毛理想,常 明,潘 澤,張 坤,于 洋

(1.山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)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(fā)生燃油泄露事件且沒有及時發(fā)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速,我國貨車燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)有了很大進步。王襄[1]提出一款商用車防盜油報警設(shè)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(dāng)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(nèi)將報警提醒,外部高音喇叭發(fā)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(lián)網(wǎng)技術(shù),對燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)進行設(shè)計,以有效防止貨車行駛時發(fā)生燃油泄露及被盜事件。

中重型貨車燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)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(shè)計。根據(jù)燃油異常減少情況設(shè)計檢測、控制及預(yù)警方案。③物理模型設(shè)計。根據(jù)總體方案選用傳感器,確定最優(yōu)的電路硬件,基于Keil軟件編寫STM32單片機程序語言,完成系統(tǒng)控制程序設(shè)計。④模型實驗。在檢查電路連接準(zhǔn)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(tǒng)檢測、控制及預(yù)警功能實現(xiàn)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(shè)計,總?cè)萘窟_1300 L。燃油箱安裝在車身兩側(cè),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(zhì)。貨車燃油箱的材質(zhì)主要有鋁質(zhì)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(chǎn)成本低、加工工藝簡單等特點[2]。

根據(jù)貨車司機的反映,車輛由于經(jīng)常在復(fù)雜的路況下行駛,燃油箱外側(cè)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(xiàn)裂紋老化等情況,從而發(fā)生燃油泄露,導(dǎo)致燃油異常減少。中重型貨車處于停車狀態(tài)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(jīng)常在高速服務(wù)區(qū)或其他停車區(qū)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(zhì)量增加,不符合現(xiàn)代汽車輕量化的設(shè)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(lián)網(wǎng)技術(shù),在不改變原燃油箱的基礎(chǔ)上利用智能控制技術(shù),可解決燃油異常減少問題。

2 總體方案設(shè)計

燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括燃油數(shù)據(jù)檢測模塊、預(yù)警模塊、電源模塊及紅外高清攝像頭等?？傮w設(shè)計方案圖如1所示。預(yù)警模塊分為蜂鳴器現(xiàn)場預(yù)警與GSM網(wǎng)絡(luò)通信預(yù)警,預(yù)警采用分級報警模式。預(yù)警原理如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計方案

圖2 分級預(yù)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(yīng)油箱附近是否有人靠近,如果感應(yīng)到有人靠近,蜂鳴器會發(fā)出警報。微處理器用于綜合處理分析各傳感器數(shù)據(jù),從而控制預(yù)警模塊實現(xiàn)預(yù)警。分級預(yù)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(yù)警,并于15 s后自動關(guān)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(xù)發(fā)出警報,控制攝像頭開始攝像,并對拍攝視頻保存?zhèn)浞?通過GPRS模塊,利用GSM協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行電話報警,以打電話和發(fā)短信的形式告知車主。

3 物理模型設(shè)計

3.1 燃油數(shù)據(jù)檢測模塊設(shè)計

燃油數(shù)據(jù)檢測模塊包括油位傳感器、振動傳感器、接近預(yù)警器等,用于實時檢測燃油箱內(nèi)燃油是否處于正常使用狀態(tài),所有元器件均可依據(jù)型號購買或定制。選用基于光學(xué)原理設(shè)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(dāng)壓電陶瓷片振動時產(chǎn)生電信號,振動電信號可實現(xiàn)與振動相關(guān)的交互式工作[4]。接近預(yù)警器由雷達測距儀及蜂鳴器兩部分構(gòu)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(qū)動模塊采用S8850三極管驅(qū)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(fā)板作為系統(tǒng)的控制模塊。這是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)電壓為5.5 V,標(biāo)定容量為1500 mAh,可循環(huán)使用500次,具有電路過載保護機制,可有效保護設(shè)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(shù)據(jù),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(zhǔn)等功能[5]。

3.5 預(yù)警模塊的設(shè)計

選擇E16V嵌入式GPRS模塊作為通信預(yù)警模塊,支持中英文短信配置,支持MQTT標(biāo)椎協(xié)議,支持LBS基站定位,在獲取GPRS模塊附近基站位置后實現(xiàn)LBS定位功能及用戶設(shè)備地區(qū)化管理。

現(xiàn)場預(yù)警模塊由蜂鳴器與擴音器組成,蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲,擴音器將蜂鳴器發(fā)出的聲音進行擴大發(fā)出,令駕駛員更容易發(fā)現(xiàn)這一情況。

4 程序設(shè)計

基于Keil平臺進行STM32單片機控制程序設(shè)計,包括燃油數(shù)據(jù)檢測模塊與預(yù)警模塊的程序設(shè)計。程序設(shè)計流程如圖3所示,程序設(shè)計代碼如圖4所示,掃描二維碼可查看系統(tǒng)程序。

圖3 程序設(shè)計流程

圖4 燃油防盜預(yù)警系統(tǒng)的程序設(shè)計代碼

燃油數(shù)據(jù)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(shè)計,實現(xiàn)單片機對燃油數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、采集及分析處理功能。

預(yù)警模塊是利用STM32單片機與GSM通信模塊的相互配合完成網(wǎng)絡(luò)預(yù)警。

燃油數(shù)據(jù)檢測模塊是預(yù)警模塊的觸發(fā)條件,二者存在先后因果關(guān)系,當(dāng)燃油數(shù)據(jù)檢測模塊判斷燃油箱內(nèi)的燃油出現(xiàn)異常減少時,預(yù)警模塊會被觸發(fā),蜂鳴器發(fā)出警報,GSM通信模塊打電話及發(fā)短信告知車主,如果是停車狀態(tài),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(shè)計,根據(jù)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(yù)警系統(tǒng)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(yīng)驗證模型油箱的密封性,避免人為造成實驗數(shù)據(jù)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(shù)在5.0～5.8 V則證明電源模塊輸出電壓正常,在確定準(zhǔn)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(guān),模型燃油箱內(nèi)的液面下降,模擬油箱內(nèi)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(yù)期效果,設(shè)定液面下降1 cm發(fā)出報警信號,觀察到液面下降1 cm時蜂鳴器發(fā)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(fā)出報警聲,毫米波雷達正常工作。毫米波雷達監(jiān)測范圍設(shè)定為0～1.5 m。

振動傳感器測試:振動速度設(shè)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(fā)出警報,證明振動傳感器檢測與發(fā)送信號功能正常。

5.5 通信模塊測試

網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要通過GSM通信技術(shù)實現(xiàn)的,網(wǎng)絡(luò)預(yù)警執(zhí)行與否取決于STM32單片機對燃油數(shù)據(jù)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(shè)定的號碼發(fā)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(yù)警測試

STM32單片機在分析處理各傳感器采集的數(shù)據(jù)后,若判斷燃油存在被盜可能時,向蜂鳴器發(fā)送工作指令,若蜂鳴器發(fā)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(yīng)用環(huán)境,設(shè)計增加擴音器,可對蜂鳴器聲音進行放大,以起到更好的預(yù)警功能。

5.7 紅外高清攝像頭錄像測試

系統(tǒng)供電,在燃油箱模型中裝滿水進行輕微敲擊,模擬產(chǎn)生振動,打開抽水泵開關(guān),模型燃油箱內(nèi)的液面下降,模擬燃油量異常減少,此時蜂鳴器發(fā)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(guān)閉系統(tǒng),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(nèi)的燃油量減少快慢、燃油箱振動幅度、紅外雷達感應(yīng)距離、蜂鳴器是否發(fā)出蜂鳴聲、GSM模塊打電話及發(fā)短信給指定聯(lián)系人等部分。每部分測試不少于5次,記錄實際數(shù)據(jù),以保證運行測試的準(zhǔn)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(yù)警系統(tǒng)模型的功能測試視頻

模型實驗過程及實驗結(jié)果表明,當(dāng)有人靠近燃油箱時,蜂鳴器發(fā)出警報,對不法分子起到警示作用,警報時長15 s。當(dāng)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(dāng)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(xiàn)場視頻并進行存儲。

6 結(jié)束語

基于現(xiàn)代智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),采用STM32單片機作為主控芯片,結(jié)合毫米波雷達傳感器、GMS網(wǎng)絡(luò)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(yù)警系統(tǒng)設(shè)計。通過物理模型實驗,驗證了系統(tǒng)設(shè)計方案的科學(xué)性及合理性,功能測試達到預(yù)期效果,在一定程度上避免了交通事故的發(fā)生,減少了經(jīng)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。