基于STM32L431的智能油箱防盗系统的设计

董锟

摘要：智能油箱防盗系统一般应用于工程机械或长途运输车辆中，其功能是检测车辆综合耗油量、对油位或系统异常进行报警。为了实现上述目的，设计了一种基于STM32L431的智能油箱防盗系统。本系统使用高精度液压传感器检测油箱油位变化，通过六轴传感器检测系统状态并判断系统及油箱是否遭到外力撞击破坏，运用STM32L系列超低功耗单片机和NB-IoT模块将油位信息和报警信息上传至监控中心或驾驶员手机客户端。

关键词：智能油箱防盗系统;液压传感器;六轴传感器;STM32L431

中图分类号：U463.6      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0094-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

随着我国基建行业的发展，工程机械车辆越来越多，工地中偷油事故频发;由于运输业的蓬勃发展，长途货车油箱被盗事件也时有发生。为了防止上述事故的发生，基建工地一般需要专人看管机械车辆，增加了生产成本;长途货车司机在行驶途中一般不敢长时间停车、大部分司机疲劳驾驶。为解决上述问题，将物联网技术应用到油箱油位监控领域，通过低成本的单片机和传感器及周边电路设计，可实现对油箱油位的检测和异常报警，在降低成本的同时提高管理效率，对相关行业的智能化有着重要意义。

2 方案设计

智能油箱防盗系统使用STM32L431系列超低功耗单片机，通过3.8V锂电池进行供电。油位信息的采集通过高精度液压传感器实现，其与主控单元微控制器通过RS485总线进行通信;系统通过NB-IoT模块完成油位信息和异常报警信息的上传。六轴传感器主要用于检测系统工作状态及油箱或系统是否受到外力破坏。系统整体框图如图1所示。

2.1微控制器模块设计

系统主控芯片为ST公司设计生产的基于Cortex-M4内核的32位STM32L431单片机，该单片机自带两个16位ADC通道和4组USART通道[1]，选择其中一组ADC通道用于监控电池电量;一组USART通道用于与NB-IoT模块通信、一组USART通道通过485电平转换模块与高精度液压传感器通信。同时，单片机内部Flash用于存储系统状态信息和油位信息;单片机内部集成了FPU单元，可以在进行算法计算时提高计算效率，降低整体功耗。微控制器模块是系统的核心，主要功能是：

1）接收六轴传感器模块传回的信息并对数据进行处理、计算得出设备的状态信息;

2）读取高精度液压传感器数据信息并进行解析;

3）将得到的工作状态信息、油位数据信息等通过NB-IoT通信模块发送至服务器。

2.2 六轴传感器

1）传感器特点

本系统的六轴传感器选用的是MPU6050，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计[2]，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计等。扩展之后可以通过其 I2C或SPI接口输出一个9轴的信号。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。本系统中微控制器模块通过I2C总线读取六轴传感器的三轴加速度和三轴角速度数据后，通过四元素法计算系统的俯仰角和偏航角数据，进而确定设备处于何种状态。

2）状态计算方法

根据相关文献[3]，工程机械或运输车辆在发动机工作时，其固有震动频率f与发动机转速n存在以下关系，其中τ为发动机冲程（一般τ=2或4），i为发动机的气缸个数（气缸个数常见的有3、4、5、6、8、10、12等）。

f=n*i/（60*（τ/2））

通常，工程机械或运输车辆使用柴油发动机，其转速一般低于3000r/min，按此转速估算，固有震动频率f的最大值在600Hz左右，根据奈奎斯特采样定律，本系统中，六轴传感器采样率定为1200Hz。

微控制器模块根据六轴传感器原始數据计算得出俯仰角和偏航角数据后，分别进行离散傅里叶变换[4]，计算出系统震动频率f，再结合实际实验数据，根据频率确定系统所处的工作状态，频率与工作状态的关系为：f<5Hz：静止状态;5Hz≤f≤20Hz：异常震动;f>20Hz：工作状态。

2.3 高精度液压传感器

本系统的高精度液压传感器选用的是测量精度较高的投入式液位计，根据所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器制作而成，将静压转换为电信号。为了提高系统整体检测精度，根据工程机械或运输车辆工作实际，工作过程中，油箱内油温会随着工作时长逐渐升高[5]，在投入式液位计中集成了温度检测传感器。系统在测量过程中，根据油温确定柴油密度值[6]，再结合投入试液位计测量的油位压强值，计算得出实际油位数据，提高测量精确度。

2.4 NB-IoT模块设计

本系统通信网络选择NB-IoT网络，符合当前工业物联网和5G发展趋势：设备成本低、拓扑结构简单[7]。M5312 NB-IoT模块是一款高性能、低功耗 NB-IoT 无线通信模组，采用 LCC 封装，可通过标准 SMT 设备实现模块的快速生产，并满足苛刻环境下的应用需求。本系统中，通信模组直接通过USART端口与微控制器模块进行通信，控制简单、通信成功率高。

3 系统软件设计

智能油箱防盗系统软件部分主要包括系统初始化、震动信息检测、信息状态包发送等模块，软件流程图如图2所示。

开机后，先进行系统初始化，主要包括：传感器自检、NB-IoT模块初始化、与服务器握手和对时等。初始化后，高精度液压检测模块和NB-IoT模块进入低功耗模式，仅六轴传感器进行系统状态检测，此后在系统状态发生改变后，根据具体状态类型，进行油位信息检测和系统油位、状态信息发送。

4 系统测试

系统测试主要包含两个部分：1）系统状态测试，主要包括：车辆开机状态监测靈敏度、暴力撞击系统整体时异常震动检测灵敏度;2）油位检测精确度。

4.1 系统状态测试

根据测试需求，将本系统安装到车辆后，在分别处于静止、工作和暴力撞击油箱或本系统，观察系统后台收到的状态信息，测量结果如表1所示。由表1可见，系统对状态检测的成功率可达94%以上。

4.2 油位检测精确度测试

根据测试需求，在不同油温下，分别对高精度液压模块的检测结果进行测试，具体测试结果如表2所示。由表2可见，在油温逐渐升高后，测量误差有变大趋势，但总体检测绝对误差最大在15mm以内，最大相对误差为4.6%。

5 结论

为了解决工程机械和长途货车油位监控及报警问题，本文设计了基于STM32L431的智能油箱防盗系统，可通过六轴传感器判断系统所处状态，并通过高精度液压传感器模块精准检测油位信息，实时通过NB-IoT模块报警信息、油位状态等信息的发送。当工程机械或长途火车正常工作时，根据实时测量得到的油位信息，后台可进行油耗分析、油耗预测和工时计算等，为相关领域的智能化检测与管理提供了可能。经过实验验证，本系统具有较高的状态检测精度和油位检测准确度，测量结果能够满足实际应用需求。

参考文献：

[1] 肖星.STM32L152和SI4432的无线网络系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（8）：48-51.

[2]InvenSense Inc.; Patent Application Titled "3d Stack Configuration For 6-Axis Motion Sensor" Published Online （USPTO 20200131027）. 2020：2674-2675.

[3] 丁柏，宋翔.基于振动基频的一种发动机转速测量新方法[J].长江大学学报（自科版），2013，10（28）：76-79，5.

[4] 王鹏，曹云峰，许蕾，等.视觉算法加速中二维FFT的SoC设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（2）：45-49，55.

[5] 高莹，邓海鹏，麻斌，等.喷孔长度和喷油体温度对乙醇柴油空化及近场喷雾的影响[J].工程热物理学报，2020，41（5）：1261-1269.

[6] 高浩卜，李向荣，薛继业，等.背景温度和密度对柴油喷雾特性影响灵敏度分析[J].哈尔滨工程大学学报，2016，37（11）：1553-1559.

[7] 姚畅，张李元，左少华.基于NB-IoT的路灯物联网控制系统[J].物联网技术，2019，9（12）：94-97.

【通联编辑：梁书】