黄国兵，王淇苇，黄凯，2，张文星

（1.西安工程大学计算机科学学院，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司咸阳供电公司，陕西咸阳 712000）

油品运输过程中存在监守自盗的现象[1]，以致需要对运输过程进行全过程的监视管理。防止油品被盗最有效的办法就是对油罐车的装/放油阀门状态进行监测，常用的监测方法包括：1）基于RFID 的电子铅封技术[2]；2）监测油罐阀门状态的方法[3-4]。根据用户需求，采用阀门状态监测方法。为了实现对油品运输过程的监管，需要对油品运输的全过程进行监控[5]。考虑到油罐车阀门监测单元的安装部位，该单元运行必须满足防爆要求[6]。为此，监测单元模块采用电池供电[7]，为了延长电池的更换周期（不小于2年），模块运行必须采用省电模式设计[8-9]。由于从油罐阀门到车载终端之间使用有线通信不利于监测单元的省电运行和安装固定，用户提出阀门监测单元与车载终端之间采用无线方式通信，参考项目组先前实施的低功耗ZigBee 通信技术[10-11]，探索实现了适合项目的低功耗、短距离RF 通信电路实现方法[12]。针对阀门监测单元模块数据采集的需求，模块需要实现1 路开关量和4 路模拟量信号采集，这些信号的传感器需要监测单元供电，也要考虑省电运行的要求。

1 阀门状态监测解决方案

1.1 单片机系统方案构思

通过对用户需求的具体分析，阀门监测单元安装在金属阀门盖内运行，RF 天线从外盖露出，电池槽和天线底座布置在阀门腔体的外侧，圆形监测电路板固定在腔体的内侧，阀门底盖为金属，使电子组件与油品完全分隔。

考虑到阀门监测单元的低功耗和防爆需求，采用电池供电方式。阀门监测单元以低功耗模式工作，使其具有安防爆的特征，同时延长电池的工作寿命，以满足2 年电池更换周期的要求。

RF 无线通信电路采用短距离、低功耗模式，这里选用ATMEL 公司的AT86RF230 构建RF 无线通信电路[13-14]。由于ATMEL 公司有配套的支持低功耗模式的微控制器产品Atmega1281[15-16]，因此，选用该微控制器为核心搭建所设计的阀门监测单元电路。解决方案如图1 所示。

图1 阀门监测单元的解决方案

1.2 监测信号接口

根据需求，阀门监测单元需要采集阀门的开/合状态和几路模拟信号，其中阀门状态采用红外光电传感器实现，采集的模拟信号包括油气泄漏情况、罐体温度、罐体倾斜度、油品液位、罐内压力等。其中，罐体温度采样使用Dallas 公司的4 只DS18B20 单线温度传感器实现，考虑到监测单元省电运行的要求，温度传感器直接与安装在驾驶室内的车载终端连接，由车载终端供电，其他模拟信号接入监测单元采集。

根据传感器运行环境，传感器由监测单元供电，考虑到省电设计的要求，仅在采集数据时给传感器供电。由于模拟信号的采集需要根据油罐车的实际情况配置，监测单元需读取模拟信号的配置状态，决定是否启动相应的模拟量信号采集。此外，信号感知采用小型低功耗传感器。信号接入方案如图2所示。

图2 阀门监测单元的信号接入方案

2 阀门监测单元实现设计

根据以上解决方案，为了达成监测单元省电运行的目的，考虑到阀门信息每1 min 刷新1 次即可满足要求，数据采集的周期定为1 min，采集和发送任务完成之后CPU 立即进入睡眠状态。为了唤醒CPU，采用1 min 定时中断实现这一功能。此外，一旦发生电池电压低的状态，uP 电路也向CPU 提请中断，提示更换电池。

2.1 RF无线射频通信电路

阀门监测单元电路设计的关键在于低功耗RF无线射频通信的接口电路设计。在查阅防爆环境下无线通信的文献之后[10,13-14]，选择ATMEL 的AT86RF 230 实现这一通信接口。AT86RF230 采用SPI 接口与CPU 进行数据交换，并通过IRQ 信号向CPU 提请中断，实现其与CPU 之间的信息交互。AT86RF230工作需要独立的16 MHz 晶振驱动，依照AppNote 提供的参考电路，所设计的接口电路如图3 所示。

图3 RF无线通信接口的电路

图3 中，AT86RF230通过信号RFP 和RFN 连接平衡电感，再接RF 天线座。

2.2 阀门状态采集

阀门状态采集采用红外线光电传感器实现。具体实现时，光源部分安装在阀门沿口，阀门内设置有导光、透光口，阀门闭合时，电路板上的光敏管与透光口、光源在一条直线上，光源正好照射到电路板上的光敏管；阀门打开时，光源照射不到光敏管。由此可见，当阀门闭合时，光敏管导通，否则截止，这样就可以判断阀门的开合状态。阀门状态感知电路如图4所示。

图4 阀门状态感知电路

图4 中，D11 导通时，采样点接地，处于低电平，反之，D11 截止，光敏管的电阻为无穷大，采样点处于高电平。为了实现对采样点电平信号整形，采用LM393 比较器实现这一功能。电路中的R14电位计用于调节信号感知的灵敏度。

2.3 模拟信号接入

根据项目需求，阀门监测单元最多需要采集4路模拟量，包括油气浓度、油品液位、罐内压力和罐体倾斜角，具体接入模拟量的路数由油罐车实际情况确定，并通过跳线器（JP2）进行配置组态，以便监测单元能判定其工作状态。由于模拟量采集精度为5%F，Atmega1281 内置的ADC 即可满足要求，模拟信号接入电路如图5 所示。信号接入时，为了防止外部强电、高压信号窜入损坏CPU，这里采用D1和D9对输入信号作钳位处理。

图5 模拟信号接入电路

为了达到模拟量输入通道的省电运行目的，监测单元要读取模拟量通道的配置信息，并根据配置状态决定是否采样。也就是说，没有配置的模拟通道不采集，以节省电源开销。同时，传感器仅在信号采集时接通电源，避免不必要的电能消耗。信号采集实验发现，传感器供电需要尽可能提前，如果采样时供电，电路不充分供电会导致采集值比实际值偏低。为此，MCU 唤醒工作时，唤醒中断服务执行时就打开传感器电源开关，尽量提前给传感器供电。

另外，阀门监测单元的信号传感器由项目组定制，这些传感器都采用3.3 V 供电，信号输出范围为0～3 V，以微功耗模式工作。

2.4 软件运行流程

阀门监测单元的软件相对简单，该文采用了前后台模式的软件架构，前台主循环部分以查询方式轮流对采集信息进行处理，后台部分主要实现中断服务功能，完成数据采集与通信任务。

后台部分包括三个中断服务程序，分别是1 min唤醒中断、电池电压低中断和RF 电路的SPI 中断。唤醒中断服务主要实现两个功能，分别是设置定时采样标记和给传感器供电。电池电压低中断设置电池告警标记，而SPI 中断除实现SPI 驱动之外，在报文发送完成之后，设置RF 报文发送完成标记。

前台主循环部分运行时，先检测是否为1 min 采集标记，如果是，则设置DI 采集、AI 采集标记，再检测电池电压低标记、DI 采集标记、AI 采集标记，按标记实现对应的功能，并根据信息处理的结果生成事件信息，只要有新生成的事件信息，即设置RF 发送标记。主循环程序最后检测RF 标记，向车载终端发送新生成的信息，最后关闭传感器电源，CPU 进入睡眠状态。主循环部分的程序框图如图6 所示。

图6 前台主循环程序框图

图6 中，省略部分包括电池电压低标记、DI 采集标记、AI 采集标记的查询处理。

3 实验结果与分析

为了验证所设计阀门监测单元是否结合需求，在实验室搭建环境对监测单元的功能和性能参数进行了测试，主要包括数据采集、RF 通信。

实验室搭建的测试环境包括车载物联网后台PC 服务器、物联网终端和阀门监测单元三部分，测试时可以通过PC 服务器软件观测阀门监测单元采集的阀门状态和模拟量参数的值，通过车载物联网终端观测监测单元的RF 电路工作状态，需要测试的状态和参数通过阀门监测单元接入。

1）RF 通信无障碍测试。阀门监测单元和车载终端之间无遮挡通信，测试距离为30 m、60 m 时20次事件传输无误，90 m 时20 次事件传输有一次传输失败。

2）RF 通信有障碍测试。阀门监测单元和车载终端之间隔墙通信，测试距离为20 m、40 m 时20次事件传输无误，80 m 时20 次事件传输有一次传输失败。

3）阀门状态模拟测试。将红外光源对准阀门透光孔，再用遮光板模拟阀门打开和闭合，在后台系统观测从监测单元上报的阀门状态变化事件。连续测试10 次，测试结果为全部正确。

3）模拟量采集精度测试。采用高精度直流标准源提供0 V、1 V、2 V、3 V 电压，每个测点对每个测试值轮流测量五次，在后台服务器上观测监测单元上报的采样值，统计误差的最大值。测试得到的最大绝对误差为0.097 V，引用误差为3.2%F。

根据以上测试结果，RF 通信、阀门状态和模拟量参数采集等功能都满足规范书要求。

4 结论

针对项目组车载物联网项目研究开发的需求，文中完成了阀门监测单元开发工作，设计时主要针对省电、防爆需求进行了精细考量，提出了基于电池供电、CPU 低功耗、RF 短距离低功耗运行的方案，实现了阀门开合状态采集、4 路模拟信号采集的功能，信号采集接口设计时也充分考虑了省电、防爆的需求。在实验室完成了RF 通信、阀门状态采集和模拟量采集精度测试，都满足预期要求。由于实验室条件限制，没有对阀门监测单元的省电效果、防爆性能进行检测，这些项目由委托单位负责实施。