特种车辆非接触式油耗实时监测系统设计

张鹏炜 ,郭承亮 ,王文军 ,欧阳建东 ,李东坡 ,章原发

(1.解放军32139部队,北京 101200；2.海军研究院海防工程设计研究所,北京 100071)

0 引言

特种车辆为了尽可能多地携带燃油，同时避免燃油过分集中，需要将多个油箱布置在车辆底盘的相应空间内。各相邻油箱之间用油管相互连通，分为左侧油箱组和右侧油箱组。由于左、右两组油箱处于同一个水平面上，原厂设计每组油箱在车尾部油箱各设置一个浮子式电容油位传感器来检测油箱的剩余总油量，并通过仪表刻度盘显示出来[1-2]，方便驾驶员知悉。由于仪表只能使驾驶者定性地了解燃油使用状况，缺乏精确性，且使用过程中还可能出现测量系统中零部件卡死的现象，导致驾驶员产生错误判断，这些已成为安全驾驶的常见隐患之一[3-4]。与此同时，浮子式油量测量装置在经过陡峭路面时，由于车身振动，浮子也随之振动，会造成油量检测数据不准确[5]。特别是对于军用特种车辆而言，由于附带的油箱数量多，且均为不规则形状，原厂装配的油量检测装置就会因车辆停放地面的倾斜度、行使状态的颠簸程度而产生较大误差，从而影响装备的使用效率。此外，由于指挥或调度中心不能实时准确地掌握各个特种车辆的位置、剩余油量以及续航能力，将会严重制约行动计划的精准性。

为了使驾驶员准确感知车辆用油情况，方便指挥或调度中心实时、准确、全面地远程监控车辆运行状态，在不破损现有装备的前提下，系统采用超声传感、北斗定位、无线通信与单片机控制等技术[6-10]，实现对执行任务车辆的油量实时检测和远程监控。

1 总体设计方案

特种车辆非接触式油耗实时检测与定位系统，主要由车载终端油量检测装置及远程监控中心两大部分组成。车载终端油量检测装置、远程控制中心分别如图1、图2所示。

图1 车载终端油量检测装置示意图

图2 远程控制中心示意图

为了不破坏现有装备结构，选用超声油位传感器[11]，将其粘贴在油箱底部，以较精确地检测该油箱所剩油量数据。然后，将多个油箱的检测数据和北斗的定位数据，经单片机计算与控制后，实时显示在驾驶室内加装的液晶显示屏上；同时，利用无线通信技术，如通用分组无线业务(general packet radio servec,GPRS)[12]，将数据传输并存储在云服务器中。指挥或调度中心人员可通过计算机、平板和手机客户端对车辆运行状态进行实时、全面、准确的动态监控[13]。

2 车载终端油耗检测与定位装置设计

油耗检测与定位装置的工作过程是：多个超声油位传感器分别采集各油箱的剩余油量信息，定位系统采集车辆位置信息；利用单片机，对油量与位置信息进行处理；处理后的数据实时显示在LCD显示器上，同时无线发送到网络服务器存储。

2.1 硬件部分设计

硬件部分包括超声油位传感器、北斗定位模块、显示模块、无线传输和控制模块模块。超声油位传感器粘贴于车辆油箱的外表面底部，其他各模块集成在一个小型机箱盒内，并安装在车辆驾驶室工作台区域。硬件设计结构如图3所示。

图3 硬件设计结构框图

ATmega32单片机与各设备或模块(超声油位传感器、北斗定位、无线传输、LCD显示器)之间通过CD4052(双4路模拟开关)芯片控制，并分别与其中一个设备或者模块进行通信。先由CD4052将ATmega32单片机的TXD扩展为TXD1、TXD2、TXD3、TXD4；RXD扩展为RXD1、RXD2、RXD3、RXD4。其中：两组TXD1、RXD1和TXD2、RXD2通过MAX232C将TTL电压提升电位到±12 V，并转换为RS-232信号。TXD1、RXD1经转换电路将RS-232转为RS-485后与超声传感器进行通信；TXD2、RXD2直接与无线传输模块通信。TXD3、RXD3和TXD4、RXD4分别与LCD显示器和北斗定位模块通信。

2.1.1 油位数据采集

目前，市场上常用的油位传感器有传统油浮子、磁性油浮子、电容式油位传感器和超声油位传感器[12-14]。传统油浮子式传感器自发明汽车以来一直沿用至今。其优点是成本低，缺点是功耗大、线性和精度差、寿命短。磁性油浮子式传感器是传统油浮子式的升级产品，抗腐蚀性强、抗震效果好，但是精度依然较低、故障率较高。对于特种车辆而言，厂家选用的电容式油位传感器，虽然精度相对较高、抗干扰性强，但结构复杂、安装不便利。而超声液位传感器正好可以综合它们的优点，弥补它们的不足。

根据现行装备的结构特点，在不破坏其任何部件的前提下，本文选用超声液位传感器，将其直接粘贴在每个油箱底部中央位置，即可较准确地测出油箱的油位高度。由于容积与油位高度的对应关系可以通过标定试验获得，因此，测得油位高度就可以直接换算成油液容量。

2.1.2 北斗定位数据采集

北斗定位模块获取运行车辆的位置信息(经、纬度，时间，方向等)，并由控制模块处理后将车辆位置信息发送至远程监测中心。本文选用国产VK1612A9M3型双模(北斗)卫星定位接收模块。该模块具有体积小、功耗低、灵敏度高、定位快速准确的特点，已广泛应用于汽车导航、汽车保全、车辆监控以及卫星定位等。

北斗芯片工作电路如图4所示。

图4 北斗芯片工作电路图

ASM1117-3.3 V是高效率线性稳压器，将VCC(4.75≤Bin≤12 V)正向降压为3.3 V，为北斗定位芯片VK1612A9M3提供可靠的工作电压。北斗定位芯片第9、11脚连接有源天线天线，第20、21脚串联33 Ω电阻后直接与ATmega32单片机进行数据通信。

2.1.3 无线传输模块

无线传输模块一般选用民用GPRS无线传输设备URS-GPRS-730，以RS-232电平方式与ATmega32单片机进行数据通信。在必要时，选用车载电台、通信车、节点车，以5G微波或者卫星组成的无线传输模块与ATmega32单片机进行数据通信。

2.1.4 LCD显示模块

根据特种车辆驾驶室可安装空间及显示内容要求，选用DMT80480T050_02W迪文DGUS串口工业液晶屏。该LCD液晶屏具有界面设计简便、参数配置快捷和串口调试方便的优点，通过RS-232电平方式直接与ATmega32单片机进行数据通信。

2.2 软件部分设计

油耗检测算法程序流程如图5所示。首先，对单片机及其他模块进行初始化，并设置北斗和超声传感器的工作模式。然后，进入循环工作程序，读取北斗模块发送的数据，通过查找字符串“$BDRMC”的值判断接收信号的真伪。若$BDRMC=1，暂存接收的位置数据，并将该字符串清零后继续执行；否则，返回重新接收。读取超声传感器的检测数据并进行处理，得到总油量及油耗。将位置信息和油量、油耗数据实时发送到LCD显示器，同时按照设定的车辆行驶距离ΔL(如2 km，可视情况设定)或时间间隔Δt(如10 min，可视情况设定)，向无线传输模块发送数据，并通过无线传输模块将数据发送到远程服务器。最后，返回循环继续接收并处理数据，退出程序。

图5 油耗检测算法程序流程图

3 远程监控中心设计

远程监控中心用于接收无线数据传输网络传输来的信息，并对信息进行处理后传递给用户，包括数据库服务器、WEB服务器和用户客户端。数据库服务器与WEB服务器通过专线接入无线数据传输网络，并接收其传送过来的油量信息和车辆定位信息数据，对数据进行处理后输出至用户客户端。

用户客户端包括平板计算机、手机及个人计算机，通过安装自行开发的监控软件实现远程管理。客户端监控软件管理系统包括：系统管理子系统、基本信息管理子系统和数据管理子系统。

系统管理子系统包括资源管理模块、权限管理模块、角色管理模块和用户管理模块，分别用于对系统资源、访问权限、角色和用户信息进行管理。基本信息管理子系统包括车辆综合信息管理模块和车辆综合信息查询模块，用于对车辆综合信息的管理和查询。数据管理子系统包括油料数据报表模块、油料数据分析模块和油料数据查询模块，用于对获取的油料数据进行分析处理，并生成报表供用户查询调取。

客户端监控软件管理系统如图6所示。

图6 客户端监控软件管理系统示意图

4 试验及结果分析

基于以上设计思想，开发了特种车辆油量实时监测与定位系统样机。将其安装在常用特种车辆上，进行试验数据采集。采用厂家标称油耗为18 L/100 km的特种车辆在北京平谷区周边不同路况下连续行驶2 h，每隔10 min采集一次油箱剩余油量，通过计算得到油耗测量值。不同路况油耗测量值如表1所示。

表1 不同路况油耗测量值

Tab.1 Fuel consumption measurements in different road conditionsL/100 km

为了验证样机检测的可靠性，在4种不同路况，将测得的油耗平均值乘以实际行驶里程，计算得到的耗油量与实际消耗的油量误差率。

测量耗油量相对于实际值的误差率如表2所示。

表2 测量耗油量相对于实际值的误差率

分析试验数据结果可得以下结论。

①在高速公路上行驶时，由于路况较好，测得的油耗数据相对稳定，且油耗值与厂家标值称最接近；测得的耗油量略小于实际耗油量，误差率最小。分析原因:根据文献[14]所述，厂家标称的油耗通常是在良好路面上测量的等速油耗。在高速上行驶，总行程接近于等速，但难免会因收费站或少数拥堵路段等路况降低车速。而多次刹车和提速就会增大耗油量。所以测量油耗值接近且大于厂家标称值、测算得的耗油量小于实际消耗油量是符合理论基础的。

②在普通公路和城市道路行驶时，路面质地虽然较好，但是路面狭窄、人车密集度大，会使车辆行驶缓慢。特别是在城市道路行驶，受到信号灯的约束，频繁的刹车-起步操作增大了耗油量。所以测得的平均油耗大于厂家标称值，测算的耗油量也小于实际消耗油量，且误差相对较大。

③在乡村道路行驶时，路面质地较差，产生的摩擦力较大，致使测得平均油耗数据与厂家标称值相差最大。但是乡村道路的人、车密度小，避免了因频繁刹车-起步所损耗的油量。所以虽然测算的耗油量也小于实际耗油量，误差率却会相对于城市道路减小。

5 结束语

本文采用超声传感、北斗定位和无线通信等技术，设计了一种基于ATmega32单片机的特种车辆油耗实时监测和定位系统样机。针对特种车辆的结构特点及保密性要求，研究了利用超声传感器检测油量、北斗模块定位车辆和战术互联网传输数据的油量监测系统。通过硬件、软件设计的原理分析和开发样机的试验验证，证明了系统设计的合理性和可靠性。该设计为车辆装备管理的科学化、保障的精准化提供了新的思路。