客車能耗遠程監測系統的設計

賈俐俐，涂金龍

(南京交通職業技術學院，江蘇南京211188)

0 引言

節能監測是政府推動能源合理利用的一項重要手段。我國交通行業能源資源消耗較高，汽車消耗的汽油量約占汽油生產總量的90%，柴油消耗量約占柴油生產總量的20%。為了達到監測車輛百噸公里油耗等諸多指標的目的，需要測量的參量有車輛載重、油耗及行駛里程［1］。《中華人民共和國能源節約法》明確規定，國務院有關交通運輸主管部門要按照各自的職責負責全國交通運輸相關領域的節能監督管理工作，制定交通運輸營運車船的燃料消耗量限值標準，不符合標準的，不得用于營運。根據國家有關標準，各地應加強對客運車輛燃料消耗量檢測和監督管理，加快淘汰、更新高耗能的老舊營運車輛。但迄今為止，我國客運行業的能耗統計一直采用手工填寫統計報表的方式，不僅投入的人力物力大、數據誤差大，而且不能實時了解能耗情況。

目前有一些新型客車上使用了智慧運營系統，對車輛技術狀態實時監控，實現了車輛故障遠程診斷，保證了車輛正常技術狀態。系統能對駕駛員的不良駕駛行為進行實時監控，規范了駕駛操作，降低了安全隱患，控制了燃油消耗。通過對車輛運行過程的綜合監控與分析，輔之于車輛調整等技術措施，使車輛技術性能與運行線路環境完美匹配。這種智慧運營系統對節能減排工作有一定的促進作用，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準進行對比，因而不能提供管理部門所需要的能耗報表數據。針對有關問題，有研究人員在使用電容傳感器、應變式電阻傳感器對車輛載重進行檢測方面進行了研究［2］。也有一些科研單位和運輸企業使用了電子油耗檢測裝置。在測量汽車油耗時，針對汽油與柴油的不同特點，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、瞬時油耗和累計油耗，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，因而行業管理部門和客運企業不能及時準確采集到有效數據，影響對車輛能耗效率的客觀評價。

1 客車能耗遠程監測系統工作原理

客車能耗遠程監測系統主要由能耗數據采集裝置、通信網絡、監測軟件三部分組成，如圖1所示。其工作原理是：在每輛需要采集數據的客車上安裝能耗數據采集裝置及GPRS模塊，由數據采集裝置采集并處理客車的載客量、車速、消耗的燃油量等數據，通過GPRS模塊將相關的數據經網絡傳輸到監測中心的數據處理與顯示裝置，經計算機軟件分析處理后，實時顯示客車的能耗數據。

設置在監測中心的數據處理與顯示裝置主要包括數據庫服務器、客戶端計算機、顯示器及打印機。客戶端計算機中安裝有客車能耗遠程監測軟件，通過客車能耗遠程監測軟件提取數據庫中的數據并進行分析處理，以圖表形式顯示各客車能耗的數據，并提供歷史數據查詢、自動生成日報表、月報表、年報表的功能，通過對能耗監測數據與燃料消耗量限值標準的比較，給出客車能耗超標的告警信息。由此可提升客車能耗統計與監測的數據品質，并逐步建立覆蓋交通運輸全行業的節能減排工作考核體系，完善車輛節能減排考核評價指標和方法。

圖1 客車能耗遠程監測系統總體架構圖

2 客車能耗數據采集裝置組成

客車能耗數據采集裝置包括電源、微控制器(MCU)、信號調理單元、乘客計數器、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、計算機RS232接口、GPRS模塊接口，如圖2所示。

圖2 客車能耗數據采集裝置原理圖

2.1 電源及微控制器

電源來自客車蓄電池，通過穩壓，為數據采集裝置中的微控制器及相關電路提供穩定的5 V及3.3 V直流電壓。

微控制器是客車能耗數據采集裝置的核心，由高性能的C8051F410微控制器擔任，它具有12位200 ksps的ADC，32kB的片內FLASH存儲器，增強型UART和增強型SPI串行接口，4個通用的16位計數器/定時器，6個捕捉/比較模塊和可編程計數器/定時器陣列，具有片內通電復位、VDD監視器、電壓調整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，是能獨立工作的片上系統，用C8051F410MCU設計的控制電路如圖3所示。

圖3 客車能耗數據采集裝置微控制器電路圖

2.2 傳感器

為了計算客車的有效載荷，設計中采用乘客計數器對上下客車的人數進行計數，作為對采集的能耗數據進行歸一化處理的參數之一。

由于車輛的燃油消耗與溫度、濕度有關，在進行較高精度的檢測時，要采用溫度及濕度傳感器檢測車輛運行環境的溫度及濕度，并按照溫度及濕度參數對采集的能耗數據進行修正，而對于一般精度的測量數據分析，可以不使用溫度和濕度檢測。

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

使用車速傳感器實時測量客車的運行速度，據此可計算出客車的瞬時速度、平均速度、行駛里程。

2.3 信號調理

信號調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行放大、濾波、波形整形、電平變換，供微控制器準確讀取相關的信號，并且使數據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接口是計算機的一種串行通信接口，它與微控制器I/O口的電平不匹配，不能直接連接進行通信，設計用于客車能耗數據采集裝置的雙串口RS232的通信信號電平轉換電路如圖4所示，使用的集成電路 U4是MAX3222，通過該接口單元，可使微控制器與計算機、GPRS模塊方便地進行連接。

C8051F410MCU的硬件UART0通過RS232電平轉換后與計算機的RS232接口相連，在計算機中運行與之配套的客車參數配置軟件后，配置客車的基本參數、運行參數和極限范圍。

圖4 雙串口RS232的通信信號電平轉換電路圖

對于 GPRS模塊，同樣是使用 RS232接口，由于C8051F410只有一個硬件UART串口，因此，設計中用2個I/O口通過軟件模擬一個UART串口(SW UART)，作為MCU的第二個串口。在實現一個軟件UART時，最重要的是在硬件占用和速度/效率之間權衡，使用較多硬件的設計可消耗較小的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，用PCA作為波特率發生器，減少軟件代碼。微控制器的SW UART用于連接GPRS模塊，將數據發送到GPRS網絡。

2.5 GPRS無線數據傳輸

數據穩定可靠的通信方式是智能交通監控系統的研究熱點，主要包括衛星、廣播、有線網絡、GPRS等。相比而言，GPRS具有價格適中、雙向傳輸、通信距離長、終端可移動性等優點［4］。遠程監測需要將采集的數據傳送到監測中心的服務器，因此，在本系統中，使用GPRS模塊與監測中心進行通信。

GPRS是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS網絡是在原有的GSM網絡上增加SGSN(GPRS服務支持節點)以及GGSN(網關GPRS支持節點)兩種數據交換結點設備，使得用戶在端到端分組方式下發送和接收數據，同時兼容電路型數據和分組交換數據，從而GPRS網絡能夠和因特網互相連接。其系統結構如圖5所示［5］。

圖5 GPRS無線分組網絡系統結構圖

在客車能耗數據采集裝置通電時，GPRS模塊與監測中心的數據庫服務器連接成功后，MCU通過GPRS模塊將客車的基本參數通過網絡發送到監測中心的數據庫服務器，此后，實時地將所采集的客車運行參數通過網絡發送給監測中心的數據處理與顯示裝置。

2.6 油耗的測量

一般研究認為，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。在機動車技術水平一定的情況下，機動車的實際行駛特征(如速度、加速度大小及其分布)以及道路特征(如坡度)可以用一個參數來衡量，即機動車比功率VSP，其表達式為［6］：

式中，VSP表示機動車比功率，kW/t;v為速度，m/s;a為加速度，m/s2;G為道路坡度。

實驗研究發現，機動車的單位油耗Q隨著VSP的增大而增大，呈一定的線性關系。在預測機動車油耗的建模過程中，通過用一個參數來反映影響機動車油耗的幾個因素，可以減少變量，簡化計算。

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行實時測量。間接測量有燃料噴射量累計法、空燃比測定法和碳平衡法。碳平衡油耗計算法是目前國際上通行的實驗室內車輛工況法油耗試驗方法，即通過對汽車尾氣中CO2，CO，HC含量的取樣并進行計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、歐盟標準或法規中出現了不同的表現形式，并且隨著時間而修正。歐盟的柴油車百公里油耗的計算公式為：

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，但由于所需設備龐大、昂貴而復雜、不可攜帶［7］，因此，在客車能耗數據采集裝置中使用燃油流量傳感器測量燃油消耗量，再根據客車的運行速度、行駛時間，計算出行駛里程和時間段內的能耗量，相關數據傳送到監測中心的服務器后，進一步由監測軟件根據客車的實際載客量及相關參數，對所計算的能耗數據進行修正，便可以得到較準確的能耗效率數據。

2.7 主程序流程圖

用C51語言編寫微控制器的軟件，當數據采集裝置上電時，MCU進行初始化，通過內部的交叉開關配置中斷及定時器、PCA等硬件資源，然后開始采集燃油耗、車速度、人數等數據，并進行計算處理，將相關數據定時向監測中心發送，主程序流程圖見圖6。

圖6 數據采集裝置主程序流程圖

3 結語

客車能耗遠程監測系統，能夠實時快速地采集客車運營過程中的載客量、燃油消耗量、車速等信息，實現全自動的客車能耗數據分析、處理、評估，改變現行的由人工按月或年度填寫報表的統計方式，提高工作效率及數據的準確性，為管理部門對高能耗高污染車輛實施強制淘汰或報廢提供數據支持，也可供客運企業作為內部評估、決策的依據。

［1］雷玉常，江福，李小新.運輸汽車車載油耗監測系統設計［J］.自動化與儀器儀表，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量模型研究［J］.拖拉機與農用運輸車，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設計［J］.上海電機學院學報，2011(06)：413-416.

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

［5］劉國錦，劉新霞.GPRS無線數據傳輸技術的應用［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算研究及其進展［J］.北京工商大學學報(自然科學版)，2007(01)：32-37.

［7］祖力，王勁松，姜艷翠，等.用空燃比法檢測汽油發動機油耗的試驗研究［J］.長春理工大學學報(自然科學版)，2008(09)：135-138.