實(shí)現(xiàn)閥門的開啟與關(guān)閉,。為了安裝電子鉛封,，需要對(duì)球閥進(jìn)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(cè)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),。手柄處于閥門關(guān)閉狀態(tài)時(shí),，兩孔對(duì)中。此時(shí)鎖舌從中穿過(guò),，則手柄不可轉(zhuǎn)動(dòng),，實(shí)現(xiàn)鉛封功能,。從板控制盒中，使用減速直流電機(jī)與絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子鎖功能,。另外還安裝了兩個(gè)微動(dòng)開關(guān)檢測(cè)鎖舌位置,，以判斷鉛封狀態(tài)。同時(shí)檢測(cè)閥門與鉛封狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施封的基礎(chǔ),。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主板硬件設(shè)計(jì)

    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(guó)產(chǎn)芯片。它通過(guò)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(guò)SPI接口與存儲(chǔ)器,、屏幕相連,；通過(guò)普通I/O口與人機(jī)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(shí)現(xiàn)24 V轉(zhuǎn)5 V,、5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換,，并對(duì)各電壓進(jìn)行監(jiān)控。

    EC20模塊集成了4G通信與衛(wèi)星定位功能,。它的長(zhǎng)期演進(jìn)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(wú)3G/4G信號(hào)時(shí)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(gè)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(jìn)行3.3 V與1.8 V電平轉(zhuǎn)換,。

3.2 從板硬件設(shè)計(jì)

    從板硬件架構(gòu)圖如圖5所示。主芯片同樣選用GD32F105,，它通過(guò)串口與ZigBee模塊相連,，通過(guò)普通IO口與人機(jī)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(jī)上電后控制三極管導(dǎo)通,，完成相應(yīng)鉛封動(dòng)作后,，單片機(jī)控制三極管斷開，從而實(shí)現(xiàn)零功耗待機(jī),。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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,，有800 mA輸出能力,。IA、IB為輸入信號(hào),，與主芯片相連,。OA、OB為輸出信號(hào),，與電機(jī)相連,。接地端串聯(lián)0.1 Ω采樣電阻，以檢測(cè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)的電流增加,。閥門位置角度傳感器信號(hào)ANG與電機(jī)電流CUR作為模擬信號(hào)輸入到主芯片AD模塊中,。檢測(cè)鎖舌位置的2個(gè)微動(dòng)開關(guān)與4個(gè)ID電阻均采用簡(jiǎn)單的接地檢測(cè)。ID0~ID2使用二進(jìn)制,，表示第1倉(cāng)到第8倉(cāng)(一般最多5倉(cāng))油罐,，ID3表示為進(jìn)油口還是出油口。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主板軟件設(shè)計(jì)

    主板軟件設(shè)計(jì)如圖8所示,。主芯片在輪詢中檢查是否檢測(cè)到解封卡,，以及是否收到從板解封請(qǐng)求。若二者皆為是,，則判定為接收解封請(qǐng)求,。信號(hào)正常時(shí)，通過(guò)蜂窩移動(dòng)通信方式將當(dāng)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(bào)警。若遇到?jīng)]有信號(hào)的緊急情況,，操作者需要使用超級(jí)解封卡,。主板在沒信號(hào)且檢測(cè)到超級(jí)解封卡時(shí)執(zhí)行解封，并且保存相關(guān)數(shù)據(jù)待有信號(hào)時(shí)上傳,。

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

4.2 從板軟件設(shè)計(jì)

    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(dòng)打開球閥,。裝油/卸油作業(yè)完成后,，手動(dòng)關(guān)閉球閥，再次按下從板電源按鈕,，進(jìn)行施封,。

    因?yàn)橹挥薪夥饪]有施封卡，故從板必須可以自動(dòng)施封,，其軟件流程如圖9所示,。上電初始化后，首先導(dǎo)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(qǐng)求,。若閥門閉且無(wú)鉛封,，則自動(dòng)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(cè)試結(jié)果

    上位機(jī)軟件使用Visual Basic編寫，界面如圖10所示,。該軟件可以對(duì)油罐車進(jìn)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(duì)車載終端、油站,、解封卡進(jìn)行注冊(cè)管理,。 

    歷史數(shù)據(jù)查詢功能中可以生成各類報(bào)表,。表1是某車隊(duì)疑點(diǎn)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(diǎn)事件主要有以下3種：在無(wú)信號(hào)地區(qū)使用超級(jí)解封卡、在非法地點(diǎn)試圖解封,、在非法地點(diǎn)閥門開啟,。報(bào)表中詳細(xì)列舉了事件類型、終端ID,、時(shí)間與地點(diǎn),，為后續(xù)相關(guān)管理及追責(zé)提供有力證據(jù)。

6 結(jié)論

    本文使用4G,、GNSS,、ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了油罐車電子鉛封系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)球閥的機(jī)械改裝,，使得同時(shí)檢測(cè)鉛封與閥門狀態(tài)成為可能,，并在軟件上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施封。從板的電源硬件設(shè)計(jì)為零功耗待機(jī),，使得該ZigBee節(jié)點(diǎn)可以用電池工作1年以上,。另外還編寫了實(shí)用的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)油罐車的實(shí)時(shí)管理與歷史數(shù)據(jù)查詢,。

參考文獻(xiàn)

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