文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.012
中文引用格式：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.
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
参考文献
[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.