汽車油耗實時監控系統的關鍵技術

摘要:汽車油料監控系統可方便地對汽車油料使用過程進行實時監控。該系統從設計上可分為油量數據采集器、無線射頻抄表器和PC機軟件三個部分。結合了數據采集、數據存儲、無線射頻抄表三個關鍵技術，實現了實時記錄汽車油耗，通過無線射頻方式抄表并上傳至PC機，由配套業務管理軟件分析數據并進行績效管理。

關鍵詞:單片機;數據采集; A/D轉換;存儲器;無線射頻通信

中圖分類號: TP273文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-9077-03

The Key Technologies of Vehicle Fuel Monitoring System

ZHANG Shuang， WANG Jian， ZHAO Rong-yong

(CIMS Centre Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract: Vehicle fuel monitoring system can be easily used on real-time monitoring of car fuel process. The design of this system is divided into three parts: oil data collection， wireless meter reading instrument and PC part. Combine with three key technologies of data collection， data storage， wireless radio frequency meter reading. To achieve a real-time record of vehicle fuel consumption， pick up the data from collector through Wireless meter reading instrument， then upload to the PC to analyse data and management.

Key words: single-chip;data collection; A/D conversion ; Memory; Wireless RF Communications communication

隨著不可再生資源石油的消耗不斷增加，汽油柴油價格呈現不斷上升趨勢，汽車油料消耗在運輸成本中的比重也日益增大，同時油料的非正常消耗的現象也隨著油價的上漲而愈演愈烈。其形式多樣，且企業目前尚無有效的監控方式和技術手段，給企業造成了不必要的經濟損失。

因此企業管理者迫切需要一種實時的油耗監控儀器，能夠在不改變汽車構造、不更換任何配件且不影響車輛任何操作和功能的基礎上，全程實時監控車輛燃油消耗，確定實際加油量和非正常消耗的時間與數量，有利于管理人員對油料消耗的有效管理。

1 系統概述

經過調研，目前市場上的主流產品多采用USB或COM口等有線方式連接采集器和PC機，然而當今物流企業的大型運輸車隊為了提高運營效率，節省運營成本，均為短時停車，約5到10分鐘。因此如果采用上述方式，會大大降低企業運營效率，而且由于經常插拔儀器，容易造成接口處老化磨損，降低系統的使用壽命。基于此，本文介紹的汽車油料監控系統分為油量數據采集器、手持無線抄表器及PC機配套的燃油績效管理軟件三部分，系統結構如圖1所示，無線抄表器作為中間媒介可實現短時遠距離抄表，抄表時間只需5到20秒(依數據多少而定)。

油量數據采集器加裝在大型運輸車輛上實時記錄車輛在行駛過程中的燃油消耗狀況，管理者可通過手持無線抄表器讀取采集器中記錄的數據，并通過串口通信上傳至PC機，由配套的燃油績效管理軟件對數據按照規定的數據格式進行相應的處理得到車輛行駛過程中的油耗使用曲線，從而分析出燃油是否正常消耗，若存在非正常消耗可進一步捕捉非正常油料消耗的數量及時間段，為管理人員進行績效管理提供技術手段。

2 數據采集與數據存儲

2.1 數據采集

本系統在汽車行駛過程中由油量采集器實時記錄汽車油耗，數據采集的采樣周期由時鐘芯片ISL1208輸出的外部中斷控制，該芯片有強大的報警功能，能夠被設置成任意的時鐘/日歷值，與報警相匹配。本系統將ISL1208設置成每3分鐘報警一次，即輸出一個下降沿引發外部中斷，89C51響應外部中斷，實現汽車油量數據采樣及時鐘數據的采集。

由于油量信號響應速度相對比較緩慢，難免會有各種干擾竄入，因此本設計中采用如圖2所示的A/D轉換電路，其中R1起到電流保護作用，防止電流過大燒壞器件，R1與C2組成低頻濾波電路，D1和D2起過壓保護作用。處理后的電壓信號經由ADC0831進行A/D轉換，該芯片為串行A/D轉換芯片，采用逐次逼近式轉換結構。與單片機89C51接口時只需CS、 CLK、DO、三根線，其中CS為片選信號，由P3.5引腳控制，低電平有效;CLK為時鐘信號，DO為A/D轉換數據串行輸出。

89C51由軟件模擬ADC0831時序，讀入經A/D轉換后的數字值放在寄存器A中，油量采集器的軟件設計是由MCS-51匯編語言開發完成，讀入樣值子程序如下:

ADC0831:MOV R7，#08H

SETB DO

NOP

CLR CS

CLR CLK

CLR C

CLR A

ADC:MOV C，DO ;循環8次讀取位數據

RLC A

SETB CLK

NOP

CLR CLK

DJNZ R7，ADC

SETB CS

RET

2.2 數據存儲

儀器采集來的數據需記錄在存儲器中，以備PC機分析處理。因此數據存儲是油量采集器的一個關鍵技術，在系統中起到至關重要的作用。設計采用存儲器CAT24WC64，該存儲器是一個64K位串行CMOSE2PROM，內部含有8192個字節，支持I2C總線數據傳輸協議。由于本系統要對汽車行駛過程中的油耗實時記錄，因此每次采樣時的樣值與此時對應的時鐘值均應記錄在存儲器中，出于降低儀器成本和減少儀器體積的考慮，在能滿足用戶需求的情況下盡量減少存儲器的數量。因此為了節省存儲器的存儲空間，數據按照圖3所示方式進行數據存儲。即上電第一次采樣后按照分、時、日、月、年、樣值的順序寫入存儲器，而之后的采樣數據按照樣值、分、時、日、月、年的順序寫入，這樣就可以保證存儲器中的數據格式為上電時間+樣值+…+樣值+儀器斷電前最后一次采樣的時間，這樣可大大提高存儲器的利用率。

另外，為了PC機上與之配套的績效管理軟件能夠識別存儲器中的數據類型，在將數據寫入存儲器之前對各類數據做了相應的標識，例如將每個BCD碼時鐘值轉換為八位二進制數，然后將其前3位用來做數據標識，用000到100分別標識分、時、日、月、年，樣值不做標識。

3 無線射頻通信

3.1 無線射頻通信在本系統中的應用

由于燃油采集器加裝在大型運輸車輛上，若經常裝卸讀取數據會造成很大的不便，為此，設計一套手持無線抄表系統通過無線射頻方式對采集器定期進行數據采集，設置采集器的時鐘，清除采集器的存儲器。

由于無線抄表的三個主要功能均依賴于無線傳輸，要實現上述功能，需油量采集器和抄表器上均具無線射頻傳輸模塊，因此無線傳輸模塊是本系統的重要組成部分。無線傳輸的性能決定了整個系統的可靠性，因此，采用以nRF401為核心的PTR2000模塊。該模塊采用433.92MHz和 434.33MHz兩個工作頻段，不必考慮電磁干擾問題，而且支持19.2k的高速工作，數據傳輸時間很短，距離長，可以與單片機直接串行通信。引腳排列如圖5所示。

對PTR2000的工作模式和工作頻道的選擇尤為重要，PTR2000在發送數據之前，應先將模塊置于發送狀態，即TXEN引腳置1;然后再延時至少5ms后(接收與發射之間的最低轉換時間)才可發送任意長度的數據。發送結束后應將模塊置于接收狀態，即TXEN為0，此時也需要延時至少5ms。接收數據時應將PTR2000置于接收狀態，接收到的數據直接送入單片機串口。當PWR為0時，PTR2000進入節電待機模式。待機模式下既不能接收數據也不能發送數據。

3.2 通信協議

由于無線收發模塊的特點，除注意發送、接收和待機的編程外，還應特別注意通信協議的制定及糾錯的處理。無信號時，PTR2000串口輸出的是隨機數據，所以協議的第一件事就是能夠識別噪聲和有效數據。通過測試發現，0FFH后跟一個00H的噪聲出現幾率相當小，因此，單片機發送數據的開始應該以一組或幾組0FFH跟一個00H作為通信的起始位。而接收協議規定以0FFH后跟一個00H開始的包。而且，為了0FFH和00H的準確接收，制定協議時可在一組0FFH+00H數據前加2個(或多個)字節的固定標志，這樣傳輸會更加穩定。 另一點需要注意的問題是糾錯，本系統采用的是累加和校驗方式，若校驗出錯，從機會向主機發送一個固定字節數據，通知主機重新發送。

設計一套滿足抄表要求的抄表器(主機)與采集器(從機)之間的通信協議:按串行方式3、波特率9600bit/s、累加和校驗的串行方式進行通信。數據幀的幀結構表1所示。

主機置PTR2000為發送狀態，發送指令數據幀“AAH+BBH+FFH+00H+7EH +表號+命令”，其中AAH+BBH是為了防止雜波信號的干擾，確保數據幀幀頭“FFH+00H+7EH”的正常接收。從機收到數據幀后，先判斷是否為本機編號，再根據不同的指令進行相應的操作。操作完成后采集器置PTR2000為接收狀態，以便下一輪工作。

4 PC機汽車油耗績效管理系統

本系統采用C#語言設計，包括如下功能:與抄表器進行通信，存儲數據建立數據庫，數據表格顯示，數據曲線顯示等。

通訊功能由Visual C# 2005里的serialPort類來實現的，首先打開通信端口，再設置通信的波特率等參數。本系統設置通信口波特率為2400bps、無奇偶校驗位，8位數據位，1位停止位。設置程序代碼如下:

this.serialPort1.BaudRate=Convert.ToInt32 (2400); //設置波特率

this.serialPort1.Parity=Parity.None; //設置為無奇偶校驗

this.serialPort1.DataBits=8; //設置每個字節的標準數據位長度為8

this.serialPort1.StopBits=StopBits.One; //設置為一位停止位

對串口的讀寫操作通過執行SerialPort.Read()或SerialPort.Write()來實現的。接收到的數據存入數據庫文件中，數據庫采用Microsoft Access數據庫。軟件根據既定數據格式對數據進行分析處理，出曲線圖，管理者通過分析曲線圖可得知汽車一段時間的用油狀況。

5 結論

本文研究的汽車油耗監控系統，由89C51單片機控制數據采集，數據存儲，以射頻傳輸方式實現無線抄表，通過串口與計算機進行數據傳輸，計算機分析采集數據，很好的結合了單片機和計算機的優點。本系統具有體積小、操作方便、實用性強等優點，解決了管理人員對油料消耗無有效管理手段這一棘手的問題，具有很高的應用價值。

參考文獻:

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