基于4G的油罐車電子鉛封系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 建，周文立

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.車路協(xié)同與安全控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

基于4G的油罐車電子鉛封系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 建1，2，周文立1，2

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.車路協(xié)同與安全控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

為了應(yīng)對(duì)油罐車運(yùn)輸油品失竊頻發(fā)的問題，設(shè)計(jì)了一種電子鉛封系統(tǒng)。安裝在油罐車上的主板可以將當(dāng)前地理位置通過4G技術(shù)上傳給服務(wù)器，若位置合法則控制從板進(jìn)行解封。球閥經(jīng)改裝可以檢測閥門與鉛封狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施封功能。主板采用集成4G與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的EC20模塊。主從板之間采用ZigBee無線通信，從板可以零功耗待機(jī)。結(jié)合上位機(jī)軟件，系統(tǒng)可以對(duì)油罐車進(jìn)行有效監(jiān)控管理。

油罐車；電子鉛封；電子鎖；4G技術(shù)；GNSS

0 引言

近年來，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題，給管理帶來困擾。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)比原來的系統(tǒng)更可靠安全，管理維護(hù)變得更簡單便捷。

圖1 電子鉛封總體架構(gòu)圖

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，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)檢測鎖舌位置，以判斷鉛封狀態(tài)。同時(shí)檢測閥門與鉛封狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)施封的基礎(chǔ)。

圖2 球閥電子鉛封機(jī)械圖

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(chǔ)器、屏幕相連；通過普通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。

圖3 主板硬件架構(gòu)圖

EC20模塊集成了4G通信與衛(wèi)星定位功能。它的長期演進(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 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。

圖4 主板EC20模塊電路圖

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，它通過串口與 ZigBee模塊相連，通過普通 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。

圖5 從板硬件架構(gòu)圖

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。

圖6 從板充電電路圖

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電阻均采用簡單的接地檢測。ID0~ID2使用二進(jìn)制，表示第1倉到第8倉(一般最多5倉)油罐，ID3表示為進(jìn)油口還是出油口。

圖7 從板鉛封管理電路圖

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。

圖8 主板軟件總體流程圖

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。

圖9 從板軟件總體流程圖

5 測試結(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。

圖10 油罐車電子鉛封系統(tǒng)上位機(jī)界面

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)。

表1 某車隊(duì)2016年4月疑點(diǎn)數(shù)據(jù)表（節(jié)選）

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)。通過對(duì)球閥的機(jī)械改裝，使得同時(shí)檢測鉛封與閥門狀態(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。

[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(xué)報(bào)，2004(增刊)：836-839.

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

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

Design of tank truck electronic seal system based on 4G technology

Wang Jian1，2，Zhou Wenli1，2
(1.Beihang University，Beijing 100191，China；2.Beijing Key Laboratory for Cooperative Vehicle Infrastructure Systems and Safety Control，Beijing 100191，China)

In order to prevent oil theft during tank truck transportation,an electronic seal system is proposed.The mainboard on the truck can upload the current location to the server through 4G technology.If location is valid,the mainboard will command the slave board to unlock.The ball valve is modified to collect the state of the valve and seal,as the basis for auto sealing function. The mainboard adopts EC20 module which combines 4G technology and Global Navigation Satellite System(GNSS).The main and slave board communicate through ZigBee and the slave board can stand by with zero power consumption.With the upper computer software,the system can manage the tank trucks effectively.

tank truck；electronic seal；electronic lock；4G technology；GNSS

U279.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.012

王建，周文立.基于4G的油罐車電子鉛封系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：49-51，55.

英文引用格式：Wang Jian，Zhou Wenli.Design of tank truck electronic seal system based on 4G technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：49-51，55.

2016-05-16）

王建（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、汽車電子。

國家自然科學(xué)基金（51405008）

周文立（1991-），女，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、汽車電子。