中重型貨車燃油防盜預警系統的設計

毛理想,常 明,潘 澤,張 坤,于 洋

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

0 引言

中重型貨車行駛中,如果因燃油箱自身缺陷或外部因素影響而發生燃油泄露事件且沒有及時發現將造成不必要的損失,帶來極大的交通安全隱患。近年來,物聯網技術發展迅速,我國貨車燃油防盜預警系統相關技術有了很大進步。王襄[1]提出一款商用車防盜油報警設計,此裝置由微處理器、油位傳感器接口電路、點火鎖接口、報警模塊等組成,當停車時有人接近油箱不離開或微處理器檢測到油位變化時,車內將報警提醒,外部高音喇叭發出報警,提醒司乘人員防范燃油被盜。

以一汽解放J6 P牽引車的燃油箱為研究對象,基于物聯網技術,對燃油防盜預警系統進行設計,以有效防止貨車行駛時發生燃油泄露及被盜事件。

中重型貨車燃油防盜預警系統的研究主要包括以下幾個方面:①燃油箱的使用情況。對燃油箱布置情況及燃油異常減少的原因進行分析。②總體方案設計。根據燃油異常減少情況設計檢測、控制及預警方案。③物理模型設計。根據總體方案選用傳感器,確定最優的電路硬件,基于Keil軟件編寫STM32單片機程序語言,完成系統控制程序設計。④模型實驗。在檢查電路連接準確無誤后進行程序嵌入,通過模擬外界不同的傳感器信號進行測試,驗證系統檢測、控制及預警功能實現的可行性。

1 中重型貨車燃油箱的使用情況

①燃油箱的布置位置。以一汽解放J6P牽引車為研究對象,采用800 L+500 L雙油箱設計,總容量達1300 L。燃油箱安裝在車身兩側,位于貨車車身中下部,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。貨車燃油箱的材質主要有鋁質油箱、鐵制油箱及塑料油箱。塑料燃油箱一般裝在高端貨車上,具有重量輕、耐腐蝕性能好、造型隨意、使用壽命長、安全性高、生產成本低、加工工藝簡單等特點[2]。

根據貨車司機的反映,車輛由于經常在復雜的路況下行駛,燃油箱外側會受到來自地面的振動,長此以往,不可避免地造成金屬零件磨損,燃油箱出現裂紋老化等情況,從而發生燃油泄露,導致燃油異常減少。中重型貨車處于停車狀態時,由于燃油箱完全裸露在外且沒有有效的保護裝置,故燃油經常在高速服務區或其他停車區被盜。

針對上述問題,如果只簡單地采用增加材料厚度的方法進行燃油箱加固將造成整個燃油箱質量增加,不符合現代汽車輕量化的設計理念,無法從根本解決問題。如采用更換材料的方法,高昂的成本也難以被市場接受[3]。基于物聯網技術,在不改變原燃油箱的基礎上利用智能控制技術,可解決燃油異常減少問題。

2 總體方案設計

燃油防盜預警系統的硬件結構主要包括燃油數據檢測模塊、預警模塊、電源模塊及紅外高清攝像頭等。總體設計方案圖如1所示。預警模塊分為蜂鳴器現場預警與GSM網絡通信預警,預警采用分級報警模式。預警原理如圖2所示。

圖1 總體設計方案

圖2 分級預警模式工作原理

油位傳感器用于實時獲取燃油的液位高度,振動傳感器用于檢測燃油箱是否存在人為破壞的威脅。雷達測距儀用于感應油箱附近是否有人靠近,如果感應到有人靠近,蜂鳴器會發出警報。微處理器用于綜合處理分析各傳感器數據,從而控制預警模塊實現預警。分級預警工作流程如下:微處理器只接收到雷達測距儀信號時,蜂鳴器進行蜂鳴預警,并于15 s后自動關閉。微處理器同時接收到雷達測距儀、油位傳感器、振動傳感器3個信號時,蜂鳴器持續發出警報,控制攝像頭開始攝像,并對拍攝視頻保存備份,通過GPRS模塊,利用GSM協議通信網絡技術進行電話報警,以打電話和發短信的形式告知車主。

3 物理模型設計

3.1 燃油數據檢測模塊設計

燃油數據檢測模塊包括油位傳感器、振動傳感器、接近預警器等,用于實時檢測燃油箱內燃油是否處于正常使用狀態,所有元器件均可依據型號購買或定制。選用基于光學原理設計的接觸式光電液位傳感器,型號為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傳感器,工作電壓5.0V,接口類型為AD/DO接口,ADO輸出,當壓電陶瓷片振動時產生電信號,振動電信號可實現與振動相關的交互式工作[4]。接近預警器由雷達測距儀及蜂鳴器兩部分構成,雷達測距儀采用AJ-SR04M毫米波雷達測距模塊,工作電壓3.0～5.5 V,最遠射程600 cm,分辨率1 mm。蜂鳴器采用3 V電磁式蜂鳴器,驅動模塊采用S8850三極管驅動,接線方式為VCC外接與GND外接。

3.2 微處理器的選型

選擇STM32F103C8T6開發板作為系統的控制模塊。這是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的微控制器,最高工作頻率72 MHz,64 K閃存程序儲存器,具有體積小、運算快、低功耗等特點。

3.3 供電模塊的選型

供電模塊選用5 V 1 A 1500型號的鋰電池包,標準電壓為5.5 V,標定容量為1500 mAh,可循環使用500次,具有電路過載保護機制,可有效保護設備電路不被損壞。

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,通過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位影響數據,輸入電源電壓為3 V,具有自動曝光補償、自動增益控制、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準等功能[5]。

3.5 預警模塊的設計

選擇E16V嵌入式GPRS模塊作為通信預警模塊,支持中英文短信配置,支持MQTT標椎協議,支持LBS基站定位,在獲取GPRS模塊附近基站位置后實現LBS定位功能及用戶設備地區化管理。

現場預警模塊由蜂鳴器與擴音器組成,蜂鳴器發出蜂鳴聲,擴音器將蜂鳴器發出的聲音進行擴大發出,令駕駛員更容易發現這一情況。

4 程序設計

基于Keil平臺進行STM32單片機控制程序設計,包括燃油數據檢測模塊與預警模塊的程序設計。程序設計流程如圖3所示,程序設計代碼如圖4所示,掃描二維碼可查看系統程序。

圖3 程序設計流程

圖4 燃油防盜預警系統的程序設計代碼

燃油數據檢測模塊主要完成STM32單片機與各傳感器信息交互的控制程序設計,實現單片機對燃油數據的實時監測、采集及分析處理功能。

預警模塊是利用STM32單片機與GSM通信模塊的相互配合完成網絡預警。

燃油數據檢測模塊是預警模塊的觸發條件,二者存在先后因果關系,當燃油數據檢測模塊判斷燃油箱內的燃油出現異常減少時,預警模塊會被觸發,蜂鳴器發出警報,GSM通信模塊打電話及發短信告知車主,如果是停車狀態,攝像頭會開啟錄像功能。

5 物理實驗

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完成三維模型設計,根據三維裝配圖完成物理模型制作,如圖5所示。

圖5 燃油防盜預警系統的物理模型

5.2 油箱模型的密封性測試

油箱模型進行實驗前應驗證模型油箱的密封性,避免人為造成實驗數據誤差,具體檢測方法為: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。使用萬用表測試電源模塊輸出電壓是否在正常范圍,讀數在5.0～5.8 V則證明電源模塊輸出電壓正常,在確定準確無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 各傳感器的功能測試

油位傳感器測試:打開抽水泵開關,模型燃油箱內的液面下降,模擬油箱內的燃油異常減少,觀察液面下降高度,驗證油位傳感器是否達到預期效果,設定液面下降1 cm發出報警信號,觀察到液面下降1 cm時蜂鳴器發出警報,油位傳感器正常工作。

毫米波雷達測試:測試人員從距離雷達2 m處慢慢靠近油箱模型,觀察距離毫米波雷達1.5 m時蜂鳴器發出報警聲,毫米波雷達正常工作。毫米波雷達監測范圍設定為0～1.5 m。

振動傳感器測試:振動速度設定范圍為0～3 mm。用手指敲擊模擬燃油箱壁,觀察振動傳感器是否檢測到振動信號,如果蜂鳴器發出警報,證明振動傳感器檢測與發送信號功能正常。

5.5 通信模塊測試

網絡通信模塊主要通過GSM通信技術實現的,網絡預警執行與否取決于STM32單片機對燃油數據的分析判斷。主從機建立連接后,滿足振動信號、液位下降信號、雷達測距信號,觀察在此條件下是否給提前設定的號碼發出短信及通信電話,如果是則證明通信模塊正常。

5.6 蜂鳴器預警測試

STM32單片機在分析處理各傳感器采集的數據后,若判斷燃油存在被盜可能時,向蜂鳴器發送工作指令,若蜂鳴器發出警報,則測試完成,并測試蜂鳴器的最大音量。但考慮到重型貨車的應用環境,設計增加擴音器,可對蜂鳴器聲音進行放大,以起到更好的預警功能。

5.7 紅外高清攝像頭錄像測試

系統供電,在燃油箱模型中裝滿水進行輕微敲擊,模擬產生振動,打開抽水泵開關,模型燃油箱內的液面下降,模擬燃油量異常減少,此時蜂鳴器發出蜂鳴聲,觀察攝像頭是否正常工作,等待蜂鳴器停止峰鳴后關閉系統,取下儲存卡,檢查錄像是否正常播放。

5.8 整體功能測試

整體功能測試主要包括燃油箱內的燃油量減少快慢、燃油箱振動幅度、紅外雷達感應距離、蜂鳴器是否發出蜂鳴聲、GSM模塊打電話及發短信給指定聯系人等部分。每部分測試不少于5次,記錄實際數據,以保證運行測試的準確性。整體功能測試視頻如圖6所示,掃描二維碼可查看視頻。

圖6 燃油防盜預警系統模型的功能測試視頻

模型實驗過程及實驗結果表明,當有人靠近燃油箱時,蜂鳴器發出警報,對不法分子起到警示作用,警報時長15 s。當油箱振動時,蜂鳴器將警報時間延長至30 s,水泵模擬偷油過程。當油箱液位快速下降時,STM32單片機控制GSM通信模塊向車主撥打電話提示燃油被盜,攝像頭錄制現場視頻并進行存儲。

6 結束語

基于現代智能物聯網技術,采用STM32單片機作為主控芯片,結合毫米波雷達傳感器、GMS網絡通信、壓電式振動傳感器、毫米級超聲波液位傳感器及紅外高清攝像頭等裝置,完成了燃油防盜預警系統設計。通過物理模型實驗,驗證了系統設計方案的科學性及合理性,功能測試達到預期效果,在一定程度上避免了交通事故的發生,減少了經濟損失,解決了車輛正常行駛時的燃油泄漏問題及靜止時的防燃油偷竊問題。