摘 要：针对目前基于GPRS的油罐车电子签封系统存在的信号缺失、漂移以及操作繁琐等问题，设计了一种基于WiFi的油罐车区域定位电子签封系统。重点介绍了总体设计思想以及软硬件实现方案。系统硬件以内置WiFi的MCU芯片CC3200为核心，实现电子签封系统与油库或加油站WiFi的连接和油罐车进、出油阀门的无线控制；同时结合GRPS、GPS和多种传感器实现车辆在途轨迹、车辆状态监测。最终实现“在指定的区域、由授权人员开关油罐车电子签封”以及对油罐车全程监控的目的，杜绝了油品的盗窃等非法行为，方便了系统对油品的监管。
关键词：WiFi； 油罐车； 区域定位； 电子签封
0 引 言
目前，我国的油气运输主要由输油管道、铁路罐车、水运及公路运输等多种方式协同进行[1]。其中，公路运输一般由油气罐车承担，主要用于中长距离的天然气配送及中短距离的加油站配油。公路运输由于其分散性和个体性的原因，运输过程不易监管，途中常会出现油品的盗窃、更换或其它非法操作行为[2]。
电子签封(或铅封)系统的引入，使得石油公司可以实时获知油罐车各进、出油口的开、关状态信息，杜绝了油品的盗窃等非法行为，方便了系统对油品的监管。
参考文献：[2]提出了将RFID芯片植入铅封中，构成电子铅封；通过电子铅封读写器将油罐车的出发点位置、目的地位置、油品名称、数量、油罐车的牌号、司机的姓名、施封人的姓名等信息记录在电子铅封内；只有授权的工作人员才可通过电子铅封读写器开启铅封。此种方法虽然实现了“只有授权的人员才可开启电子铅封”的目的，但是，考虑到油站的防火防暴要求，此种方法必须要购置大量具有安全防暴性能的电子铅封读写器，大大增加了系统的成本。
文献[3～5]均提出了通过GPRS实时传输油罐车的GPS位置信息、实时监测电子签封状态的方案。其中，文献[3]还提出了“定位电子签封”的方法，只有当安装定位电子签封的油罐车辆进入指定的油库或加油站时，才可由指定人员持授权RFID卡进行解封或施封。此种方案很好地实现了“在指定位置、由授权人员开启电子签封”的目的。但是也存着以下几个问题：①必须事先得到油库和加油站的经纬度信息，并根据通过经纬度画出电子围栏区域，由于各个地区的加油站众多，而且还在不断增减，大大增加了系统维护成本。②由于电子签封的施封和解封需要通过不同授权的RFID卡实现，所以要为相应的工作人员配备不同的RFID卡，而RFID卡的管理工作也需要有专门人员负责。③要求GPS和GPRS信号准确可靠，而此项属于不可控因素，在部分区域会发生GPS和GPRS信号的缺失或者漂移，从而造成油罐车到达指定地点后无法正常解封或施封，或者无法远程解封或施封；为了找到GPS和GPRS信号，油罐车不得不在指定地点附近转悠，或者司机强行解封或施封，从而给正常的运输作业带来不少麻烦，降低了系统的工作效率。
随着WiFi在多地加油站逐步开展应用，针对目前电子签封中存着的问题，本文提出了基于WiFi区域定位的电子签封系统。WiFi路由器的信号覆盖范围小(一般为50～80 m左右)，同时WiFi的信号强度与距离有一定的计算关系，从而可以将配有WiFi电子签封的油罐车限定在一个指定的区域内。
为了降低购置电子签封阅读器带来的成本增加，以及由于多种不同授权的RFID卡带来的维护成本的增加。本系统利用油库或加油站室内的操作终端(计算机或PDA)，通过WiFi进行电子签封的解封或施封，室内终端上的管理软件可以对操作人员身份进行识别，从而实现了授权工作人员在指定区域内对电子签封进行解封或施封的目的。另外，油罐车的状态数据以及授权工作人员的操作记录均会通过有线网络实时上传到系统的监控中心，防止由于GPRS信号丢失导致的系统数据不同步，更好地实现系统对油罐车辆的监督和管理。
1 系统总体设计
图1所示系统主要包括：电子签封主机、电子签封锁芯、上位机软件3部分组成。其中电子签封主机与电子签封锁芯之间通过CAN总线连接。电子签封主机具备：GPS定位、GPRS通信、WiFi通信功能以及本地实时时钟、数据存储功能，应急开关功能，可以通过CAN总线控制电子签封锁芯的开关。电子签封锁芯具备：电子锁控制电机、拆卸报警功能。室内的操作终端(计算机或PDA)可通过有线网络或者WiFi连接油库或加油站WiFi专用路由器，并通过公司内部VPN网络连接到监控中心。室内操作终端上的管理软件可实现人员权限管理、油罐车电子签封控制、操作信息记录以及与监控中心通信等功能。
图1 系统总体结构图
由于电子签封主机需要和外界通信，为安全起见，一般安装在油罐车车头附近；电子签封锁芯需要靠近油罐车出、进油阀门，所以需进行密封处理。
2 系统硬件设计
系统硬件部分主要包括：电子签封主机、电子签封锁芯部分。电子签封主机通过CAN总线与电子签封锁芯部分通信，同时为电子签封锁芯部分供电。
2.1 电子签封主机硬件设计
车载电子签封主机结构如图2所示。主要包括两部分，CC3200单元电路和CC3200外围电路。其中CC3200外围电路包括：GPRS和GPS电路、CAN总线通信电路、车载电池电压监测电路、用于存放行驶和操作记录数据的SD卡电路、DS1307本地实时时钟电路、语音播报电路、用于触发电子签封操作的解施开关、用于应对突发事件的应急开关、LED指示灯电路。下面分别对CC3200单元以及其外围电路进行详细介绍。
图2 电子签封主机结构框图
2.1.1 CC3200单元电路设计
CC3200为TI公司推出的业界第一个具有内置Wi-Fi 连通性的单片微控制器单元，针对物联网应用的Simplelink CC3200是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU 的无线MCU[6]。CC3200支持基站(STA)、访问点(AP) 和Wi-Fi Direct模式，可快速连接WiFi路由，也可作为小型的WiFi接入点。其中的Cortex-M4内核运行频率为80 MHz，内部包括256KB的RAM，ROM采用外部SPI接口Flash芯片。CC3200单元电路如图3所示。
图3 CC3200单元电路图
CC3200单元包括：CC3200芯片、复位电路、引导模式和JTAG调试电路、时钟电路、WiFi天线电路、Flash电路和电源电路。其中，通过引导模式电路，可设置CC3200的工作模式为：4线JTAG、2线JTAG和Flash下载3种模式。时钟电路包括两部分：32.768 KHz慢速时钟，主要用于：RTC、低功耗空闲模式下WiFi信标监听等；40 MHz快速时钟，主要用于WiFi射频和MCU工作等。CC3200可以连接两种类型的天线：内置芯片天线和外置U.FL天线，2种天线性能基本相当，但芯片天线体积小，可安装在PCB板上，所以本系统选用了内置芯片天线。CC3200的电源引脚较多，而且外部需连接电容、电感，以降低耦合和提高抗干扰性能，所以PCB设计时器件需靠近引脚放置。另外，CC3200在工作时电流最大可达600 mA(持续25 ms)，所以如果电池无法提供这样大的电流，则需要在电源引脚和GND间并联2个100 μF的去耦电容；本系统使用的是车载24 V蓄电池，电流远大于1 A，但为可靠起见，仍然并联了2个100 μF电容。
CC3200的程序放在外部Flash中，可选用8 Mbit或16 Mbit的SPI接口Flash连接到CC3200的专用Flash引脚上，本系统采用的是8 Mbit的M25PX80-VMN6TP。CC3200使用文件系统管理外部Flash资源，程序不可直接访问Flash，只能通过文件系统访问。Flash中主要包括：应用程序、数据文件和网络认证，其中只有网络认证是加密的。
2.1.2 CC3200外围电路设计
(1) GPRS和GPS电路。GPS、GPRS部分主要实现油罐车辆的GPS定位、定位数据的GPRS远程传输、电子签封的GPRS远程控制。
本系统共需要3路串口(GPRS、GPS、CAN总线)，而CC3200仅有2个串口，所以本系统使用模拟开关CD4053实现了GPS与CAN总线的串口复用。
GPS和GPRS模块采用了SIM908，SIM908是一款集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS模块。能够实现GPS定位及GPRS通信的功能。SIM908与CC3200之间采用双UART通信，实现GPS定位和时钟数据的接收以及与远程服务器间的GPRS通信。
(2) 电池电压监测电路。车辆蓄电池检测部分采用CC3200自带的12位ADC定时采集电池电压实现。如果电池电压过低，电子签封系统会发出声光报警，同时通过GPRS向监控中心发送报警信息。
(3) 本地实时时钟电路。本地实时时钟采用了DALLAS公司的I2C接口的实时时钟芯片DS1307，使用了CC3200的I2C接口。DS1307可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年等日历数据，并具有闰年补偿功能[7]；芯片有1个内置的电源感应电路，具有掉电检测和电池切换功能，在掉电情况下，使用备用电池供电，确保时间准确无误。
(4) 语音播报电路。语音播报电路用于为操作人员提供语音提示，方便对电子签封系统的操作。本系统所需的语音在某个时期内可能固定不变，但是也应能够对语音进行更新。所以，本系统采用了广州唯创科技的WT588D语音方案，同时外加了功放，以保证操作人员在室外嘈杂的环境中仍可听到响亮的语音提醒。
语音播放单元的电路图如图4所示。主要包括3部分：语音播放芯片WT588D、外置SPI串口Flash存储器芯片25PXX和功放芯片TDA2822M。在本系统中采用的是WT588D的3线串口模式，WT588D的7、8、9脚分别作为数据、片选和时钟脚连接到CC3200；CC3200通过这3个引脚输出语音索引信号到WT588D；WT588D播放索引地址对应的音乐。其中语音的加载、索引地址的设置、连接模式的选定，均可通过上位机软件WT588D voiceChip来配置的。配置好后，通过1个连接到JDown接口的“USB下载器”，实现语音下载即可。
图4 语音播报电路图[8]
2.2 电子签封锁芯硬件设计
电子签封锁芯控制部分(如图5所示)以STM32为主控制器，主要完成电子签封锁芯控制、油罐安全信息监测[9-10]二部分功能。
电子签封锁芯控制部分实现的功能有：通过CAN总线接收电子签封主机的开关指令、控制电机开关油罐阀门(即：电子签封的施封、解封)、检测电子签封是否被强行打开。
图5 电子签封锁芯控制框图
油罐安全信息监测部分实现的功能有：车辆姿态检测、进出油口温度检测和油气浓度检测。即：判断车辆是否发生侧翻等事故、判断进出油口温度是否超过限定值、进出油口是否发生油气泄漏导致油气浓度超标，实现对油罐在途中安全状况的监测。
3 软件系统设计
3.1 软件工作流程
电子签封系统软件工作流程如图6所示。左半部分为油罐车在油库装油或者在加油站卸油的工作流程。首先，车辆启动后，电子签封系统开始工作；车辆到达油库或加油站后，手动按下“解施封开关”。然后，电子签封系统开始连接油库或加油站专用WiFi路由器，如果连接超时，则语音播报“WiFi连接失败”，启动“应急预案”，操作人员电话联系监控中心，通过远程GPRS控制电子签封解封，在特殊情况下，可使用“应急开关”解封；如果WiFi连接成功，则可使用室内操作终端对油罐车解封。然后，操作人员手动开启油阀，开始装油或卸油；操作完成后，操作人员手动关闭油阀。最后，通过室内操作终端对油罐车施封。
图6 系统工作流程
图6右半部分为油罐车辆在途监测，主要实现：车辆轨迹监测(GPS+GPRS)、油阀状态监测(电子签封锁芯内部有防拆限位开关)、车辆姿态监测、油罐温度监测、油罐进出油口油气浓度监测。如果出现：车辆不在规定路线内行驶、车辆姿态异常、途中油罐阀门被强行开启、油罐温度超限、油罐进出油口发生油气泄漏，则系统会发出语音告警，告警信息通过GPRS回传到监控中心同时本地做数据记录；系统启动应急方案，监控中心人员及时电话联系司机，采取相应的应急措施，确保油罐车在途中安全、正常的行驶。
3.2 基于WiFi的电子签封解封、施封软件设计
本系统的“在指定区域、由授权人员对油罐车解封和施封”是基于WiFi来实现的，具体来说是基于电子签封主机的CC3200与油库或加油站的室内操作终端基于本地WiFi专用网络来实现的。具体过程如图7所示。
图7 基于WiFi的电子签封解封和施封的过程
首先，当解施封开关按下后，油罐车电子签封主机内的CC3200芯片开始扫描附近的WiFi SSID，如果找到油库或加油站专用WiFi路由器的 SSID，则开始连接WiFi路由器。为管理方便和安全起见，油库或加油站专用WiFi路由器的SSID和密码由监控中心统一设置，每个油库和加油站的SSID对应的密码均不相同，这些SSID和对应的密码只存储在监控中心和每个油罐车的电子签封系统内部存储器上；另外，室内操作终端IP地址为静态地址，并且在路由器上与MAC地址绑定，确保油罐车可以和室内操作终端建立可靠连接。
如果CC3200连接WiFi路由器成功并且信号强度符合设定值，则CC3200与室内操作终端建立起TCP链接，室内操作终端向CC3200发送解封指令，CC3200收到指令后，通过CAN总线向锁芯发送开锁指令。当装、卸油作业完成时，操作人员再次按下解施封开关，CC3200向室内操作终端发送施封请求，室内操作终端收到请求后发送施封允许指令，CC3200通过CAN总线向锁芯发送闭所指令。最终完成油罐车的解封与施封操作。
3.3 电子签封系统的可靠性设计
为了保证系统的可靠实时运转，在正常接收到GPS信号的情况下，采用GPS时钟作为系统操作的时间基准，同时定时通过GPS时钟对本地实时时钟做时间校准。在GPS信号缺失的情况下，以本地实时时钟作为时间基准。
为了防止由于GPRS信号的缺失导致车辆记录数据无法实时上传，设置了本地SD卡存储器作为数据缓冲区，存储最近1周内的车辆数据(包括：GPS定位数据、时钟数据、GPRS远程通信数据等)；在GPRS信号正常且车辆空闲的情况下，上传本地缓冲区内的数据，确保车辆实时监控数据的完整性。[11-16]
为了应对突发事件，确保油罐车的安全和运输作业的正常进行，本系统设计了突发事件应急预案。如果WiFi指令无法控制电子签封动作；或者在运输途中出现紧急情况，需要解封；司机可拨打监控中心电话，监控中心通过GPRS向车辆电子签封发送解封指令；如果GPRS信号缺失，司机可按下电子签封主机上的应急开关，实现解封，但是应急开关仅可使用1次。对以上应急操作事件，系统会详细记录操作数据到本地SD卡，并在通信链路畅通时上传送到监控中心，以便事后进行责任追查。
4 WiFi信号覆盖测试
为了实现WiFi信号对油罐车装卸油区域的有效覆盖。需首先使用WiFi信号分析仪测量信号覆盖情况，确定WiFi路由器安装位置，确保油罐车量可靠连接到WiFi路由器。
WiFi Analyzer是1款WiFi信道分析工具，可以帮助分析周围的WiFi信道质量，在设置WiFi路由器时，可根据该软件为路由器选择1个最佳的信道。图8为WiFi信道图表，它直观地显示了各个Wifi热点的信道重叠情况。Wifi的信道从Channel 1～Channel 14，各个信号占据不同频谱范围，相同信道的信号完全重叠，相邻信道之间的信号会部分重叠，每个信号的跨度大概是5个信道。如果2个信号的频谱范围重叠，2个信号就会相互干扰，造成信号质量下降。完全重叠则干扰严重，部分重叠则会部分干扰。图9给出了WiFi信道评级列表，可根据该列表为WiFi路由器选择最佳的信道。图10为信号强度测试，可用于日常的WiFi信号强度检测，图10为距离WiFi路由器5 m处的信号强度。
图8 信道图表
图9 信道评级
图10 信号强度测试
5 结 语
本文根据油罐车辆运输中出现的油品盗窃等不法行为，提出了基于WiFi的油罐车区域定位电子签封系统。从可靠管理、方便操作、便于维护角度入手，利用WiFi信号的区域覆盖特性，实现油罐车辆与油库或加油站WiFi路由器的可靠连接，通过室内操作终端控制电子签封的解封和施封，从而实现了“在指定的区域、由指定的授权人员装、卸油品”的目的。同时基于GPS、GPRS和防拆卸技术，实现油罐车辆的在途监控，防止油品在途中被盗。最终实现了油品运输的高效、可靠监管。
