一種低功耗瀝青罐車監(jiān)控終端和地面監(jiān)控系統(tǒng)設計

王欣立，于澤人

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連，116052）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)對特殊能源和危化品的需求逐漸變大，鐵路運輸中的罐箱車安全問題已經(jīng)成為目前運輸業(yè)關(guān)注的焦點[1]，在當前的罐箱車監(jiān)控系統(tǒng)設計中，最基本的要求是保證針對不同種類罐箱車的安全性監(jiān)控，而針對未來特種裝備罐箱車的發(fā)展模式，智能化，信息化，低功耗則成為技術(shù)的需求。

瀝青罐車監(jiān)控終端是貨運列車中一個非常重要的子系統(tǒng)，貨運列車的運輸時間長，空間距離遠，存放環(huán)境惡劣，且瀝青屬于危化品。目前的監(jiān)控終端實現(xiàn)了對罐箱的各項狀態(tài)進行監(jiān)控，包括GPS位置信息、貨運溫度等。但面對日益增加的運行車輛，由于監(jiān)控終端的功耗大，導致維護成本逐漸變高。此外簡單的狀態(tài)信息監(jiān)控已經(jīng)不能滿足針對智能化信息化的需求。因此本文設計了一款低功耗瀝青罐監(jiān)控終端綜合監(jiān)控系統(tǒng)，降低瀝青罐車監(jiān)控終端功耗的同時提升其智能化的需求。

1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，瀝青罐監(jiān)控終端系統(tǒng)由車載系統(tǒng)和地面服務器系統(tǒng)組成。

圖1 罐箱貨車遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

瀝青罐監(jiān)控終端系統(tǒng)為用戶提供瀝青罐箱貨車的動態(tài)位置信息監(jiān)控，列車的歷史運行軌跡查詢，列車的運行狀態(tài)信息監(jiān)控報警，和物流信息查詢等功能的服務。通過車載終端采集列車位置信息和各種狀態(tài)信息后通過GPS傳輸給地面服務器，地面服務器包含了控中心和手機監(jiān)控業(yè)務，通過搭載的軟件平臺將數(shù)據(jù)解析，并通過列車提供的信息加載列車周圍的地圖信息和列車的各項監(jiān)控參數(shù)，實現(xiàn)瀝青罐箱貨車的實時動態(tài)監(jiān)控和物流信息的實時查詢。為列車的高效管理、運營維護提供系統(tǒng)的決策支持。

2 車載系統(tǒng)硬件設計

罐箱監(jiān)控終端的硬件主要主要由六部分組成：主體為采用極低功耗的MSP430F[2]的監(jiān)控終端模塊、GPS收發(fā)器模塊、罐體損壞監(jiān)測模塊、卸料閥防盜報警模塊、人孔蓋防盜報警模塊和供電模塊組成。

圖2為車載罐箱監(jiān)控終端示意圖，監(jiān)控終端外殼有3個外部接口：溫度信號接口，閥門報警裝置接口（卸料閥防盜報警模塊、人孔蓋防盜報警模塊）以及電源接口，防護等級為IP67。其中2路溫度信號由2條線纜匯聚為一條線纜接入罐箱監(jiān)控終端；閥門報警裝置由行程開關(guān)和接近開關(guān)組成并共有一個外部接口，即共3個接口。

圖2 罐箱監(jiān)控終端示意圖

2.1 監(jiān)控終端模塊

監(jiān)控終端具備采集GPS地理位置信息、監(jiān)測罐體溫度、環(huán)境溫度和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽哂袠O低功耗、電壓監(jiān)視及預警、異常傾斜角度或強烈震動預警、箱體損壞檢測、閥門防盜裝置、抗干擾能力強等特點。

監(jiān)控終端電路板要求具有GPS天線接口、天線接口，溫度測量接口、電源接口、極低功耗控制器、4G/5G通訊模塊、SIM卡槽、GPS定位模塊、行程開關(guān)接口和六軸陀螺儀芯片MPU6050等組成。

2.2 GPS收發(fā)器模塊

GPS收發(fā)器用于增強GPS信號，采用獨立模塊形式，具有極低功耗、GPS陶瓷天線、30DB高增益。

2.3 罐體損壞檢測模塊

采用六軸陀螺儀檢測箱體三方向位移及其瞬時加速度[3]。通過融合高精度動態(tài)濾波算法（卡爾曼濾波），精確得出箱體的實時運動狀態(tài)并判斷出是否有異常撞擊。MPU6050支持I2C通信，可以通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給罐箱監(jiān)控終端，從而發(fā)送到地面服務器。

2.4 卸料閥防盜報警模塊

通過在卸料閥安裝行程開關(guān)，當閥門開啟時，行程開關(guān)通電并將信號輸出至罐箱監(jiān)控終端，檢測卸料閥是否存在異常開啟，數(shù)據(jù)通過罐箱監(jiān)控終端傳到地面服務器。監(jiān)視卸料閥的行程開關(guān)選用系列的低溫版本可以在-20℃～70℃的范圍下正常工作，滿足罐箱車嚴格的溫度使用要求，同時符合IP67安全防護等級。該行程開關(guān)設計使用壽命可達動作1000萬次，并且耐腐蝕。

2.5 人孔蓋防盜報警模塊

通過在人孔蓋安裝接近開關(guān)，當人孔蓋開啟時，通過磁感應接近開關(guān)通電并將信號輸出至罐箱監(jiān)控終端，此時若沒有收到服務器的人孔蓋開啟命令，則蜂鳴器會報警提示。檢測人孔蓋是否存在異常開啟。數(shù)據(jù)通過罐箱監(jiān)控終端傳到地面服務器。安裝方式采用埋入式，傳感器可以在-30℃～120℃的范圍下正常工作，滿足罐箱車嚴格的溫度使用要求，檢測距離為10mm，同時符合IP67安全防護等級。

2.6 溫度采集模塊

罐體溫度表用于測量油罐和集裝箱的外部溫度，具有高靈敏度和防震顯示功能。PT100制作簡單，易于維護[4]，因此作為溫度表的探頭接到罐體的表面進行溫度測試。

2.7 供電模塊

電池采用高密度、高容量、適用溫度范圍寬的電池組組成。電池的輸出電壓為7.2VDC，電池組由6節(jié)1號電池和1節(jié)電容器組成，總設計容量27000mAh。工作溫度在-55℃～85℃，電池存儲壽命在5年以上，可為罐體監(jiān)控終端提供長期穩(wěn)定的電源供應。

3 車載系統(tǒng)軟件節(jié)能設計

為了降低能耗，需要從不同傳感器使用占比方面進行考慮，由表1可知，模塊的主要耗電在于無線通信模塊和GPS定位模塊，因此如果想要降低能耗，需要從這兩方面的工作時間進行修改。

表1 模塊耗電

終端軟件可以分為監(jiān)控狀態(tài)和低功耗待機狀態(tài)，在瀝青罐車運輸過程中，系統(tǒng)絕大部分時間處于低功耗待機狀態(tài)。車載軟件采用了休眠機制實現(xiàn)了降低功耗的功能，監(jiān)控終端軟件總體流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端休眠方式總體流程圖

如圖3所示，車載終端上電后，系統(tǒng)開始硬件和軟件的初始化工作，然后讀取默認的閾值信息進行配置，開啟無線通信模式和GPS定位模塊進行第一次狀態(tài)信息發(fā)送，并發(fā)送請求配置幀到地面服務器，地面服務器會顯示列車狀態(tài)信息并根據(jù)請求配置幀內(nèi)容發(fā)送返回UDP配置幀到終端上進行閾值以及發(fā)送周期配置。

由于無線通信模式開啟，芯片采用更高的16MHz時鐘頻率，系統(tǒng)設置傳送周期為T，終端會實時采集溫度以及其他報警信號，當?shù)竭_傳送周期T時觸發(fā)發(fā)送。當超過根據(jù)配置的溫度報警閾值以及觸發(fā)報警模塊的時候，也會觸發(fā)終端發(fā)送模式，此實在開啟無線和定位模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面。

在未達到時間或者未觸發(fā)報警的時候，無線和定位模塊將關(guān)閉并且芯片以低時鐘頻率10kHz運行，進入休眠模式等待下一次喚醒，相比于連續(xù)工作大大降低能耗，從而延長了設備的使用周期。

4 地面系統(tǒng)設計

瀝青罐車監(jiān)測與診斷系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)罐車實時故障數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)的地面存儲及分析評估。通過車地無線傳輸網(wǎng)絡（5G/4G）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)地面服務器軟件解析處理后存入數(shù)據(jù)庫服務器中，再經(jīng)分析統(tǒng)計形成界面、報表，向用戶展示列車運用、故障等機車各方面的匯總統(tǒng)計。通過對信息的實時監(jiān)視處理，可實現(xiàn)對車輛運行狀況的全程跟蹤及故障報警預警。

系統(tǒng)在網(wǎng)絡硬件、操作系統(tǒng)平臺的基礎上，自底向上分為數(shù)據(jù)層、支撐層、基礎資源層、成果層、決策層。

（1）數(shù)據(jù)層：以數(shù)據(jù)庫、XML等技術(shù)為依托，為系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)模型，提供系統(tǒng)所需的基礎數(shù)據(jù)資源。DBMS采用MySql數(shù)據(jù)庫。

（2）支撐層：描述了在數(shù)據(jù)層的基礎上構(gòu)建應用服務所需的技術(shù)支撐。系統(tǒng)應用開發(fā)采用JavaEE技術(shù)，選擇了比較流行的SSH框架作為主要的開發(fā)框架。客戶端頁面的設計上采用基于Html5、JavaScript、JQuery的客戶端組件，并且運用AJAX、WebSocket等技術(shù)，以異步方式向服務器提出請求并處理響應。

（3）應用層：主要提供對列車、用戶等基礎信息的管理、列車實時運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，列車狀態(tài)、故障等歷史數(shù)據(jù)的查詢、分析服務。

整個網(wǎng)絡系統(tǒng)基于公共互聯(lián)網(wǎng)絡連接，由數(shù)據(jù)庫/web服務器和列車設備、監(jiān)控終端等組成，根據(jù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)，系統(tǒng)按照功能劃分為4個子模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

4.1 基礎數(shù)據(jù)管理模塊

（1）列車基礎數(shù)據(jù)管理。本模塊主要對列車的管理，包括列車的創(chuàng)建、列車信息的編輯修改、列車的檢索、列車的刪除等功能，用于可根據(jù)需求進行車輛的添加和檢索，便于大批量管理瀝青罐箱車。

（2）系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)管理。本模塊主要管理系統(tǒng)運行過程中的配置信息。可完成對車載終端設備參數(shù)的設置、修改等功能。

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

（1）通信協(xié)議解析模塊。列車設備與服務器間的通訊協(xié)議采用UDP協(xié)議，監(jiān)控終端與服務器的連接采用TCP/IP協(xié)議。該模塊主要完成對列車上傳的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包通信協(xié)議的解析，能夠從網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中解析出列車的狀態(tài)、故障、運行軌跡的數(shù)據(jù)信息。

（2）實時數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)系統(tǒng)配置中的數(shù)據(jù)采集頻率，定時采集列車上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫之中。

（3）配置設置模塊。將用戶所設置的列車參數(shù)信息，即時傳送到列車。主要配置信息包括終端溫度監(jiān)控閾值，交互周期，采樣頻率等，用戶可根據(jù)地面服務器或者手機終端采用網(wǎng)絡+短信的模式，短信用于及時發(fā)送，但具有信息量少，成本高的特點，網(wǎng)絡可以用于信號覆蓋差，但據(jù)有數(shù)據(jù)量大，成本低的特點。兩者結(jié)合并優(yōu)先采用網(wǎng)絡模式。

4.3 數(shù)據(jù)分析模塊

（1）實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊。實時向客戶端的瀏覽器頁面?zhèn)魉土熊嚨臓顟B(tài)、故障、軌跡等信息，在主頁、地圖上顯示，單擊每輛列車的圖標，可顯示當前列車的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及當前的報警信息。

（2）歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。根據(jù)用戶輸入的時間段、數(shù)據(jù)項，查詢出某一時間段的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊。根據(jù)用戶要求，統(tǒng)計、分析所采集到的列車數(shù)據(jù)，并以文字、圖表選擇罐體溫度、環(huán)境溫度、地面速率、卸料閥、人孔蓋等的歷史狀態(tài)曲線直觀顯示結(jié)果。

（4）報表生成模塊。按照企業(yè)的運營要求，生成指定格式的報表。

4.4 用戶管理模塊

本模塊主要完成對用戶基本信息及權(quán)限的管理。包括用戶的添加；密碼、權(quán)限的設置；以及根據(jù)用戶權(quán)限控制系統(tǒng)服務、資源的訪問。用戶權(quán)限分為普通用戶權(quán)限，可查看列車運行狀態(tài)；高級用戶權(quán)限，具有普通用戶權(quán)限，可做列車管理操作；系統(tǒng)管理員權(quán)限，具有高級用戶權(quán)限，可完成對用戶信息的查詢、審核、賬號的鎖定解鎖、密碼的修改等功能。

整體軟件采用B/S架構(gòu)，支持IE、Chrome瀏覽器，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)劃分及分類層次清晰，用最少的操作步驟實現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)顯示；頁面操作方面采用異步操作技術(shù)，減少與服務器交互引起的頁面刷屏，達到最佳的用戶體驗。

5 總結(jié)

本文設計了一種低功耗瀝青罐車監(jiān)控終端和地面監(jiān)控系統(tǒng)，車載終端系統(tǒng)采用了低功耗的CPU芯片并進行了低功耗軟件設計，保證傳輸數(shù)據(jù)確定的前提下延長了設備使用時間，降低了維護成本，增加了防盜報警與箱體損壞監(jiān)測報警功能。采用智能化監(jiān)測平臺，采用B/S架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)檢測并可以配置終端，有效的保障了瀝青罐車的安全監(jiān)測能力。