油罐車閥門狀態監測單元設計

黃國兵，王淇葦，黃凱，2，張文星

（1.西安工程大學計算機科學學院，陜西西安 710048；2.國網陜西省電力公司咸陽供電公司，陜西咸陽 712000）

油品運輸過程中存在監守自盜的現象[1]，以致需要對運輸過程進行全過程的監視管理。防止油品被盜最有效的辦法就是對油罐車的裝/放油閥門狀態進行監測，常用的監測方法包括：1）基于RFID 的電子鉛封技術[2]；2）監測油罐閥門狀態的方法[3-4]。根據用戶需求，采用閥門狀態監測方法。為了實現對油品運輸過程的監管，需要對油品運輸的全過程進行監控[5]。考慮到油罐車閥門監測單元的安裝部位，該單元運行必須滿足防爆要求[6]。為此，監測單元模塊采用電池供電[7]，為了延長電池的更換周期（不小于2年），模塊運行必須采用省電模式設計[8-9]。由于從油罐閥門到車載終端之間使用有線通信不利于監測單元的省電運行和安裝固定，用戶提出閥門監測單元與車載終端之間采用無線方式通信，參考項目組先前實施的低功耗ZigBee 通信技術[10-11]，探索實現了適合項目的低功耗、短距離RF 通信電路實現方法[12]。針對閥門監測單元模塊數據采集的需求，模塊需要實現1 路開關量和4 路模擬量信號采集，這些信號的傳感器需要監測單元供電，也要考慮省電運行的要求。

1 閥門狀態監測解決方案

1.1 單片機系統方案構思

通過對用戶需求的具體分析，閥門監測單元安裝在金屬閥門蓋內運行，RF 天線從外蓋露出，電池槽和天線底座布置在閥門腔體的外側，圓形監測電路板固定在腔體的內側，閥門底蓋為金屬，使電子組件與油品完全分隔。

考慮到閥門監測單元的低功耗和防爆需求，采用電池供電方式。閥門監測單元以低功耗模式工作，使其具有安防爆的特征，同時延長電池的工作壽命，以滿足2 年電池更換周期的要求。

RF 無線通信電路采用短距離、低功耗模式，這里選用ATMEL 公司的AT86RF230 構建RF 無線通信電路[13-14]。由于ATMEL 公司有配套的支持低功耗模式的微控制器產品Atmega1281[15-16]，因此，選用該微控制器為核心搭建所設計的閥門監測單元電路。解決方案如圖1 所示。

圖1 閥門監測單元的解決方案

1.2 監測信號接口

根據需求，閥門監測單元需要采集閥門的開/合狀態和幾路模擬信號，其中閥門狀態采用紅外光電傳感器實現，采集的模擬信號包括油氣泄漏情況、罐體溫度、罐體傾斜度、油品液位、罐內壓力等。其中，罐體溫度采樣使用Dallas 公司的4 只DS18B20 單線溫度傳感器實現，考慮到監測單元省電運行的要求，溫度傳感器直接與安裝在駕駛室內的車載終端連接，由車載終端供電，其他模擬信號接入監測單元采集。

根據傳感器運行環境，傳感器由監測單元供電，考慮到省電設計的要求，僅在采集數據時給傳感器供電。由于模擬信號的采集需要根據油罐車的實際情況配置，監測單元需讀取模擬信號的配置狀態，決定是否啟動相應的模擬量信號采集。此外，信號感知采用小型低功耗傳感器。信號接入方案如圖2所示。

圖2 閥門監測單元的信號接入方案

2 閥門監測單元實現設計

根據以上解決方案，為了達成監測單元省電運行的目的，考慮到閥門信息每1 min 刷新1 次即可滿足要求，數據采集的周期定為1 min，采集和發送任務完成之后CPU 立即進入睡眠狀態。為了喚醒CPU，采用1 min 定時中斷實現這一功能。此外，一旦發生電池電壓低的狀態，uP 電路也向CPU 提請中斷，提示更換電池。

2.1 RF無線射頻通信電路

閥門監測單元電路設計的關鍵在于低功耗RF無線射頻通信的接口電路設計。在查閱防爆環境下無線通信的文獻之后[10,13-14]，選擇ATMEL 的AT86RF 230 實現這一通信接口。AT86RF230 采用SPI 接口與CPU 進行數據交換，并通過IRQ 信號向CPU 提請中斷，實現其與CPU 之間的信息交互。AT86RF230工作需要獨立的16 MHz 晶振驅動，依照AppNote 提供的參考電路，所設計的接口電路如圖3 所示。

圖3 RF無線通信接口的電路

圖3 中，AT86RF230通過信號RFP 和RFN 連接平衡電感，再接RF 天線座。

2.2 閥門狀態采集

閥門狀態采集采用紅外線光電傳感器實現。具體實現時，光源部分安裝在閥門沿口，閥門內設置有導光、透光口，閥門閉合時，電路板上的光敏管與透光口、光源在一條直線上，光源正好照射到電路板上的光敏管；閥門打開時，光源照射不到光敏管。由此可見，當閥門閉合時，光敏管導通，否則截止，這樣就可以判斷閥門的開合狀態。閥門狀態感知電路如圖4所示。

圖4 閥門狀態感知電路

圖4 中，D11 導通時，采樣點接地，處于低電平，反之，D11 截止，光敏管的電阻為無窮大，采樣點處于高電平。為了實現對采樣點電平信號整形，采用LM393 比較器實現這一功能。電路中的R14電位計用于調節信號感知的靈敏度。

2.3 模擬信號接入

根據項目需求，閥門監測單元最多需要采集4路模擬量，包括油氣濃度、油品液位、罐內壓力和罐體傾斜角，具體接入模擬量的路數由油罐車實際情況確定，并通過跳線器（JP2）進行配置組態，以便監測單元能判定其工作狀態。由于模擬量采集精度為5%F，Atmega1281 內置的ADC 即可滿足要求，模擬信號接入電路如圖5 所示。信號接入時，為了防止外部強電、高壓信號竄入損壞CPU，這里采用D1和D9對輸入信號作鉗位處理。

圖5 模擬信號接入電路

為了達到模擬量輸入通道的省電運行目的，監測單元要讀取模擬量通道的配置信息，并根據配置狀態決定是否采樣。也就是說，沒有配置的模擬通道不采集，以節省電源開銷。同時，傳感器僅在信號采集時接通電源，避免不必要的電能消耗。信號采集實驗發現，傳感器供電需要盡可能提前，如果采樣時供電，電路不充分供電會導致采集值比實際值偏低。為此，MCU 喚醒工作時，喚醒中斷服務執行時就打開傳感器電源開關，盡量提前給傳感器供電。

另外，閥門監測單元的信號傳感器由項目組定制，這些傳感器都采用3.3 V 供電，信號輸出范圍為0～3 V，以微功耗模式工作。

2.4 軟件運行流程

閥門監測單元的軟件相對簡單，該文采用了前后臺模式的軟件架構，前臺主循環部分以查詢方式輪流對采集信息進行處理，后臺部分主要實現中斷服務功能，完成數據采集與通信任務。

后臺部分包括三個中斷服務程序，分別是1 min喚醒中斷、電池電壓低中斷和RF 電路的SPI 中斷。喚醒中斷服務主要實現兩個功能，分別是設置定時采樣標記和給傳感器供電。電池電壓低中斷設置電池告警標記，而SPI 中斷除實現SPI 驅動之外，在報文發送完成之后，設置RF 報文發送完成標記。

前臺主循環部分運行時，先檢測是否為1 min 采集標記，如果是，則設置DI 采集、AI 采集標記，再檢測電池電壓低標記、DI 采集標記、AI 采集標記，按標記實現對應的功能，并根據信息處理的結果生成事件信息，只要有新生成的事件信息，即設置RF 發送標記。主循環程序最后檢測RF 標記，向車載終端發送新生成的信息，最后關閉傳感器電源，CPU 進入睡眠狀態。主循環部分的程序框圖如圖6 所示。

圖6 前臺主循環程序框圖

圖6 中，省略部分包括電池電壓低標記、DI 采集標記、AI 采集標記的查詢處理。

3 實驗結果與分析

為了驗證所設計閥門監測單元是否結合需求，在實驗室搭建環境對監測單元的功能和性能參數進行了測試，主要包括數據采集、RF 通信。

實驗室搭建的測試環境包括車載物聯網后臺PC 服務器、物聯網終端和閥門監測單元三部分，測試時可以通過PC 服務器軟件觀測閥門監測單元采集的閥門狀態和模擬量參數的值，通過車載物聯網終端觀測監測單元的RF 電路工作狀態，需要測試的狀態和參數通過閥門監測單元接入。

1）RF 通信無障礙測試。閥門監測單元和車載終端之間無遮擋通信，測試距離為30 m、60 m 時20次事件傳輸無誤，90 m 時20 次事件傳輸有一次傳輸失敗。

2）RF 通信有障礙測試。閥門監測單元和車載終端之間隔墻通信，測試距離為20 m、40 m 時20次事件傳輸無誤，80 m 時20 次事件傳輸有一次傳輸失敗。

3）閥門狀態模擬測試。將紅外光源對準閥門透光孔，再用遮光板模擬閥門打開和閉合，在后臺系統觀測從監測單元上報的閥門狀態變化事件。連續測試10 次，測試結果為全部正確。

3）模擬量采集精度測試。采用高精度直流標準源提供0 V、1 V、2 V、3 V 電壓，每個測點對每個測試值輪流測量五次，在后臺服務器上觀測監測單元上報的采樣值，統計誤差的最大值。測試得到的最大絕對誤差為0.097 V，引用誤差為3.2%F。

根據以上測試結果，RF 通信、閥門狀態和模擬量參數采集等功能都滿足規范書要求。

4 結論

針對項目組車載物聯網項目研究開發的需求，文中完成了閥門監測單元開發工作，設計時主要針對省電、防爆需求進行了精細考量，提出了基于電池供電、CPU 低功耗、RF 短距離低功耗運行的方案，實現了閥門開合狀態采集、4 路模擬信號采集的功能，信號采集接口設計時也充分考慮了省電、防爆的需求。在實驗室完成了RF 通信、閥門狀態采集和模擬量采集精度測試，都滿足預期要求。由于實驗室條件限制，沒有對閥門監測單元的省電效果、防爆性能進行檢測，這些項目由委托單位負責實施。