文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.012
中文引用格式： 王建，周文立. 基于4G的油罐車電子鉛封系統設計[J].電子技術應用，2016，42(11)：49-51，55.
英文引用格式： Wang Jian，Zhou Wenli. Design of tank truck electronic seal system based on 4G technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：49-51，55.
0 引言
近年來，成品油運輸行業發展迅速。但是因為缺乏有效監管，出現了在運輸途中油品被偷盜的問題，給管理帶來困擾。為了進行高效的信息化管理，傳統鉛封正在被電子鉛封所取代。文獻[1]提出的油罐車防盜鎖系統由車載電子鎖與加油站解鎖器組成，改裝成本很高。文獻[2]設計了基于通用分組無線業務(General Packet Radio Service，GPRS)網絡的油罐車監管系統，但缺乏對車輛定位的功能。文獻[3]采用北斗定位技術、碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)通信技術、射頻卡技術實現油罐車電子鉛封功能，是比較先進的技術方案。
基于前人的設計，本文提出以下技術改進：設計出一種可行的油閥改裝方案，實現自動施封功能, 以去除施封卡，保留解封卡；使用更先進的4G通信技術，提高系統的可靠性；車內組網變為紫蜂（ZigBee）無線通信，以防止線束被蓄意破壞，而且網絡節點實現低功耗運行。這一套油罐車鉛封管理系統會比原來的系統更可靠安全，管理維護變得更簡單便捷。
1 總體架構
系統的總體架構如圖1所示。油罐車的駕駛艙中安裝主板控制盒，進/出油口安裝從板控制盒。卸油時，操作人員使用射頻卡向主板發送解封請求，主板將當前經緯度通過蜂窩移動通信方式上傳至服務器，服務器判斷位置合法性并回復主板請求。若位置合法，主板則通過ZigBee向從板發送指令，由從板執行解封操作。連入因特網的電腦還可以安裝客戶端軟件，對油罐車進行管理。
2 球閥電子鉛封機械設計
油罐車的油閥通常為球閥，手柄旋轉90°即可實現閥門的開啟與關閉。為了安裝電子鉛封，需要對球閥進行如圖2所示的改裝。手柄轉軸處安裝角度傳感器，以檢測閥門狀態。手柄與閥體各自固連帶孔片狀結構，可相對轉動。手柄處于閥門關閉狀態時，兩孔對中。此時鎖舌從中穿過，則手柄不可轉動，實現鉛封功能。從板控制盒中，使用減速直流電機與絲杠結構實現電子鎖功能。另外還安裝了兩個微動開關檢測鎖舌位置，以判斷鉛封狀態。同時檢測閥門與鉛封狀態是實現自動施封的基礎。
3 硬件設計
3.1 主板硬件設計
主板硬件架構如圖3所示。主芯片GD32F105是一款完全兼容STM32的國產芯片。它通過串口與ZigBee模塊ZICM2410、通信/定位模塊EC20、射頻卡讀卡模塊ZTL522相連；通過SPI接口與存儲器、屏幕相連；通過普通I/O口與人機交互模塊中的按鍵、指示燈、蜂鳴器相連。電源管理模塊使用車載24 V輸入，實現24 V轉5 V、5 V轉3.3 V的電平轉換，并對各電壓進行監控。
EC20模塊集成了4G通信與衛星定位功能。它的長期演進技術(Long Term Evolution，LTE)模塊擁有100 Mb/s下行速率與50 Mb/s上行速率，并在無3G/4G信號時仍能接入2G網絡。它的定位模塊能接收全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS)與全球定位系統(Global Positioning System，GPS)的定位信息，定位精度1.5 m。EC20模塊電路圖如圖4所示，它有3個天線：主天線、接收多樣性天線與衛星定位天線。串口為1.8 V電平，故使用TXS0108PWR進行3.3 V與1.8 V電平轉換。
3.2 從板硬件設計
從板硬件架構圖如圖5所示。主芯片同樣選用GD32F105，它通過串口與ZigBee模塊相連，通過普通IO口與人機交互模塊中的指示燈、蜂鳴器相連。另外還有電源管理模塊與鉛封管理模塊。
電源管理模塊中的充電電路如圖6所示。LM2576芯片將車載24 V輸入轉換為5 V。TP4054充電器使用5 V輸入為3.7 V鋰電池充電。電池3.7 V輸入設置了按鈕S1與三極管Q1并聯的開關。按下按鈕，單片機上電后控制三極管導通，完成相應鉛封動作后，單片機控制三極管斷開，從而實現零功耗待機。從板日常為純電池工作，一次充電可維持一年以上。
另外，使用HM1548B芯片將3.7 V升壓為5 V，給電機供電。使用CAT6219將5 V降壓為3.3 V，為主芯片等供電。
從板鉛封管理電路如圖7所示。LG9110S為電機驅動芯片，有800 mA輸出能力。IA、IB為輸入信號，與主芯片相連。OA、OB為輸出信號，與電機相連。接地端串聯0.1 Ω采樣電阻，以檢測電機堵轉時的電流增加。閥門位置角度傳感器信號ANG與電機電流CUR作為模擬信號輸入到主芯片AD模塊中。檢測鎖舌位置的2個微動開關與4個ID電阻均采用簡單的接地檢測。ID0~ID2使用二進制，表示第1倉到第8倉(一般最多5倉)油罐，ID3表示為進油口還是出油口。
4 軟件設計
4.1 主板軟件設計
主板軟件設計如圖8所示。主芯片在輪詢中檢查是否檢測到解封卡，以及是否收到從板解封請求。若二者皆為是，則判定為接收解封請求。信號正常時，通過蜂窩移動通信方式將當前地理位置上傳至服務器，并接收服務器應答。若位置合法則向從板發送解封指令，若非法則報警。若遇到沒有信號的緊急情況，操作者需要使用超級解封卡。主板在沒信號且檢測到超級解封卡時執行解封，并且保存相關數據待有信號時上傳。
解封卡有普通卡與超級解封卡兩種。主板預先存儲一定數量的超級解封卡號，一旦使用則刪除該卡號，直到在服務器上重新注冊后才能再次使用該卡。
4.2 從板軟件設計
操作人員在主板控制盒中插入解封卡，然后在相應油口的從板控制盒按下電源按鈕。正常情況下，從板解封，操作人員手動打開球閥。裝油/卸油作業完成后，手動關閉球閥，再次按下從板電源按鈕，進行施封。
因為只有解封卡沒有施封卡，故從板必須可以自動施封，其軟件流程如圖9所示。上電初始化后，首先導通三極管Q1閉合電源開關。然后判斷閥門狀態與鉛封狀態。若閥門關且有鉛封，則向主板發送解封請求。若閥門閉且無鉛封，則自動施封。最后向主板發送閥門狀態與鉛封狀態，再自行斷電。
5 測試結果
上位機軟件使用Visual Basic編寫，界面如圖10所示。該軟件可以對油罐車進行信息查詢、發送施封/解封指令、查詢歷史數據，以及對車載終端、油站、解封卡進行注冊管理。
歷史數據查詢功能中可以生成各類報表。表1是某車隊疑點數據的節選。除了超速駕駛、疲勞駕駛以外，與油罐車密切相關的疑點事件主要有以下3種：在無信號地區使用超級解封卡、在非法地點試圖解封、在非法地點閥門開啟。報表中詳細列舉了事件類型、終端ID、時間與地點，為后續相關管理及追責提供有力證據。
6 結論
本文使用4G、GNSS、ZigBee技術設計了油罐車電子鉛封系統。通過對球閥的機械改裝，使得同時檢測鉛封與閥門狀態成為可能，并在軟件上實現自動施封。從板的電源硬件設計為零功耗待機，使得該ZigBee節點可以用電池工作1年以上。另外還編寫了實用的上位機軟件，實現油罐車的實時管理與歷史數據查詢。
參考文獻
[1] 王明吉，李玉爽，曹文.油槽車防盜油電子密碼鎖控系統[J].電子測量與儀器學報，2004(增刊)：836-839.
[2] 胡嘯.基于GPRS網絡的油罐車運營監管系統設計[D].廈門：廈門大學，2008.
[3] 劉學江.油罐車輛電子鉛封系統設計[D].北京：北京航空航天大學，2013.