一种低功耗沥青罐车监控终端和地面监控系统设计

王欣立，于泽人

（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁大连，116052）

0 引言

工业生产对特殊能源和危化品的需求逐渐变大，铁路运输中的罐箱车安全问题已经成为目前运输业关注的焦点[1]，在当前的罐箱车监控系统设计中，最基本的要求是保证针对不同种类罐箱车的安全性监控，而针对未来特种装备罐箱车的发展模式，智能化，信息化，低功耗则成为技术的需求。

沥青罐车监控终端是货运列车中一个非常重要的子系统，货运列车的运输时间长，空间距离远，存放环境恶劣，且沥青属于危化品。目前的监控终端实现了对罐箱的各项状态进行监控，包括GPS位置信息、货运温度等。但面对日益增加的运行车辆，由于监控终端的功耗大，导致维护成本逐渐变高。此外简单的状态信息监控已经不能满足针对智能化信息化的需求。因此本文设计了一款低功耗沥青罐监控终端综合监控系统，降低沥青罐车监控终端功耗的同时提升其智能化的需求。

1 监控系统工作原理

如图1所示，沥青罐监控终端系统由车载系统和地面服务器系统组成。

图1 罐箱货车远程监控系统结构

沥青罐监控终端系统为用户提供沥青罐箱货车的动态位置信息监控，列车的历史运行轨迹查询，列车的运行状态信息监控报警，和物流信息查询等功能的服务。通过车载终端采集列车位置信息和各种状态信息后通过GPS传输给地面服务器，地面服务器包含了控中心和手机监控业务，通过搭载的软件平台将数据解析，并通过列车提供的信息加载列车周围的地图信息和列车的各项监控参数，实现沥青罐箱货车的实时动态监控和物流信息的实时查询。为列车的高效管理、运营维护提供系统的决策支持。

2 车载系统硬件设计

罐箱监控终端的硬件主要主要由六部分组成：主体为采用极低功耗的MSP430F[2]的监控终端模块、GPS收发器模块、罐体损坏监测模块、卸料阀防盗报警模块、人孔盖防盗报警模块和供电模块组成。

图2为车载罐箱监控终端示意图，监控终端外壳有3个外部接口：温度信号接口，阀门报警装置接口（卸料阀防盗报警模块、人孔盖防盗报警模块）以及电源接口，防护等级为IP67。其中2路温度信号由2条线缆汇聚为一条线缆接入罐箱监控终端；阀门报警装置由行程开关和接近开关组成并共有一个外部接口，即共3个接口。

图2 罐箱监控终端示意图

2.1 监控终端模块

监控终端具备采集GPS地理位置信息、监测罐体温度、环境温度和无线数据传输等功能，具有极低功耗、电压监视及预警、异常倾斜角度或强烈震动预警、箱体损坏检测、阀门防盗装置、抗干扰能力强等特点。

监控终端电路板要求具有GPS天线接口、天线接口，温度测量接口、电源接口、极低功耗控制器、4G/5G通讯模块、SIM卡槽、GPS定位模块、行程开关接口和六轴陀螺仪芯片MPU6050等组成。

2.2 GPS收发器模块

GPS收发器用于增强GPS信号，采用独立模块形式，具有极低功耗、GPS陶瓷天线、30DB高增益。

2.3 罐体损坏检测模块

采用六轴陀螺仪检测箱体三方向位移及其瞬时加速度[3]。通过融合高精度动态滤波算法（卡尔曼滤波），精确得出箱体的实时运动状态并判断出是否有异常撞击。MPU6050支持I2C通信，可以通过串口将数据发送给罐箱监控终端，从而发送到地面服务器。

2.4 卸料阀防盗报警模块

通过在卸料阀安装行程开关，当阀门开启时，行程开关通电并将信号输出至罐箱监控终端，检测卸料阀是否存在异常开启，数据通过罐箱监控终端传到地面服务器。监视卸料阀的行程开关选用系列的低温版本可以在-20℃～70℃的范围下正常工作，满足罐箱车严格的温度使用要求，同时符合IP67安全防护等级。该行程开关设计使用寿命可达动作1000万次，并且耐腐蚀。

2.5 人孔盖防盗报警模块

通过在人孔盖安装接近开关，当人孔盖开启时，通过磁感应接近开关通电并将信号输出至罐箱监控终端，此时若没有收到服务器的人孔盖开启命令，则蜂鸣器会报警提示。检测人孔盖是否存在异常开启。数据通过罐箱监控终端传到地面服务器。安装方式采用埋入式，传感器可以在-30℃～120℃的范围下正常工作，满足罐箱车严格的温度使用要求，检测距离为10mm，同时符合IP67安全防护等级。

2.6 温度采集模块

罐体温度表用于测量油罐和集装箱的外部温度，具有高灵敏度和防震显示功能。PT100制作简单，易于维护[4]，因此作为温度表的探头接到罐体的表面进行温度测试。

2.7 供电模块

电池采用高密度、高容量、适用温度范围宽的电池组组成。电池的输出电压为7.2VDC，电池组由6节1号电池和1节电容器组成，总设计容量27000mAh。工作温度在-55℃～85℃，电池存储寿命在5年以上，可为罐体监控终端提供长期稳定的电源供应。

3 车载系统软件节能设计

为了降低能耗，需要从不同传感器使用占比方面进行考虑，由表1可知，模块的主要耗电在于无线通信模块和GPS定位模块，因此如果想要降低能耗，需要从这两方面的工作时间进行修改。

表1 模块耗电

终端软件可以分为监控状态和低功耗待机状态，在沥青罐车运输过程中，系统绝大部分时间处于低功耗待机状态。车载软件采用了休眠机制实现了降低功耗的功能，监控终端软件总体流程如图3所示。

图3 监控终端休眠方式总体流程图

如图3所示，车载终端上电后，系统开始硬件和软件的初始化工作，然后读取默认的阈值信息进行配置，开启无线通信模式和GPS定位模块进行第一次状态信息发送，并发送请求配置帧到地面服务器，地面服务器会显示列车状态信息并根据请求配置帧内容发送返回UDP配置帧到终端上进行阈值以及发送周期配置。

由于无线通信模式开启，芯片采用更高的16MHz时钟频率，系统设置传送周期为T，终端会实时采集温度以及其他报警信号，当到达传送周期T时触发发送。当超过根据配置的温度报警阈值以及触发报警模块的时候，也会触发终端发送模式，此实在开启无线和定位模块，将数据发送至地面。

在未达到时间或者未触发报警的时候，无线和定位模块将关闭并且芯片以低时钟频率10kHz运行，进入休眠模式等待下一次唤醒，相比于连续工作大大降低能耗，从而延长了设备的使用周期。

4 地面系统设计

沥青罐车监测与诊断系统软件用于实现罐车实时故障数据、运行数据的地面存储及分析评估。通过车地无线传输网络（5G/4G）发送过来的数据信息，经地面服务器软件解析处理后存入数据库服务器中，再经分析统计形成界面、报表，向用户展示列车运用、故障等机车各方面的汇总统计。通过对信息的实时监视处理，可实现对车辆运行状况的全程跟踪及故障报警预警。

系统在网络硬件、操作系统平台的基础上，自底向上分为数据层、支撑层、基础资源层、成果层、决策层。

（1）数据层：以数据库、XML等技术为依托，为系统建立数据模型，提供系统所需的基础数据资源。DBMS采用MySql数据库。

（2）支撑层：描述了在数据层的基础上构建应用服务所需的技术支撑。系统应用开发采用JavaEE技术，选择了比较流行的SSH框架作为主要的开发框架。客户端页面的设计上采用基于Html5、JavaScript、JQuery的客户端组件，并且运用AJAX、WebSocket等技术，以异步方式向服务器提出请求并处理响应。

（3）应用层：主要提供对列车、用户等基础信息的管理、列车实时运行数据的监测，列车状态、故障等历史数据的查询、分析服务。

整个网络系统基于公共互联网络连接，由数据库/web服务器和列车设备、监控终端等组成，根据系统软件架构，系统按照功能划分为4个子模块如图4所示。

图4 系统功能模块图

4.1 基础数据管理模块

（1）列车基础数据管理。本模块主要对列车的管理，包括列车的创建、列车信息的编辑修改、列车的检索、列车的删除等功能，用于可根据需求进行车辆的添加和检索，便于大批量管理沥青罐箱车。

（2）系统配置数据管理。本模块主要管理系统运行过程中的配置信息。可完成对车载终端设备参数的设置、修改等功能。

4.2 数据采集模块

（1）通信协议解析模块。列车设备与服务器间的通讯协议采用UDP协议，监控终端与服务器的连接采用TCP/IP协议。该模块主要完成对列车上传的网络数据包通信协议的解析，能够从网络数据包中解析出列车的状态、故障、运行轨迹的数据信息。

（2）实时数据采集模块。根据系统配置中的数据采集频率，定时采集列车上传的数据，并将数据存储到数据库之中。

（3）配置设置模块。将用户所设置的列车参数信息，即时传送到列车。主要配置信息包括终端温度监控阈值，交互周期，采样频率等，用户可根据地面服务器或者手机终端采用网络+短信的模式，短信用于及时发送，但具有信息量少，成本高的特点，网络可以用于信号覆盖差，但据有数据量大，成本低的特点。两者结合并优先采用网络模式。

4.3 数据分析模块

（1）实时数据监测模块。实时向客户端的浏览器页面传送列车的状态、故障、轨迹等信息，在主页、地图上显示，单击每辆列车的图标，可显示当前列车的实时状态数据及当前的报警信息。

（2）历史数据查询模块。根据用户输入的时间段、数据项，查询出某一时间段的相关数据。

（3）数据统计分析模块。根据用户要求，统计、分析所采集到的列车数据，并以文字、图表选择罐体温度、环境温度、地面速率、卸料阀、人孔盖等的历史状态曲线直观显示结果。

（4）报表生成模块。按照企业的运营要求，生成指定格式的报表。

4.4 用户管理模块

本模块主要完成对用户基本信息及权限的管理。包括用户的添加；密码、权限的设置；以及根据用户权限控制系统服务、资源的访问。用户权限分为普通用户权限，可查看列车运行状态；高级用户权限，具有普通用户权限，可做列车管理操作；系统管理员权限，具有高级用户权限，可完成对用户信息的查询、审核、账号的锁定解锁、密码的修改等功能。

整体软件采用B/S架构，支持IE、Chrome浏览器，系统的功能结构划分及分类层次清晰，用最少的操作步骤实现用户的数据显示；页面操作方面采用异步操作技术，减少与服务器交互引起的页面刷屏，达到最佳的用户体验。

5 总结

本文设计了一种低功耗沥青罐车监控终端和地面监控系统，车载终端系统采用了低功耗的CPU芯片并进行了低功耗软件设计，保证传输数据确定的前提下延长了设备使用时间，降低了维护成本，增加了防盗报警与箱体损坏监测报警功能。采用智能化监测平台，采用B/S架构实现数据状态检测并可以配置终端，有效的保障了沥青罐车的安全监测能力。