基于GPRS和GPS技术的移动油罐监控系统

武丽英，侯建勤

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

移动油罐车担负着从油库到各个加油站的油品运输任务。由于油罐的移动性，移动油罐车的管理相当困难。在运输过程中，因其存储的物质大多是易燃易爆产品，当油罐内温度过高或者压力过大时，容易发生爆炸，造成极大危害[1-2]。为了解决这一问题、掌握油罐的运行情况，一些企业采用人工投尺、人工采样和人工计量等方式。这种方式不但劳动强度很大，而且危险性也非常大，油罐爆炸和伤亡事件时有发生。

本文设计的基于通用分组无线业务(general packet radio service,GPRS)和全球定位系统(global positioning system,GPS)的移动油罐监控系统，可以自动监控并记录移动油罐车的压力、液位、温度和运行位置，掌握油罐车的运输状况。该系统不但保证了油罐车的安全、经济运行，提高了石油运输企业的运营工作效率和安全管理水平，而且对整个运输行业的智能化发展起到了推动作用。

1 系统总体结构设计

本文设计的基于GPRS和GPS的移动油罐监控系统，主要包括罐体、传感器、智能检测器、报警器、服务器和客户端六部分。移动油罐监控系统架构如图1所示。传感器包括压力传感器、温度传感器和液位传感器[9]，分别采集油罐内的压力、温度[10]和液位[11]信息，转换为0～5 V的标准电压信号并传输给智能检测器。通过智能检测器的数据采集模块进行采集，将数据发送给中央处理器(central processing unit,CPU)处理模块，进行转换计算，并通过显示模块显示在显示屏。同时， GPS通信模块定时获取油罐车三坐标的位置信息，传输给CPU处理模块。CPU处理模块通过GPRS通信模块把所有数据定时传输给服务器，完成数据的分析、处理和存储。客户端通过输入不同的权限进行设置和查询各参数数值，通过输入不同的时段，可查看或打印各参数的历史报表和相关报警记录。同时，智能检测器可以对超范围的情况进行现场报警并显示，以提醒工作人员安全处理。

图1 移动油罐监控系统架构图

2 网络传输结构设计

考虑到油罐车移动非常频繁，为了保证在运输过程中可以及时了解油罐的运输状态,本文采用资费较低且覆盖极为广泛的GPRS无线网络作为采集信息的远程无线传输网络，采用GPS[3-7]卫星技术作为油罐车的移动定位系统，从而记录整个移动油罐车的运行轨迹[4-10]。本文涉及的采集信息经过智能检测器就地处理之后，把简化后的信息上传到服务器上。这样不仅降低误操作，保证可靠性，而且也降低了对宽带的要求。

3 系统硬件设计

本系统的硬件设计主要基于智能检测器以及服务器平台。

3.1 智能检测器硬件设计

智能检测器硬件设计主要包括四部分：电源部分、传感器接入部分、数据处理与显示部分、通信部分。智能检测器原理框图如图2所示。

图2 智能检测器原理框图

①电源部分。

电源部分包括供电电源和电源管理模块，整体实现智能检测器及传感器的能量供给和分配管理。

供电电源由12 V、10 A锂电池与20 W、12 V 太阳能充电电池板组成。锂电池与太阳能充电逆变器包装采用铝合金防爆盒包装，输入/输出接头都采用2芯航空防水接头与智能检测器连接。太阳能电池板功率50 W，面积约0.3 m2，厚度不超过1 cm。

电源管理模块为智能检测器各个模块供电。其供电稳定性是车模稳定运行的基础，在设计时要考虑到每个模块的供电电压、电流以及模块工作所允许的噪声干扰。在本文中，除了考虑以上因素外，还要考虑到系统的低功耗需求。本文的CPU供电模块选择LP2992AIMX-3.3 V，输入端除了接入必要的TVS管、压敏电阻、保险丝外，还增加了DN2540来承担一部分电压，降低低压差线性稳压器上的压降。GPS[12]和GPRS模块[13]采用TPS62140_ARGT_16电源模块，只有在CPU唤醒的状态下，回路才进行工作。模拟回路的电源与通信模块的电源通过定制的高频变压器进行隔离，以实现整机电源低功耗需求。

②传感器接入部分。

本设计中的油罐传感器主要包括压力传感器、液位传感器[5]和温度传感器[6-14]。其中，压力传感器和液位传感器都采用两线制，直接接入主板模拟量接口，接头形式采用防水航空接头。传感器输入采用0～5 V的标准输出信号，传感器的供电电压为12 V，与智能检测器使用同一个供电源。

图3 温度采集电路图

③数据处理与显示部分。

数据处理和显示模块主要完成对采集数据的处理和显示，包括CPU处理模块、数字输出模块和显示模块。

CPU处理模块采用ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103RCT6，内置128 KB的Flash存储器以及20 KB的数据存储器，还集成了USART通信口、SPI接口等多种资源，是一款非常适用于低功耗及处理要求高度集成的应用。复位电路包括硬件复位电路和软件复位电路，以保证设备的安全、可靠运行。

数字输出模块采用达林顿管驱动机械继电器的方式进行输出控制，可用于控制报警器。报警器安装在司机驾驶室。当所采集的数据发生异常时，工作人员能及时查看。

显示模块采用2.9英寸(1英寸=25.4 mm)的低功耗电子墨水屏GDE029A1，工作电压为2.4～3.7 V，通过SPI方式进行通信，可支持全局/局部刷新。刷新功耗：功率为26.4 mW，刷新时间定在CPU唤醒的时候进行刷新。

④通信部分。

通信部分包含GPS卫星通信、GPRS网络通信和串口通信三部分。

GPS卫星主要采集移动油罐车的定位信息，GPRS网络通信主要完成对采集数据的上传。在设计时，选择了将数据传输和定位功能GPS/GPRS[8]二合一模块USR-GM3P。这是一款以物联网为核心的工业物联网模块解决方案，简单可靠，可通过UART方式与CPU处理模块进行通信。GPS天线与GPRS天线与模块集成在一起，便于开发应用。

串口通信用于智能检测器与个人计算机的调试。当系统出现问题时，借助预留的串口调试口进行处理[7]。

3.2 服务平台的搭建

服务平台是移动油罐监控系统的数据处理中心，采集各个移动油罐的传感信息和定位信息，并将其存储在相应的数据库中。

4 系统软件设计

系统软件设计主要包括智能检测器软件设计和客户端软件设计两部分。

4.1 智能检测器软件设计

①智能检测器主流程。

智能检测器采用C语言进行编程和编写，以TKStudio集成开发环境作为软件开发和调试平台。智能检测器软件流程如图4所示。

图4 智能检测器软件流程图

首先对系统进行初始化并打开中断，进行模/数(analog/digital,A/D)采样。采样完成，对数据进行计算并显示；当数据超限时，驱动报警。同时，数据通过GPRS网络上传到服务器。当采集的数据异常时，驱动现场报警设备，并发送错误类型代码给服务器，以便确认问题。

②A/D采样滤波算法。

为了保证测量的稳定性，在完成A/D采样以后，要对采样值进行数字滤波。滤波算法采用一阶滞后数字滤波算法。当采样周期远小于滤波时间常数时，该算法等价于一般的一阶滞后RC模拟滤波器，对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高参数的滤波。滤波时间常数选择，根据经验设定，采用固定滤波时间常数的滤波算法，如式(1)所示。

(1)

4.2 客户端软件设计

本文设计了基于GPRS和GPS的移动油罐监控系统。客户端用户通过浏览器可以远程查看移动油罐车的相关信息，包括油罐的当前压力、温度、液位以及定位信息、历史信息、报警信息和报表信息[15]。系统功能模块如图5所示。

图5 系统功能模块图

5 结论

本文设计的基于GPRS和GPS的移动油罐监控系统，采用了GPS对移动油罐的自动定位，解决了移动油罐运输路线难以掌握的情况；采用了GPRS技术对移动油罐相关信息进行监控，解决了油罐车安全运输的隐患问题。长期应用表明，移动油罐系统设计合理、性能稳定，有效保证了移动油罐的安全、经济运行，一定程度上提高了企业的经济效益，对整个运输行业的智能化发展起到了推动作用。下一步结合移动油罐车的供电增加视频监控系统[16]，以保证系统具有更好的适应性和应用可行性。