中重型貨車(chē)燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

毛理想,常 明,潘 澤,張 坤,于 洋

(1.山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州 253034; 2.泰安航天特種車(chē)有限公司,山東 泰安 271000;3.昆易電子科技(上海)有限公司,上海 201499)

0 引言

中重型貨車(chē)行駛中,如果因燃油箱自身缺陷或外部因素影響而發(fā)生燃油泄露事件且沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)將造成不必要的損失,帶來(lái)極大的交通安全隱患。近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速,我國(guó)貨車(chē)燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)有了很大進(jìn)步。王襄[1]提出一款商用車(chē)防盜油報(bào)警設(shè)計(jì),此裝置由微處理器、油位傳感器接口電路、點(diǎn)火鎖接口、報(bào)警模塊等組成,當(dāng)停車(chē)時(shí)有人接近油箱不離開(kāi)或微處理器檢測(cè)到油位變化時(shí),車(chē)內(nèi)將報(bào)警提醒,外部高音喇叭發(fā)出報(bào)警,提醒司乘人員防范燃油被盜。

以一汽解放J6 P牽引車(chē)的燃油箱為研究對(duì)象,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),對(duì)燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),以有效防止貨車(chē)行駛時(shí)發(fā)生燃油泄露及被盜事件。

中重型貨車(chē)燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的研究主要包括以下幾個(gè)方面:①燃油箱的使用情況。對(duì)燃油箱布置情況及燃油異常減少的原因進(jìn)行分析。②總體方案設(shè)計(jì)。根據(jù)燃油異常減少情況設(shè)計(jì)檢測(cè)、控制及預(yù)警方案。③物理模型設(shè)計(jì)。根據(jù)總體方案選用傳感器,確定最優(yōu)的電路硬件,基于Keil軟件編寫(xiě)STM32單片機(jī)程序語(yǔ)言,完成系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)。④模型實(shí)驗(yàn)。在檢查電路連接準(zhǔn)確無(wú)誤后進(jìn)行程序嵌入,通過(guò)模擬外界不同的傳感器信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)、控制及預(yù)警功能實(shí)現(xiàn)的可行性。

1 中重型貨車(chē)燃油箱的使用情況

①燃油箱的布置位置。以一汽解放J6P牽引車(chē)為研究對(duì)象,采用800 L+500 L雙油箱設(shè)計(jì),總?cè)萘窟_(dá)1300 L。燃油箱安裝在車(chē)身兩側(cè),位于貨車(chē)車(chē)身中下部,體積較大,燃油添加口裸露在外,離地高度大約1 m左右。②燃油箱材質(zhì)。貨車(chē)燃油箱的材質(zhì)主要有鋁質(zhì)油箱、鐵制油箱及塑料油箱。塑料燃油箱一般裝在高端貨車(chē)上,具有重量輕、耐腐蝕性能好、造型隨意、使用壽命長(zhǎng)、安全性高、生產(chǎn)成本低、加工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[2]。

根據(jù)貨車(chē)司機(jī)的反映,車(chē)輛由于經(jīng)常在復(fù)雜的路況下行駛,燃油箱外側(cè)會(huì)受到來(lái)自地面的振動(dòng),長(zhǎng)此以往,不可避免地造成金屬零件磨損,燃油箱出現(xiàn)裂紋老化等情況,從而發(fā)生燃油泄露,導(dǎo)致燃油異常減少。中重型貨車(chē)處于停車(chē)狀態(tài)時(shí),由于燃油箱完全裸露在外且沒(méi)有有效的保護(hù)裝置,故燃油經(jīng)常在高速服務(wù)區(qū)或其他停車(chē)區(qū)被盜。

針對(duì)上述問(wèn)題,如果只簡(jiǎn)單地采用增加材料厚度的方法進(jìn)行燃油箱加固將造成整個(gè)燃油箱質(zhì)量增加,不符合現(xiàn)代汽車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)理念,無(wú)法從根本解決問(wèn)題。如采用更換材料的方法,高昂的成本也難以被市場(chǎng)接受[3]。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),在不改變?cè)加拖涞幕A(chǔ)上利用智能控制技術(shù),可解決燃油異常減少問(wèn)題。

2 總體方案設(shè)計(jì)

燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、預(yù)警模塊、電源模塊及紅外高清攝像頭等。總體設(shè)計(jì)方案圖如1所示。預(yù)警模塊分為蜂鳴器現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警與GSM網(wǎng)絡(luò)通信預(yù)警,預(yù)警采用分級(jí)報(bào)警模式。預(yù)警原理如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

圖2 分級(jí)預(yù)警模式工作原理

油位傳感器用于實(shí)時(shí)獲取燃油的液位高度,振動(dòng)傳感器用于檢測(cè)燃油箱是否存在人為破壞的威脅。雷達(dá)測(cè)距儀用于感應(yīng)油箱附近是否有人靠近,如果感應(yīng)到有人靠近,蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)。微處理器用于綜合處理分析各傳感器數(shù)據(jù),從而控制預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)警。分級(jí)預(yù)警工作流程如下:微處理器只接收到雷達(dá)測(cè)距儀信號(hào)時(shí),蜂鳴器進(jìn)行蜂鳴預(yù)警,并于15 s后自動(dòng)關(guān)閉。微處理器同時(shí)接收到雷達(dá)測(cè)距儀、油位傳感器、振動(dòng)傳感器3個(gè)信號(hào)時(shí),蜂鳴器持續(xù)發(fā)出警報(bào),控制攝像頭開(kāi)始攝像,并對(duì)拍攝視頻保存?zhèn)浞?通過(guò)GPRS模塊,利用GSM協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行電話報(bào)警,以打電話和發(fā)短信的形式告知車(chē)主。

3 物理模型設(shè)計(jì)

3.1 燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊包括油位傳感器、振動(dòng)傳感器、接近預(yù)警器等,用于實(shí)時(shí)檢測(cè)燃油箱內(nèi)燃油是否處于正常使用狀態(tài),所有元器件均可依據(jù)型號(hào)購(gòu)買(mǎi)或定制。選用基于光學(xué)原理設(shè)計(jì)的接觸式光電液位傳感器,型號(hào)為FS-IR02,工作電壓5 V,工作電流小于12 mA,低電平輸出小于0.1 V,高電平輸出大于4.6 V,接口為XH2.54。選用基于壓電陶瓷片的振動(dòng)傳感器,工作電壓5.0V,接口類型為AD/DO接口,ADO輸出,當(dāng)壓電陶瓷片振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電信號(hào),振動(dòng)電信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與振動(dòng)相關(guān)的交互式工作[4]。接近預(yù)警器由雷達(dá)測(cè)距儀及蜂鳴器兩部分構(gòu)成,雷達(dá)測(cè)距儀采用AJ-SR04M毫米波雷達(dá)測(cè)距模塊,工作電壓3.0～5.5 V,最遠(yuǎn)射程600 cm,分辨率1 mm。蜂鳴器采用3 V電磁式蜂鳴器,驅(qū)動(dòng)模塊采用S8850三極管驅(qū)動(dòng),接線方式為VCC外接與GND外接。

3.2 微處理器的選型

選擇STM32F103C8T6開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)的控制模塊。這是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的微控制器,最高工作頻率72 MHz,64 K閃存程序儲(chǔ)存器,具有體積小、運(yùn)算快、低功耗等特點(diǎn)。

3.3 供電模塊的選型

供電模塊選用5 V 1 A 1500型號(hào)的鋰電池包,標(biāo)準(zhǔn)電壓為5.5 V,標(biāo)定容量為1500 mAh,可循環(huán)使用500次,具有電路過(guò)載保護(hù)機(jī)制,可有效保護(hù)設(shè)備電路不被損壞。

3.4 攝像頭模塊

采用OC7670圖像傳感器,具有高靈敏度、體積小、工作電壓低等特點(diǎn),通過(guò)SSCB總線控制,可輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影響數(shù)據(jù),輸入電源電壓為3 V,具有自動(dòng)曝光補(bǔ)償、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)消除燈光條紋、自動(dòng)黑電平校準(zhǔn)等功能[5]。

3.5 預(yù)警模塊的設(shè)計(jì)

選擇E16V嵌入式GPRS模塊作為通信預(yù)警模塊,支持中英文短信配置,支持MQTT標(biāo)椎協(xié)議,支持LBS基站定位,在獲取GPRS模塊附近基站位置后實(shí)現(xiàn)LBS定位功能及用戶設(shè)備地區(qū)化管理。

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警模塊由蜂鳴器與擴(kuò)音器組成,蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲,擴(kuò)音器將蜂鳴器發(fā)出的聲音進(jìn)行擴(kuò)大發(fā)出,令駕駛員更容易發(fā)現(xiàn)這一情況。

4 程序設(shè)計(jì)

基于Keil平臺(tái)進(jìn)行STM32單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì),包括燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊與預(yù)警模塊的程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示,程序設(shè)計(jì)代碼如圖4所示,掃描二維碼可查看系統(tǒng)程序。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程

圖4 燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)代碼

燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊主要完成STM32單片機(jī)與各傳感器信息交互的控制程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)燃油數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集及分析處理功能。

預(yù)警模塊是利用STM32單片機(jī)與GSM通信模塊的相互配合完成網(wǎng)絡(luò)預(yù)警。

燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊是預(yù)警模塊的觸發(fā)條件,二者存在先后因果關(guān)系,當(dāng)燃油數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊判斷燃油箱內(nèi)的燃油出現(xiàn)異常減少時(shí),預(yù)警模塊會(huì)被觸發(fā),蜂鳴器發(fā)出警報(bào),GSM通信模塊打電話及發(fā)短信告知車(chē)主,如果是停車(chē)狀態(tài),攝像頭會(huì)開(kāi)啟錄像功能。

5 物理實(shí)驗(yàn)

5.1 物理模型的制作

確定各部件的安裝位置及尺寸大小,基于Solidworks完成三維模型設(shè)計(jì),根據(jù)三維裝配圖完成物理模型制作,如圖5所示。

圖5 燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的物理模型

5.2 油箱模型的密封性測(cè)試

油箱模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前應(yīng)驗(yàn)證模型油箱的密封性,避免人為造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差,具體檢測(cè)方法為:在模型燃油箱中裝滿水(用水代替燃油),靜置2 min,觀察液面是否下降,如果沒(méi)有下降或下降不明顯,證明其密封性良好。

5.3 電源模塊的測(cè)試

檢查各電路連接部位是否存在虛接情況,避免造成電路損壞。使用萬(wàn)用表測(cè)試電源模塊輸出電壓是否在正常范圍,讀數(shù)在5.0～5.8 V則證明電源模塊輸出電壓正常,在確定準(zhǔn)確無(wú)誤的情況下接通供電模塊電源,觀察各電路元件是否都正常工作。

5.4 各傳感器的功能測(cè)試

油位傳感器測(cè)試:打開(kāi)抽水泵開(kāi)關(guān),模型燃油箱內(nèi)的液面下降,模擬油箱內(nèi)的燃油異常減少,觀察液面下降高度,驗(yàn)證油位傳感器是否達(dá)到預(yù)期效果,設(shè)定液面下降1 cm發(fā)出報(bào)警信號(hào),觀察到液面下降1 cm時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào),油位傳感器正常工作。

毫米波雷達(dá)測(cè)試:測(cè)試人員從距離雷達(dá)2 m處慢慢靠近油箱模型,觀察距離毫米波雷達(dá)1.5 m時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲,毫米波雷達(dá)正常工作。毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍設(shè)定為0～1.5 m。

振動(dòng)傳感器測(cè)試:振動(dòng)速度設(shè)定范圍為0～3 mm。用手指敲擊模擬燃油箱壁,觀察振動(dòng)傳感器是否檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào),如果蜂鳴器發(fā)出警報(bào),證明振動(dòng)傳感器檢測(cè)與發(fā)送信號(hào)功能正常。

5.5 通信模塊測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要通過(guò)GSM通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,網(wǎng)絡(luò)預(yù)警執(zhí)行與否取決于STM32單片機(jī)對(duì)燃油數(shù)據(jù)的分析判斷。主從機(jī)建立連接后,滿足振動(dòng)信號(hào)、液位下降信號(hào)、雷達(dá)測(cè)距信號(hào),觀察在此條件下是否給提前設(shè)定的號(hào)碼發(fā)出短信及通信電話,如果是則證明通信模塊正常。

5.6 蜂鳴器預(yù)警測(cè)試

STM32單片機(jī)在分析處理各傳感器采集的數(shù)據(jù)后,若判斷燃油存在被盜可能時(shí),向蜂鳴器發(fā)送工作指令,若蜂鳴器發(fā)出警報(bào),則測(cè)試完成,并測(cè)試蜂鳴器的最大音量。但考慮到重型貨車(chē)的應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計(jì)增加擴(kuò)音器,可對(duì)蜂鳴器聲音進(jìn)行放大,以起到更好的預(yù)警功能。

5.7 紅外高清攝像頭錄像測(cè)試

系統(tǒng)供電,在燃油箱模型中裝滿水進(jìn)行輕微敲擊,模擬產(chǎn)生振動(dòng),打開(kāi)抽水泵開(kāi)關(guān),模型燃油箱內(nèi)的液面下降,模擬燃油量異常減少,此時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲,觀察攝像頭是否正常工作,等待蜂鳴器停止峰鳴后關(guān)閉系統(tǒng),取下儲(chǔ)存卡,檢查錄像是否正常播放。

5.8 整體功能測(cè)試

整體功能測(cè)試主要包括燃油箱內(nèi)的燃油量減少快慢、燃油箱振動(dòng)幅度、紅外雷達(dá)感應(yīng)距離、蜂鳴器是否發(fā)出蜂鳴聲、GSM模塊打電話及發(fā)短信給指定聯(lián)系人等部分。每部分測(cè)試不少于5次,記錄實(shí)際數(shù)據(jù),以保證運(yùn)行測(cè)試的準(zhǔn)確性。整體功能測(cè)試視頻如圖6所示,掃描二維碼可查看視頻。

圖6 燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)模型的功能測(cè)試視頻

模型實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)有人靠近燃油箱時(shí),蜂鳴器發(fā)出警報(bào),對(duì)不法分子起到警示作用,警報(bào)時(shí)長(zhǎng)15 s。當(dāng)油箱振動(dòng)時(shí),蜂鳴器將警報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)至30 s,水泵模擬偷油過(guò)程。當(dāng)油箱液位快速下降時(shí),STM32單片機(jī)控制GSM通信模塊向車(chē)主撥打電話提示燃油被盜,攝像頭錄制現(xiàn)場(chǎng)視頻并進(jìn)行存儲(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于現(xiàn)代智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),采用STM32單片機(jī)作為主控芯片,結(jié)合毫米波雷達(dá)傳感器、GMS網(wǎng)絡(luò)通信、壓電式振動(dòng)傳感器、毫米級(jí)超聲波液位傳感器及紅外高清攝像頭等裝置,完成了燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性及合理性,功能測(cè)試達(dá)到預(yù)期效果,在一定程度上避免了交通事故的發(fā)生,減少了經(jīng)濟(jì)損失,解決了車(chē)輛正常行駛時(shí)的燃油泄漏問(wèn)題及靜止時(shí)的防燃油偷竊問(wèn)題。