一種低功耗瀝青罐車監(jiān)控終端和地面監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王欣立，于澤人

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連，116052）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)對(duì)特殊能源和?；返男枨笾饾u變大，鐵路運(yùn)輸中的罐箱車安全問題已經(jīng)成為目前運(yùn)輸業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]，在當(dāng)前的罐箱車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最基本的要求是保證針對(duì)不同種類罐箱車的安全性監(jiān)控，而針對(duì)未來特種裝備罐箱車的發(fā)展模式，智能化，信息化，低功耗則成為技術(shù)的需求。

瀝青罐車監(jiān)控終端是貨運(yùn)列車中一個(gè)非常重要的子系統(tǒng)，貨運(yùn)列車的運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，空間距離遠(yuǎn)，存放環(huán)境惡劣，且瀝青屬于危化品。目前的監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)了對(duì)罐箱的各項(xiàng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，包括GPS位置信息、貨運(yùn)溫度等。但面對(duì)日益增加的運(yùn)行車輛，由于監(jiān)控終端的功耗大，導(dǎo)致維護(hù)成本逐漸變高。此外簡(jiǎn)單的狀態(tài)信息監(jiān)控已經(jīng)不能滿足針對(duì)智能化信息化的需求。因此本文設(shè)計(jì)了一款低功耗瀝青罐監(jiān)控終端綜合監(jiān)控系統(tǒng)，降低瀝青罐車監(jiān)控終端功耗的同時(shí)提升其智能化的需求。

1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，瀝青罐監(jiān)控終端系統(tǒng)由車載系統(tǒng)和地面服務(wù)器系統(tǒng)組成。

圖1 罐箱貨車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

瀝青罐監(jiān)控終端系統(tǒng)為用戶提供瀝青罐箱貨車的動(dòng)態(tài)位置信息監(jiān)控，列車的歷史運(yùn)行軌跡查詢，列車的運(yùn)行狀態(tài)信息監(jiān)控報(bào)警，和物流信息查詢等功能的服務(wù)。通過車載終端采集列車位置信息和各種狀態(tài)信息后通過GPS傳輸給地面服務(wù)器，地面服務(wù)器包含了控中心和手機(jī)監(jiān)控業(yè)務(wù)，通過搭載的軟件平臺(tái)將數(shù)據(jù)解析，并通過列車提供的信息加載列車周圍的地圖信息和列車的各項(xiàng)監(jiān)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)瀝青罐箱貨車的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和物流信息的實(shí)時(shí)查詢。為列車的高效管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供系統(tǒng)的決策支持。

2 車載系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

罐箱監(jiān)控終端的硬件主要主要由六部分組成：主體為采用極低功耗的MSP430F[2]的監(jiān)控終端模塊、GPS收發(fā)器模塊、罐體損壞監(jiān)測(cè)模塊、卸料閥防盜報(bào)警模塊、人孔蓋防盜報(bào)警模塊和供電模塊組成。

圖2為車載罐箱監(jiān)控終端示意圖，監(jiān)控終端外殼有3個(gè)外部接口：溫度信號(hào)接口，閥門報(bào)警裝置接口（卸料閥防盜報(bào)警模塊、人孔蓋防盜報(bào)警模塊）以及電源接口，防護(hù)等級(jí)為IP67。其中2路溫度信號(hào)由2條線纜匯聚為一條線纜接入罐箱監(jiān)控終端；閥門報(bào)警裝置由行程開關(guān)和接近開關(guān)組成并共有一個(gè)外部接口，即共3個(gè)接口。

圖2 罐箱監(jiān)控終端示意圖

2.1 監(jiān)控終端模塊

監(jiān)控終端具備采集GPS地理位置信息、監(jiān)測(cè)罐體溫度、環(huán)境溫度和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，具有極低功耗、電壓監(jiān)視及預(yù)警、異常傾斜角度或強(qiáng)烈震動(dòng)預(yù)警、箱體損壞檢測(cè)、閥門防盜裝置、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

監(jiān)控終端電路板要求具有GPS天線接口、天線接口，溫度測(cè)量接口、電源接口、極低功耗控制器、4G/5G通訊模塊、SIM卡槽、GPS定位模塊、行程開關(guān)接口和六軸陀螺儀芯片MPU6050等組成。

2.2 GPS收發(fā)器模塊

GPS收發(fā)器用于增強(qiáng)GPS信號(hào)，采用獨(dú)立模塊形式，具有極低功耗、GPS陶瓷天線、30DB高增益。

2.3 罐體損壞檢測(cè)模塊

采用六軸陀螺儀檢測(cè)箱體三方向位移及其瞬時(shí)加速度[3]。通過融合高精度動(dòng)態(tài)濾波算法（卡爾曼濾波），精確得出箱體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并判斷出是否有異常撞擊。MPU6050支持I2C通信，可以通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給罐箱監(jiān)控終端，從而發(fā)送到地面服務(wù)器。

2.4 卸料閥防盜報(bào)警模塊

通過在卸料閥安裝行程開關(guān)，當(dāng)閥門開啟時(shí)，行程開關(guān)通電并將信號(hào)輸出至罐箱監(jiān)控終端，檢測(cè)卸料閥是否存在異常開啟，數(shù)據(jù)通過罐箱監(jiān)控終端傳到地面服務(wù)器。監(jiān)視卸料閥的行程開關(guān)選用系列的低溫版本可以在-20℃～70℃的范圍下正常工作，滿足罐箱車嚴(yán)格的溫度使用要求，同時(shí)符合IP67安全防護(hù)等級(jí)。該行程開關(guān)設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)動(dòng)作1000萬(wàn)次，并且耐腐蝕。

2.5 人孔蓋防盜報(bào)警模塊

通過在人孔蓋安裝接近開關(guān)，當(dāng)人孔蓋開啟時(shí)，通過磁感應(yīng)接近開關(guān)通電并將信號(hào)輸出至罐箱監(jiān)控終端，此時(shí)若沒有收到服務(wù)器的人孔蓋開啟命令，則蜂鳴器會(huì)報(bào)警提示。檢測(cè)人孔蓋是否存在異常開啟。數(shù)據(jù)通過罐箱監(jiān)控終端傳到地面服務(wù)器。安裝方式采用埋入式，傳感器可以在-30℃～120℃的范圍下正常工作，滿足罐箱車嚴(yán)格的溫度使用要求，檢測(cè)距離為10mm，同時(shí)符合IP67安全防護(hù)等級(jí)。

2.6 溫度采集模塊

罐體溫度表用于測(cè)量油罐和集裝箱的外部溫度，具有高靈敏度和防震顯示功能。PT100制作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)[4]，因此作為溫度表的探頭接到罐體的表面進(jìn)行溫度測(cè)試。

2.7 供電模塊

電池采用高密度、高容量、適用溫度范圍寬的電池組組成。電池的輸出電壓為7.2VDC，電池組由6節(jié)1號(hào)電池和1節(jié)電容器組成，總設(shè)計(jì)容量27000mAh。工作溫度在-55℃～85℃，電池存儲(chǔ)壽命在5年以上，可為罐體監(jiān)控終端提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

3 車載系統(tǒng)軟件節(jié)能設(shè)計(jì)

為了降低能耗，需要從不同傳感器使用占比方面進(jìn)行考慮，由表1可知，模塊的主要耗電在于無(wú)線通信模塊和GPS定位模塊，因此如果想要降低能耗，需要從這兩方面的工作時(shí)間進(jìn)行修改。

表1 模塊耗電

終端軟件可以分為監(jiān)控狀態(tài)和低功耗待機(jī)狀態(tài)，在瀝青罐車運(yùn)輸過程中，系統(tǒng)絕大部分時(shí)間處于低功耗待機(jī)狀態(tài)。車載軟件采用了休眠機(jī)制實(shí)現(xiàn)了降低功耗的功能，監(jiān)控終端軟件總體流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端休眠方式總體流程圖

如圖3所示，車載終端上電后，系統(tǒng)開始硬件和軟件的初始化工作，然后讀取默認(rèn)的閾值信息進(jìn)行配置，開啟無(wú)線通信模式和GPS定位模塊進(jìn)行第一次狀態(tài)信息發(fā)送，并發(fā)送請(qǐng)求配置幀到地面服務(wù)器，地面服務(wù)器會(huì)顯示列車狀態(tài)信息并根據(jù)請(qǐng)求配置幀內(nèi)容發(fā)送返回UDP配置幀到終端上進(jìn)行閾值以及發(fā)送周期配置。

由于無(wú)線通信模式開啟，芯片采用更高的16MHz時(shí)鐘頻率，系統(tǒng)設(shè)置傳送周期為T，終端會(huì)實(shí)時(shí)采集溫度以及其他報(bào)警信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)傳送周期T時(shí)觸發(fā)發(fā)送。當(dāng)超過根據(jù)配置的溫度報(bào)警閾值以及觸發(fā)報(bào)警模塊的時(shí)候，也會(huì)觸發(fā)終端發(fā)送模式，此實(shí)在開啟無(wú)線和定位模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面。

在未達(dá)到時(shí)間或者未觸發(fā)報(bào)警的時(shí)候，無(wú)線和定位模塊將關(guān)閉并且芯片以低時(shí)鐘頻率10kHz運(yùn)行，進(jìn)入休眠模式等待下一次喚醒，相比于連續(xù)工作大大降低能耗，從而延長(zhǎng)了設(shè)備的使用周期。

4 地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瀝青罐車監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)軟件用于實(shí)現(xiàn)罐車實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的地面存儲(chǔ)及分析評(píng)估。通過車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)（5G/4G）發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)地面服務(wù)器軟件解析處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，再經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)形成界面、報(bào)表，向用戶展示列車運(yùn)用、故障等機(jī)車各方面的匯總統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)視處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀況的全程跟蹤及故障報(bào)警預(yù)警。

系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)硬件、操作系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，自底向上分為數(shù)據(jù)層、支撐層、基礎(chǔ)資源層、成果層、決策層。

（1）數(shù)據(jù)層：以數(shù)據(jù)庫(kù)、XML等技術(shù)為依托，為系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)模型，提供系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源。DBMS采用MySql數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）支撐層：描述了在數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用服務(wù)所需的技術(shù)支撐。系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)采用JavaEE技術(shù)，選擇了比較流行的SSH框架作為主要的開發(fā)框架?？蛻舳隧?yè)面的設(shè)計(jì)上采用基于Html5、JavaScript、JQuery的客戶端組件，并且運(yùn)用AJAX、WebSocket等技術(shù)，以異步方式向服務(wù)器提出請(qǐng)求并處理響應(yīng)。

（3）應(yīng)用層：主要提供對(duì)列車、用戶等基礎(chǔ)信息的管理、列車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，列車狀態(tài)、故障等歷史數(shù)據(jù)的查詢、分析服務(wù)。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接，由數(shù)據(jù)庫(kù)/web服務(wù)器和列車設(shè)備、監(jiān)控終端等組成，根據(jù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)，系統(tǒng)按照功能劃分為4個(gè)子模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊圖

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊

（1）列車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。本模塊主要對(duì)列車的管理，包括列車的創(chuàng)建、列車信息的編輯修改、列車的檢索、列車的刪除等功能，用于可根據(jù)需求進(jìn)行車輛的添加和檢索，便于大批量管理瀝青罐箱車。

（2）系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)管理。本模塊主要管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的配置信息?？赏瓿蓪?duì)車載終端設(shè)備參數(shù)的設(shè)置、修改等功能。

4.2 數(shù)據(jù)采集模塊

（1）通信協(xié)議解析模塊。列車設(shè)備與服務(wù)器間的通訊協(xié)議采用UDP協(xié)議，監(jiān)控終端與服務(wù)器的連接采用TCP/IP協(xié)議。該模塊主要完成對(duì)列車上傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通信協(xié)議的解析，能夠從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中解析出列車的狀態(tài)、故障、運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)信息。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊。根據(jù)系統(tǒng)配置中的數(shù)據(jù)采集頻率，定時(shí)采集列車上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)之中。

（3）配置設(shè)置模塊。將用戶所設(shè)置的列車參數(shù)信息，即時(shí)傳送到列車。主要配置信息包括終端溫度監(jiān)控閾值，交互周期，采樣頻率等，用戶可根據(jù)地面服務(wù)器或者手機(jī)終端采用網(wǎng)絡(luò)+短信的模式，短信用于及時(shí)發(fā)送，但具有信息量少，成本高的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)可以用于信號(hào)覆蓋差，但據(jù)有數(shù)據(jù)量大，成本低的特點(diǎn)。兩者結(jié)合并優(yōu)先采用網(wǎng)絡(luò)模式。

4.3 數(shù)據(jù)分析模塊

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊。實(shí)時(shí)向客戶端的瀏覽器頁(yè)面?zhèn)魉土熊嚨臓顟B(tài)、故障、軌跡等信息，在主頁(yè)、地圖上顯示，單擊每輛列車的圖標(biāo)，可顯示當(dāng)前列車的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)及當(dāng)前的報(bào)警信息。

（2）歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。根據(jù)用戶輸入的時(shí)間段、數(shù)據(jù)項(xiàng)，查詢出某一時(shí)間段的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊。根據(jù)用戶要求，統(tǒng)計(jì)、分析所采集到的列車數(shù)據(jù)，并以文字、圖表選擇罐體溫度、環(huán)境溫度、地面速率、卸料閥、人孔蓋等的歷史狀態(tài)曲線直觀顯示結(jié)果。

（4）報(bào)表生成模塊。按照企業(yè)的運(yùn)營(yíng)要求，生成指定格式的報(bào)表。

4.4 用戶管理模塊

本模塊主要完成對(duì)用戶基本信息及權(quán)限的管理。包括用戶的添加；密碼、權(quán)限的設(shè)置；以及根據(jù)用戶權(quán)限控制系統(tǒng)服務(wù)、資源的訪問。用戶權(quán)限分為普通用戶權(quán)限，可查看列車運(yùn)行狀態(tài)；高級(jí)用戶權(quán)限，具有普通用戶權(quán)限，可做列車管理操作；系統(tǒng)管理員權(quán)限，具有高級(jí)用戶權(quán)限，可完成對(duì)用戶信息的查詢、審核、賬號(hào)的鎖定解鎖、密碼的修改等功能。

整體軟件采用B/S架構(gòu)，支持IE、Chrome瀏覽器，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)劃分及分類層次清晰，用最少的操作步驟實(shí)現(xiàn)用戶的數(shù)據(jù)顯示；頁(yè)面操作方面采用異步操作技術(shù)，減少與服務(wù)器交互引起的頁(yè)面刷屏，達(dá)到最佳的用戶體驗(yàn)。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗瀝青罐車監(jiān)控終端和地面監(jiān)控系統(tǒng)，車載終端系統(tǒng)采用了低功耗的CPU芯片并進(jìn)行了低功耗軟件設(shè)計(jì)，保證傳輸數(shù)據(jù)確定的前提下延長(zhǎng)了設(shè)備使用時(shí)間，降低了維護(hù)成本，增加了防盜報(bào)警與箱體損壞監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。采用智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)檢測(cè)并可以配置終端，有效的保障了瀝青罐車的安全監(jiān)測(cè)能力。