武麗英，侯建勤

(上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

移動油罐車擔(dān)負(fù)著從油庫到各個加油站的油品運(yùn)輸任務(wù)。由于油罐的移動性，移動油罐車的管理相當(dāng)困難。在運(yùn)輸過程中，因其存儲的物質(zhì)大多是易燃易爆產(chǎn)品，當(dāng)油罐內(nèi)溫度過高或者壓力過大時，容易發(fā)生爆炸，造成極大危害[1-2]。為了解決這一問題、掌握油罐的運(yùn)行情況，一些企業(yè)采用人工投尺、人工采樣和人工計(jì)量等方式。這種方式不但勞動強(qiáng)度很大，而且危險(xiǎn)性也非常大，油罐爆炸和傷亡事件時有發(fā)生。

本文設(shè)計(jì)的基于通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)和全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)的移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)，可以自動監(jiān)控并記錄移動油罐車的壓力、液位、溫度和運(yùn)行位置，掌握油罐車的運(yùn)輸狀況。該系統(tǒng)不但保證了油罐車的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高了石油運(yùn)輸企業(yè)的運(yùn)營工作效率和安全管理水平，而且對整個運(yùn)輸行業(yè)的智能化發(fā)展起到了推動作用。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS和GPS的移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括罐體、傳感器、智能檢測器、報(bào)警器、服務(wù)器和客戶端六部分。移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器[9]，分別采集油罐內(nèi)的壓力、溫度[10]和液位[11]信息，轉(zhuǎn)換為0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號并傳輸給智能檢測器。通過智能檢測器的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理器(central processing unit,CPU)處理模塊，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，并通過顯示模塊顯示在顯示屏。同時， GPS通信模塊定時獲取油罐車三坐標(biāo)的位置信息，傳輸給CPU處理模塊。CPU處理模塊通過GPRS通信模塊把所有數(shù)據(jù)定時傳輸給服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲。客戶端通過輸入不同的權(quán)限進(jìn)行設(shè)置和查詢各參數(shù)數(shù)值，通過輸入不同的時段，可查看或打印各參數(shù)的歷史報(bào)表和相關(guān)報(bào)警記錄。同時，智能檢測器可以對超范圍的情況進(jìn)行現(xiàn)場報(bào)警并顯示，以提醒工作人員安全處理。

圖1 移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到油罐車移動非常頻繁，為了保證在運(yùn)輸過程中可以及時了解油罐的運(yùn)輸狀態(tài),本文采用資費(fèi)較低且覆蓋極為廣泛的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)作為采集信息的遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用GPS[3-7]衛(wèi)星技術(shù)作為油罐車的移動定位系統(tǒng)，從而記錄整個移動油罐車的運(yùn)行軌跡[4-10]。本文涉及的采集信息經(jīng)過智能檢測器就地處理之后，把簡化后的信息上傳到服務(wù)器上。這樣不僅降低誤操作，保證可靠性，而且也降低了對寬帶的要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要基于智能檢測器以及服務(wù)器平臺。

3.1 智能檢測器硬件設(shè)計(jì)

智能檢測器硬件設(shè)計(jì)主要包括四部分：電源部分、傳感器接入部分、數(shù)據(jù)處理與顯示部分、通信部分。智能檢測器原理框圖如圖2所示。

圖2 智能檢測器原理框圖

①電源部分。

電源部分包括供電電源和電源管理模塊，整體實(shí)現(xiàn)智能檢測器及傳感器的能量供給和分配管理。

供電電源由12 V、10 A鋰電池與20 W、12 V 太陽能充電電池板組成。鋰電池與太陽能充電逆變器包裝采用鋁合金防爆盒包裝，輸入/輸出接頭都采用2芯航空防水接頭與智能檢測器連接。太陽能電池板功率50 W，面積約0.3 m2，厚度不超過1 cm。

電源管理模塊為智能檢測器各個模塊供電。其供電穩(wěn)定性是車模穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時要考慮到每個模塊的供電電壓、電流以及模塊工作所允許的噪聲干擾。在本文中，除了考慮以上因素外，還要考慮到系統(tǒng)的低功耗需求。本文的CPU供電模塊選擇LP2992AIMX-3.3 V，輸入端除了接入必要的TVS管、壓敏電阻、保險(xiǎn)絲外，還增加了DN2540來承擔(dān)一部分電壓，降低低壓差線性穩(wěn)壓器上的壓降。GPS[12]和GPRS模塊[13]采用TPS62140_ARGT_16電源模塊，只有在CPU喚醒的狀態(tài)下，回路才進(jìn)行工作。模擬回路的電源與通信模塊的電源通過定制的高頻變壓器進(jìn)行隔離，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)電源低功耗需求。

②傳感器接入部分。

本設(shè)計(jì)中的油罐傳感器主要包括壓力傳感器、液位傳感器[5]和溫度傳感器[6-14]。其中，壓力傳感器和液位傳感器都采用兩線制，直接接入主板模擬量接口，接頭形式采用防水航空接頭。傳感器輸入采用0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，傳感器的供電電壓為12 V，與智能檢測器使用同一個供電源。

圖3 溫度采集電路圖

③數(shù)據(jù)處理與顯示部分。

數(shù)據(jù)處理和顯示模塊主要完成對采集數(shù)據(jù)的處理和顯示，包括CPU處理模塊、數(shù)字輸出模塊和顯示模塊。

CPU處理模塊采用ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32F103RCT6，內(nèi)置128 KB的Flash存儲器以及20 KB的數(shù)據(jù)存儲器，還集成了USART通信口、SPI接口等多種資源，是一款非常適用于低功耗及處理要求高度集成的應(yīng)用。復(fù)位電路包括硬件復(fù)位電路和軟件復(fù)位電路，以保證設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

數(shù)字輸出模塊采用達(dá)林頓管驅(qū)動機(jī)械繼電器的方式進(jìn)行輸出控制，可用于控制報(bào)警器。報(bào)警器安裝在司機(jī)駕駛室。當(dāng)所采集的數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，工作人員能及時查看。

顯示模塊采用2.9英寸(1英寸=25.4 mm)的低功耗電子墨水屏GDE029A1，工作電壓為2.4～3.7 V，通過SPI方式進(jìn)行通信，可支持全局/局部刷新。刷新功耗：功率為26.4 mW，刷新時間定在CPU喚醒的時候進(jìn)行刷新。

④通信部分。

通信部分包含GPS衛(wèi)星通信、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信三部分。

GPS衛(wèi)星主要采集移動油罐車的定位信息，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信主要完成對采集數(shù)據(jù)的上傳。在設(shè)計(jì)時，選擇了將數(shù)據(jù)傳輸和定位功能GPS/GPRS[8]二合一模塊USR-GM3P。這是一款以物聯(lián)網(wǎng)為核心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)模塊解決方案，簡單可靠，可通過UART方式與CPU處理模塊進(jìn)行通信。GPS天線與GPRS天線與模塊集成在一起，便于開發(fā)應(yīng)用。

串口通信用于智能檢測器與個人計(jì)算機(jī)的調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，借助預(yù)留的串口調(diào)試口進(jìn)行處理[7]。

3.2 服務(wù)平臺的搭建

服務(wù)平臺是移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，采集各個移動油罐的傳感信息和定位信息，并將其存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括智能檢測器軟件設(shè)計(jì)和客戶端軟件設(shè)計(jì)兩部分。

4.1 智能檢測器軟件設(shè)計(jì)

①智能檢測器主流程。

智能檢測器采用C語言進(jìn)行編程和編寫，以TKStudio集成開發(fā)環(huán)境作為軟件開發(fā)和調(diào)試平臺。智能檢測器軟件流程如圖4所示。

圖4 智能檢測器軟件流程圖

首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化并打開中斷，進(jìn)行模/數(shù)(analog/digital,A/D)采樣。采樣完成，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)超限時，驅(qū)動報(bào)警。同時，數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)異常時，驅(qū)動現(xiàn)場報(bào)警設(shè)備，并發(fā)送錯誤類型代碼給服務(wù)器，以便確認(rèn)問題。

②A/D采樣濾波算法。

為了保證測量的穩(wěn)定性，在完成A/D采樣以后，要對采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波。濾波算法采用一階滯后數(shù)字濾波算法。當(dāng)采樣周期遠(yuǎn)小于濾波時間常數(shù)時，該算法等價(jià)于一般的一階滯后RC模擬濾波器，對周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動頻率較高參數(shù)的濾波。濾波時間常數(shù)選擇，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，采用固定濾波時間常數(shù)的濾波算法，如式(1)所示。

(1)

4.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了基于GPRS和GPS的移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)?？蛻舳擞脩敉ㄟ^瀏覽器可以遠(yuǎn)程查看移動油罐車的相關(guān)信息，包括油罐的當(dāng)前壓力、溫度、液位以及定位信息、歷史信息、報(bào)警信息和報(bào)表信息[15]。系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能模塊圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS和GPS的移動油罐監(jiān)控系統(tǒng)，采用了GPS對移動油罐的自動定位，解決了移動油罐運(yùn)輸路線難以掌握的情況；采用了GPRS技術(shù)對移動油罐相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)控，解決了油罐車安全運(yùn)輸?shù)碾[患問題。長期應(yīng)用表明，移動油罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、性能穩(wěn)定，有效保證了移動油罐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，一定程度上提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對整個運(yùn)輸行業(yè)的智能化發(fā)展起到了推動作用。下一步結(jié)合移動油罐車的供電增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)[16]，以保證系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和應(yīng)用可行性。