电子铅封系统简介应用基于4G的油罐车电子铅封系统设计|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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

U279.2

文献标识码： A

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。