客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賈俐俐，涂金龍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211188)

0 引言

節(jié)能監(jiān)測是政府推動(dòng)能源合理利用的一項(xiàng)重要手段。我國交通行業(yè)能源資源消耗較高，汽車消耗的汽油量約占汽油生產(chǎn)總量的90%，柴油消耗量約占柴油生產(chǎn)總量的20%。為了達(dá)到監(jiān)測車輛百噸公里油耗等諸多指標(biāo)的目的，需要測量的參量有車輛載重、油耗及行駛里程［1］?！吨腥A人民共和國能源節(jié)約法》明確規(guī)定，國務(wù)院有關(guān)交通運(yùn)輸主管部門要按照各自的職責(zé)負(fù)責(zé)全國交通運(yùn)輸相關(guān)領(lǐng)域的節(jié)能監(jiān)督管理工作，制定交通運(yùn)輸營運(yùn)車船的燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)，不符合標(biāo)準(zhǔn)的，不得用于營運(yùn)。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各地應(yīng)加強(qiáng)對客運(yùn)車輛燃料消耗量檢測和監(jiān)督管理，加快淘汰、更新高耗能的老舊營運(yùn)車輛。但迄今為止，我國客運(yùn)行業(yè)的能耗統(tǒng)計(jì)一直采用手工填寫統(tǒng)計(jì)報(bào)表的方式，不僅投入的人力物力大、數(shù)據(jù)誤差大，而且不能實(shí)時(shí)了解能耗情況。

目前有一些新型客車上使用了智慧運(yùn)營系統(tǒng)，對車輛技術(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了車輛故障遠(yuǎn)程診斷，保證了車輛正常技術(shù)狀態(tài)。系統(tǒng)能對駕駛員的不良駕駛行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，規(guī)范了駕駛操作，降低了安全隱患，控制了燃油消耗。通過對車輛運(yùn)行過程的綜合監(jiān)控與分析，輔之于車輛調(diào)整等技術(shù)措施，使車輛技術(shù)性能與運(yùn)行線路環(huán)境完美匹配。這種智慧運(yùn)營系統(tǒng)對節(jié)能減排工作有一定的促進(jìn)作用，但由于一般都沒有對客車載荷的檢測，無法與燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，因而不能提供管理部門所需要的能耗報(bào)表數(shù)據(jù)。針對有關(guān)問題，有研究人員在使用電容傳感器、應(yīng)變式電阻傳感器對車輛載重進(jìn)行檢測方面進(jìn)行了研究［2］。也有一些科研單位和運(yùn)輸企業(yè)使用了電子油耗檢測裝置。在測量汽車油耗時(shí)，針對汽油與柴油的不同特點(diǎn)，采用容積式油耗變送器測量汽油車、重量式油耗變送器測量柴油車的油耗［3］。這種裝置能測試平均油耗、瞬時(shí)油耗和累計(jì)油耗，并能用圖形方式顯示，但僅局限在車輛上顯示，并且由于缺少對客車載荷的檢測，因而行業(yè)管理部門和客運(yùn)企業(yè)不能及時(shí)準(zhǔn)確采集到有效數(shù)據(jù)，影響對車輛能耗效率的客觀評價(jià)。

1 客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由能耗數(shù)據(jù)采集裝置、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測軟件三部分組成，如圖1所示。其工作原理是：在每輛需要采集數(shù)據(jù)的客車上安裝能耗數(shù)據(jù)采集裝置及GPRS模塊，由數(shù)據(jù)采集裝置采集并處理客車的載客量、車速、消耗的燃油量等數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊將相關(guān)的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理與顯示裝置，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件分析處理后，實(shí)時(shí)顯示客車的能耗數(shù)據(jù)。

設(shè)置在監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理與顯示裝置主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、客戶端計(jì)算機(jī)、顯示器及打印機(jī)?？蛻舳擞?jì)算機(jī)中安裝有客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件，通過客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件提取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，以圖表形式顯示各客車能耗的數(shù)據(jù)，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢、自動(dòng)生成日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表的功能，通過對能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)與燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)的比較，給出客車能耗超標(biāo)的告警信息。由此可提升客車能耗統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測的數(shù)據(jù)品質(zhì)，并逐步建立覆蓋交通運(yùn)輸全行業(yè)的節(jié)能減排工作考核體系，完善車輛節(jié)能減排考核評價(jià)指標(biāo)和方法。

圖1 客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置組成

客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置包括電源、微控制器(MCU)、信號調(diào)理單元、乘客計(jì)數(shù)器、溫度及濕度傳感器、燃油流量傳感器、車速傳感器、指示單元、通信接口單元、計(jì)算機(jī)RS232接口、GPRS模塊接口，如圖2所示。

圖2 客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置原理圖

2.1 電源及微控制器

電源來自客車蓄電池，通過穩(wěn)壓，為數(shù)據(jù)采集裝置中的微控制器及相關(guān)電路提供穩(wěn)定的5 V及3.3 V直流電壓。

微控制器是客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置的核心，由高性能的C8051F410微控制器擔(dān)任，它具有12位200 ksps的ADC，32kB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口，4個(gè)通用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，6個(gè)捕捉/比較模塊和可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，具有片內(nèi)通電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，是能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，用C8051F410MCU設(shè)計(jì)的控制電路如圖3所示。

圖3 客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置微控制器電路圖

2.2 傳感器

為了計(jì)算客車的有效載荷，設(shè)計(jì)中采用乘客計(jì)數(shù)器對上下客車的人數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，作為對采集的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理的參數(shù)之一。

由于車輛的燃油消耗與溫度、濕度有關(guān)，在進(jìn)行較高精度的檢測時(shí)，要采用溫度及濕度傳感器檢測車輛運(yùn)行環(huán)境的溫度及濕度，并按照溫度及濕度參數(shù)對采集的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，而對于一般精度的測量數(shù)據(jù)分析，可以不使用溫度和濕度檢測。

根據(jù)柴油客車和汽油車的不同特點(diǎn)，使用合適的燃油流量傳感器和方法實(shí)時(shí)測量燃油的消耗量。

使用車速傳感器實(shí)時(shí)測量客車的運(yùn)行速度，據(jù)此可計(jì)算出客車的瞬時(shí)速度、平均速度、行駛里程。

2.3 信號調(diào)理

信號調(diào)理單元對來自燃油流量傳感器、車速傳感器、溫度及濕度傳感器的脈沖或模擬量信號進(jìn)行放大、濾波、波形整形、電平變換，供微控制器準(zhǔn)確讀取相關(guān)的信號，并且使數(shù)據(jù)采集裝置的總體性能和精度得到提高。

2.4 通信接口單元

RS232接口是計(jì)算機(jī)的一種串行通信接口，它與微控制器I/O口的電平不匹配，不能直接連接進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)用于客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置的雙串口RS232的通信信號電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，使用的集成電路 U4是MAX3222，通過該接口單元，可使微控制器與計(jì)算機(jī)、GPRS模塊方便地進(jìn)行連接。

C8051F410MCU的硬件UART0通過RS232電平轉(zhuǎn)換后與計(jì)算機(jī)的RS232接口相連，在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行與之配套的客車參數(shù)配置軟件后，配置客車的基本參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)和極限范圍。

圖4 雙串口RS232的通信信號電平轉(zhuǎn)換電路圖

對于 GPRS模塊，同樣是使用 RS232接口，由于C8051F410只有一個(gè)硬件UART串口，因此，設(shè)計(jì)中用2個(gè)I/O口通過軟件模擬一個(gè)UART串口(SW UART)，作為MCU的第二個(gè)串口。在實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件UART時(shí)，最重要的是在硬件占用和速度/效率之間權(quán)衡，使用較多硬件的設(shè)計(jì)可消耗較小的CPU帶寬，并允許較高的位速率，而C8051F410的PCA資源較豐富，所以，在模擬串口時(shí)，用PCA作為波特率發(fā)生器，減少軟件代碼。微控制器的SW UART用于連接GPRS模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

2.5 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的通信方式是智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，主要包括衛(wèi)星、廣播、有線網(wǎng)絡(luò)、GPRS等。相比而言，GPRS具有價(jià)格適中、雙向傳輸、通信距離長、終端可移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)［4］。遠(yuǎn)程監(jiān)測需要將采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心的服務(wù)器，因此，在本系統(tǒng)中，使用GPRS模塊與監(jiān)測中心進(jìn)行通信。

GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在原有的GSM網(wǎng)絡(luò)上增加SGSN(GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn))以及GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn))兩種數(shù)據(jù)交換結(jié)點(diǎn)設(shè)備，使得用戶在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)兼容電路型數(shù)據(jù)和分組交換數(shù)據(jù)，從而GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠和因特網(wǎng)互相連接。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示［5］。

圖5 GPRS無線分組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置通電時(shí)，GPRS模塊與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接成功后，MCU通過GPRS模塊將客車的基本參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，此后，實(shí)時(shí)地將所采集的客車運(yùn)行參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)處理與顯示裝置。

2.6 油耗的測量

一般研究認(rèn)為，影響汽車油耗的因素有30多種，概括起來主要是三大類，即汽車自身特性、道路交通條件和自然環(huán)境。汽車消耗燃料最根本的目的就是做功，因此做功的多少直接影響油耗的大小。在機(jī)動(dòng)車技術(shù)水平一定的情況下，機(jī)動(dòng)車的實(shí)際行駛特征(如速度、加速度大小及其分布)以及道路特征(如坡度)可以用一個(gè)參數(shù)來衡量，即機(jī)動(dòng)車比功率VSP，其表達(dá)式為［6］：

式中，VSP表示機(jī)動(dòng)車比功率，kW/t;v為速度，m/s;a為加速度，m/s2;G為道路坡度。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)車的單位油耗Q隨著VSP的增大而增大，呈一定的線性關(guān)系。在預(yù)測機(jī)動(dòng)車油耗的建模過程中，通過用一個(gè)參數(shù)來反映影響機(jī)動(dòng)車油耗的幾個(gè)因素，可以減少變量，簡化計(jì)算。

對于客車油耗的測量，有直接測量和間接測量兩種。直接測量可以用燃料流量測定法、滿油箱法以及利用油耗儀對汽車油耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。間接測量有燃料噴射量累計(jì)法、空燃比測定法和碳平衡法。碳平衡油耗計(jì)算法是目前國際上通行的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)車輛工況法油耗試驗(yàn)方法，即通過對汽車尾氣中CO2，CO，HC含量的取樣并進(jìn)行計(jì)算來得到燃油消耗量。由碳平衡原理得到的公式，在日本、美國、歐盟標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)中出現(xiàn)了不同的表現(xiàn)形式，并且隨著時(shí)間而修正。歐盟的柴油車百公里油耗的計(jì)算公式為：

式中，ρF為柴油密度，kg/m3;ECO2、ECO、EHC分別為排氣中CO2、CO、HC 的排放量，g/km。

雖然碳平衡法方法操作簡便，具有較好的測量精度，可以用于車輛油耗的快速不解體測量，但由于所需設(shè)備龐大、昂貴而復(fù)雜、不可攜帶［7］，因此，在客車能耗數(shù)據(jù)采集裝置中使用燃油流量傳感器測量燃油消耗量，再根據(jù)客車的運(yùn)行速度、行駛時(shí)間，計(jì)算出行駛里程和時(shí)間段內(nèi)的能耗量，相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心的服務(wù)器后，進(jìn)一步由監(jiān)測軟件根據(jù)客車的實(shí)際載客量及相關(guān)參數(shù)，對所計(jì)算的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，便可以得到較準(zhǔn)確的能耗效率數(shù)據(jù)。

2.7 主程序流程圖

用C51語言編寫微控制器的軟件，當(dāng)數(shù)據(jù)采集裝置上電時(shí)，MCU進(jìn)行初始化，通過內(nèi)部的交叉開關(guān)配置中斷及定時(shí)器、PCA等硬件資源，然后開始采集燃油耗、車速度、人數(shù)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算處理，將相關(guān)數(shù)據(jù)定時(shí)向監(jiān)測中心發(fā)送，主程序流程圖見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集裝置主程序流程圖

3 結(jié)語

客車能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)快速地采集客車運(yùn)營過程中的載客量、燃油消耗量、車速等信息，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的客車能耗數(shù)據(jù)分析、處理、評估，改變現(xiàn)行的由人工按月或年度填寫報(bào)表的統(tǒng)計(jì)方式，提高工作效率及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為管理部門對高能耗高污染車輛實(shí)施強(qiáng)制淘汰或報(bào)廢提供數(shù)據(jù)支持，也可供客運(yùn)企業(yè)作為內(nèi)部評估、決策的依據(jù)。

［1］雷玉常，江福，李小新.運(yùn)輸汽車車載油耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2011(03)：64-66.

［2］劉偉，朱瑞祥，黃勝，等.車輛載重檢測方法及載荷計(jì)量模型研究［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2011(01)：47-50.

［3］胥玥.基于汽車底盤測功器的車輛油耗檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(06)：413-416.

［4］龔耀，林小玲.GPRS與Winsock在智能交通監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2011(02)：29-31.

［5］劉國錦，劉新霞.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用［J］.信息化研究，2010(02)：1-3.

［6］賀新，王岐東，葉身斌.汽車油耗的測量與計(jì)算研究及其進(jìn)展［J］.北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(01)：32-37.

［7］祖力，王勁松，姜艷翠，等.用空燃比法檢測汽油發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的試驗(yàn)研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(09)：135-138.