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]設計了基于通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service,，GPRS)網(wǎng)絡的油罐車監(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,、碼分多址(Code Division Multiple Access,，CDMA)通信技術、射頻卡技術實現(xiàn)油罐車電子鉛封功能,，是比較先進的技術方案,。

    基于前人的設計,，本文提出以下技術改進：設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,，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

    系統(tǒng)的總體架構如圖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器,，服務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計

    油罐車的油閥通常為球閥,，手柄旋轉90°即可實現(xiàn)閥門的開啟與關閉。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構,，可相對轉動。手柄處于閥門關閉狀態(tài)時,，兩孔對中,。此時鎖舌從中穿過，則手柄不可轉動,，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構實現(xiàn)電子鎖功能,。另外還安裝了兩個微動開關檢測鎖舌位置,，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。

3 硬件設計

3.1 主板硬件設計

    主板硬件架構如圖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5 V、5 V轉3.3 V的電平轉換,，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(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。它的定位模塊能接收全球導航衛(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電平轉換。

3.2 從板硬件設計

    從板硬件架構圖如圖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輸入設置了按鈕S1與三極管Q1并聯(lián)的開關,。按下按鈕,，單片機上電后控制三極管導通,，完成相應鉛封動作后，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 軟件設計

4.1 主板軟件設計

    主板軟件設計如圖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器，并接收服務器應答,。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，直到在服務器上重新注冊后才能再次使用該卡,。

4.2 從板軟件設計

    操作人員在主板控制盒中插入解封卡,，然后在相應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。然后判斷閥門狀態(tài)與鉛封狀態(tài),。若閥門關且有鉛封,，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)相關管理及追責提供有力證據(jù),。

6 結論

    本文使用4G,、GNSS、ZigBee技術設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)絡的油罐車運營監(jiān)管系統(tǒng)設計[D].廈門：廈門大學,，2008.

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