基于4G的油罐车电子铅封系统设计*

王 建，周文立

（1.北京航空航天大学，北京 100191；2.车路协同与安全控制北京市重点实验室，北京 100191）

基于4G的油罐车电子铅封系统设计*

王 建1，2，周文立1，2

（1.北京航空航天大学，北京 100191；2.车路协同与安全控制北京市重点实验室，北京 100191）

为了应对油罐车运输油品失窃频发的问题，设计了一种电子铅封系统。安装在油罐车上的主板可以将当前地理位置通过4G技术上传给服务器，若位置合法则控制从板进行解封。球阀经改装可以检测阀门与铅封状态，实现自动施封功能。主板采用集成4G与全球卫星导航系统（GNSS）的EC20模块。主从板之间采用ZigBee无线通信，从板可以零功耗待机。结合上位机软件，系统可以对油罐车进行有效监控管理。

油罐车；电子铅封；电子锁；4G技术；GNSS

0 引言

近年来，成品油运输行业发展迅速。但是因为缺乏有效监管，出现了在运输途中油品被偷盗的问题，给管理带来困扰。为了进行高效的信息化管理，传统铅封正在被电子铅封所取代。文献[1]提出的油罐车防盗锁系统由车载电子锁与加油站解锁器组成，改装成本很高。文献[2]设计了基于通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)网络的油罐车监管系统，但缺乏对车辆定位的功能。文献[3]采用北斗定位技术、码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)通信技术、射频卡技术实现油罐车电子铅封功能，是比较先进的技术方案。

基于前人的设计，本文提出以下技术改进：设计出一种可行的油阀改装方案，实现自动施封功能,以去除施封卡，保留解封卡；使用更先进的4G通信技术，提高系统的可靠性；车内组网变为紫蜂（ZigBee）无线通信，以防止线束被蓄意破坏，而且网络节点实现低功耗运行。这一套油罐车铅封管理系统会比原来的系统更可靠安全，管理维护变得更简单便捷。

图1 电子铅封总体架构图

1 总体架构

系统的总体架构如图1所示。油罐车的驾驶舱中安装主板控制盒，进/出油口安装从板控制盒。卸油时，操作人员使用射频卡向主板发送解封请求，主板将当前经纬度通过蜂窝移动通信方式上传至服务器，服务器判断位置合法性并回复主板请求。若位置合法，主板则通过ZigBee向从板发送指令，由从板执行解封操作。连入因特网的电脑还可以安装客户端软件，对油罐车进行管理。

2 球阀电子铅封机械设计

油罐车的油阀通常为球阀，手柄旋转90°即可实现阀门的开启与关闭。为了安装电子铅封，需要对球阀进行如图2所示的改装。手柄转轴处安装角度传感器，以检测阀门状态。手柄与阀体各自固连带孔片状结构，可相对转动。手柄处于阀门关闭状态时，两孔对中。此时锁舌从中穿过，则手柄不可转动，实现铅封功能。从板控制盒中，使用减速直流电机与丝杠结构实现电子锁功能。另外还安装了两个微动开关检测锁舌位置，以判断铅封状态。同时检测阀门与铅封状态是实现自动施封的基础。

图2 球阀电子铅封机械图

3 硬件设计

3.1 主板硬件设计

主板硬件架构如图3所示。主芯片GD32F105是一款完全兼容STM32的国产芯片。它通过串口与ZigBee模块 ZICM2410、通信/定位模块 EC20、射频卡读卡模块ZTL522相连；通过SPI接口与存储器、屏幕相连；通过普通I/O口与人机交互模块中的按键、指示灯、蜂鸣器相连。电源管理模块使用车载24 V输入，实现24 V转5 V、5 V转3.3 V的电平转换，并对各电压进行监控。

图3 主板硬件架构图

EC20模块集成了4G通信与卫星定位功能。它的长期演进技术(Long Term Evolution，LTE)模块拥有100 Mb/s下行速率与50 Mb/s上行速率，并在无 3G/4G信号时仍能接入2G网络。它的定位模块能接收全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS)与全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的定位信息，定位精度 1.5 m。EC20模块电路图如图4所示，它有 3个天线：主天线、接收多样性天线与卫星定位天线。串口为1.8 V电平，故使用TXS0108PWR进行3.3 V与1.8 V电平转换。

图4 主板EC20模块电路图

3.2 从板硬件设计

从板硬件架构图如图5所示。主芯片同样选用GD32F105，它通过串口与 ZigBee模块相连，通过普通 IO口与人机交互模块中的指示灯、蜂鸣器相连。另外还有电源管理模块与铅封管理模块。

图5 从板硬件架构图

电源管理模块中的充电电路如图6所示。LM2576芯片将车载 24 V输入转换为 5 V。TP4054充电器使用5 V输入为3.7 V锂电池充电。电池 3.7 V输入设置了按钮S1与三极管Q1并联的开关。按下按钮，单片机上电后控制三极管导通，完成相应铅封动作后，单片机控制三极管断开，从而实现零功耗待机。从板日常为纯电池工作，一次充电可维持一年以上。

图6 从板充电电路图

另外，使用HM1548B芯片将3.7 V升压为5 V，给电机供电。使用CAT6219将5 V降压为3.3 V，为主芯片等供电。

从板铅封管理电路如图7所示。LG9110S为电机驱动芯片，有 800 mA输出能力。IA、IB为输入信号，与主芯片相连。OA、OB为输出信号，与电机相连。接地端串联 0.1 Ω采样电阻，以检测电机堵转时的电流增加。阀门位置角度传感器信号ANG与电机电流CUR作为模拟信号输入到主芯片AD模块中。检测锁舌位置的2个微动开关与4个ID电阻均采用简单的接地检测。ID0~ID2使用二进制，表示第1仓到第8仓(一般最多5仓)油罐，ID3表示为进油口还是出油口。

图7 从板铅封管理电路图

4 软件设计

4.1 主板软件设计

主板软件设计如图8所示。主芯片在轮询中检查是否检测到解封卡，以及是否收到从板解封请求。若二者皆为是，则判定为接收解封请求。信号正常时，通过蜂窝移动通信方式将当前地理位置上传至服务器，并接收服务器应答。若位置合法则向从板发送解封指令，若非法则报警。若遇到没有信号的紧急情况，操作者需要使用超级解封卡。主板在没信号且检测到超级解封卡时执行解封，并且保存相关数据待有信号时上传。

图8 主板软件总体流程图

解封卡有普通卡与超级解封卡两种。主板预先存储一定数量的超级解封卡号，一旦使用则删除该卡号，直到在服务器上重新注册后才能再次使用该卡。

4.2 从板软件设计

操作人员在主板控制盒中插入解封卡，然后在相应油口的从板控制盒按下电源按钮。正常情况下，从板解封，操作人员手动打开球阀。装油/卸油作业完成后，手动关闭球阀，再次按下从板电源按钮，进行施封。

因为只有解封卡没有施封卡，故从板必须可以自动施封，其软件流程如图9所示。上电初始化后，首先导通三极管Q1闭合电源开关。然后判断阀门状态与铅封状态。若阀门关且有铅封，则向主板发送解封请求。若阀门闭且无铅封，则自动施封。最后向主板发送阀门状态与铅封状态，再自行断电。

图9 从板软件总体流程图

5 测试结果

上位机软件使用Visual Basic编写，界面如图10所示。该软件可以对油罐车进行信息查询、发送施封/解封指令、查询历史数据，以及对车载终端、油站、解封卡进行注册管理。

图10 油罐车电子铅封系统上位机界面

历史数据查询功能中可以生成各类报表。表1是某车队疑点数据的节选。除了超速驾驶、疲劳驾驶以外，与油罐车密切相关的疑点事件主要有以下3种：在无信号地区使用超级解封卡、在非法地点试图解封、在非法地点阀门开启。报表中详细列举了事件类型、终端ID、时间与地点，为后续相关管理及追责提供有力证据。

表1 某车队2016年4月疑点数据表（节选）

6 结论

本文使用4G、GNSS、ZigBee技术设计了油罐车电子铅封系统。通过对球阀的机械改装，使得同时检测铅封与阀门状态成为可能，并在软件上实现自动施封。从板的电源硬件设计为零功耗待机，使得该ZigBee节点可以用电池工作1年以上。另外还编写了实用的上位机软件，实现油罐车的实时管理与历史数据查询。

[1]王明吉，李玉爽，曹文.油槽车防盗油电子密码锁控系统[J].电子测量与仪器学报，2004(增刊)：836-839.

[2]胡啸.基于 GPRS网络的油罐车运营监管系统设计[D].厦门：厦门大学，2008.

[3]刘学江.油罐车辆电子铅封系统设计[D].北京：北京航空航天大学，2013.

Design of tank truck electronic seal system based on 4G technology

Wang Jian1，2，Zhou Wenli1，2
(1.Beihang University，Beijing 100191，China；2.Beijing Key Laboratory for Cooperative Vehicle Infrastructure Systems and Safety Control，Beijing 100191，China)

In order to prevent oil theft during tank truck transportation,an electronic seal system is proposed.The mainboard on the truck can upload the current location to the server through 4G technology.If location is valid,the mainboard will command the slave board to unlock.The ball valve is modified to collect the state of the valve and seal,as the basis for auto sealing function. The mainboard adopts EC20 module which combines 4G technology and Global Navigation Satellite System(GNSS).The main and slave board communicate through ZigBee and the slave board can stand by with zero power consumption.With the upper computer software,the system can manage the tank trucks effectively.

tank truck；electronic seal；electronic lock；4G technology；GNSS

U279.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.012

王建，周文立.基于4G的油罐车电子铅封系统设计[J].电子技术应用，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.

2016-05-16）

王建（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：嵌入式系统、汽车电子。

国家自然科学基金（51405008）

周文立（1991-），女，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统、汽车电子。