基于STM32L431的智能油箱防盜系統(tǒng)的設計

董錕

摘要：智能油箱防盜系統(tǒng)一般應用于工程機械或長途運輸車輛中，其功能是檢測車輛綜合耗油量、對油位或系統(tǒng)異常進行報警。為了實現上述目的，設計了一種基于STM32L431的智能油箱防盜系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用高精度液壓傳感器檢測油箱油位變化，通過六軸傳感器檢測系統(tǒng)狀態(tài)并判斷系統(tǒng)及油箱是否遭到外力撞擊破壞，運用STM32L系列超低功耗單片機和NB-IoT模塊將油位信息和報警信息上傳至監(jiān)控中心或駕駛員手機客戶端。

關鍵詞：智能油箱防盜系統(tǒng);液壓傳感器;六軸傳感器;STM32L431

中圖分類號：U463.6? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0094-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著我國基建行業(yè)的發(fā)展，工程機械車輛越來越多，工地中偷油事故頻發(fā);由于運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，長途貨車油箱被盜事件也時有發(fā)生。為了防止上述事故的發(fā)生，基建工地一般需要專人看管機械車輛，增加了生產成本;長途貨車司機在行駛途中一般不敢長時間停車、大部分司機疲勞駕駛。為解決上述問題，將物聯網技術應用到油箱油位監(jiān)控領域，通過低成本的單片機和傳感器及周邊電路設計，可實現對油箱油位的檢測和異常報警，在降低成本的同時提高管理效率，對相關行業(yè)的智能化有著重要意義。

2 方案設計

智能油箱防盜系統(tǒng)使用STM32L431系列超低功耗單片機，通過3.8V鋰電池進行供電。油位信息的采集通過高精度液壓傳感器實現，其與主控單元微控制器通過RS485總線進行通信;系統(tǒng)通過NB-IoT模塊完成油位信息和異常報警信息的上傳。六軸傳感器主要用于檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)及油箱或系統(tǒng)是否受到外力破壞。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2.1微控制器模塊設計

系統(tǒng)主控芯片為ST公司設計生產的基于Cortex-M4內核的32位STM32L431單片機，該單片機自帶兩個16位ADC通道和4組USART通道[1]，選擇其中一組ADC通道用于監(jiān)控電池電量;一組USART通道用于與NB-IoT模塊通信、一組USART通道通過485電平轉換模塊與高精度液壓傳感器通信。同時，單片機內部Flash用于存儲系統(tǒng)狀態(tài)信息和油位信息;單片機內部集成了FPU單元，可以在進行算法計算時提高計算效率，降低整體功耗。微控制器模塊是系統(tǒng)的核心，主要功能是：

1）接收六軸傳感器模塊傳回的信息并對數據進行處理、計算得出設備的狀態(tài)信息;

2）讀取高精度液壓傳感器數據信息并進行解析;

3）將得到的工作狀態(tài)信息、油位數據信息等通過NB-IoT通信模塊發(fā)送至服務器。

2.2 六軸傳感器

1）傳感器特點

本系統(tǒng)的六軸傳感器選用的是MPU6050，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計[2]，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C接口連接一個第三方的數字傳感器，比如磁力計等。擴展之后可以通過其 I2C或SPI接口輸出一個9軸的信號。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。本系統(tǒng)中微控制器模塊通過I2C總線讀取六軸傳感器的三軸加速度和三軸角速度數據后，通過四元素法計算系統(tǒng)的俯仰角和偏航角數據，進而確定設備處于何種狀態(tài)。

2）狀態(tài)計算方法

根據相關文獻[3]，工程機械或運輸車輛在發(fā)動機工作時，其固有震動頻率f與發(fā)動機轉速n存在以下關系，其中τ為發(fā)動機沖程（一般τ=2或4），i為發(fā)動機的氣缸個數（氣缸個數常見的有3、4、5、6、8、10、12等）。

f=n*i/（60*（τ/2））

通常，工程機械或運輸車輛使用柴油發(fā)動機，其轉速一般低于3000r/min，按此轉速估算，固有震動頻率f的最大值在600Hz左右，根據奈奎斯特采樣定律，本系統(tǒng)中，六軸傳感器采樣率定為1200Hz。

微控制器模塊根據六軸傳感器原始數據計算得出俯仰角和偏航角數據后，分別進行離散傅里葉變換[4]，計算出系統(tǒng)震動頻率f，再結合實際實驗數據，根據頻率確定系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)，頻率與工作狀態(tài)的關系為：f<5Hz：靜止狀態(tài);5Hz≤f≤20Hz：異常震動;f>20Hz：工作狀態(tài)。

2.3 高精度液壓傳感器

本系統(tǒng)的高精度液壓傳感器選用的是測量精度較高的投入式液位計，根據所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用先進的隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器制作而成，將靜壓轉換為電信號。為了提高系統(tǒng)整體檢測精度，根據工程機械或運輸車輛工作實際，工作過程中，油箱內油溫會隨著工作時長逐漸升高[5]，在投入式液位計中集成了溫度檢測傳感器。系統(tǒng)在測量過程中，根據油溫確定柴油密度值[6]，再結合投入試液位計測量的油位壓強值，計算得出實際油位數據，提高測量精確度。

2.4 NB-IoT模塊設計

本系統(tǒng)通信網絡選擇NB-IoT網絡，符合當前工業(yè)物聯網和5G發(fā)展趨勢：設備成本低、拓撲結構簡單[7]。M5312 NB-IoT模塊是一款高性能、低功耗 NB-IoT 無線通信模組，采用 LCC 封裝，可通過標準 SMT 設備實現模塊的快速生產，并滿足苛刻環(huán)境下的應用需求。本系統(tǒng)中，通信模組直接通過USART端口與微控制器模塊進行通信，控制簡單、通信成功率高。

3 系統(tǒng)軟件設計

智能油箱防盜系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化、震動信息檢測、信息狀態(tài)包發(fā)送等模塊，軟件流程圖如圖2所示。

開機后，先進行系統(tǒng)初始化，主要包括：傳感器自檢、NB-IoT模塊初始化、與服務器握手和對時等。初始化后，高精度液壓檢測模塊和NB-IoT模塊進入低功耗模式，僅六軸傳感器進行系統(tǒng)狀態(tài)檢測，此后在系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變后，根據具體狀態(tài)類型，進行油位信息檢測和系統(tǒng)油位、狀態(tài)信息發(fā)送。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要包含兩個部分：1）系統(tǒng)狀態(tài)測試，主要包括：車輛開機狀態(tài)監(jiān)測靈敏度、暴力撞擊系統(tǒng)整體時異常震動檢測靈敏度;2）油位檢測精確度。

4.1 系統(tǒng)狀態(tài)測試

根據測試需求，將本系統(tǒng)安裝到車輛后，在分別處于靜止、工作和暴力撞擊油箱或本系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)后臺收到的狀態(tài)信息，測量結果如表1所示。由表1可見，系統(tǒng)對狀態(tài)檢測的成功率可達94%以上。

4.2 油位檢測精確度測試

根據測試需求，在不同油溫下，分別對高精度液壓模塊的檢測結果進行測試，具體測試結果如表2所示。由表2可見，在油溫逐漸升高后，測量誤差有變大趨勢，但總體檢測絕對誤差最大在15mm以內，最大相對誤差為4.6%。

5 結論

為了解決工程機械和長途貨車油位監(jiān)控及報警問題，本文設計了基于STM32L431的智能油箱防盜系統(tǒng)，可通過六軸傳感器判斷系統(tǒng)所處狀態(tài)，并通過高精度液壓傳感器模塊精準檢測油位信息，實時通過NB-IoT模塊報警信息、油位狀態(tài)等信息的發(fā)送。當工程機械或長途火車正常工作時，根據實時測量得到的油位信息，后臺可進行油耗分析、油耗預測和工時計算等，為相關領域的智能化檢測與管理提供了可能。經過實驗驗證，本系統(tǒng)具有較高的狀態(tài)檢測精度和油位檢測準確度，測量結果能夠滿足實際應用需求。

參考文獻：

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[4] 王鵬，曹云峰，許蕾，等.視覺算法加速中二維FFT的SoC設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2019，19（2）：45-49，55.

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[7] 姚暢，張李元，左少華.基于NB-IoT的路燈物聯網控制系統(tǒng)[J].物聯網技術，2019，9（12）：94-97.

【通聯編輯：梁書】