СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ РАСХОДА ТОПЛИВА И РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SYSTEM FOR REMOTE CONTROL OF FUEL CONSUMPTION AND VEHICLE OPERATION MODES

Система предназначена для всех видов автотранспортных средств и может быть использована в качестве «черного ящика» для определения расхода топлива в литрах, количества заправок и объема заправок, количества и объема несанкционированного слива топлива в любое время суток даже при выключенном двигателе, пройденного расстояния в километрах, мгновенного значения скорости движения автотранспортного средства, частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры охлаждающей жидкости двигателя, давления в системе смазки, определения координат местонахождения автотранспортного средства. Система также может быть использована для определения количества перевезенных пассажиров в случае использования автотранспортного средства для перевозки пассажиров.
По функциональному назначению известна подобная система «Трансконтроль» - разработка компании «НЭКСО-ТК», входящей в состав международной группы «NEXO» (www.transcontrol.ru, газета «Автомобильные известия». Август 2002. № 14), в состав которой входит мобильный интеллектуальный терминал, устанавливаемый на автотранспортное средство для сбора информации о состоянии выходных сигналов датчиков, размещенных на автомобиле, для сохранения данных и передачи их по каналу связи, определенному модификацией системы, на сервисное оборудование. Основные функции системы - это охрана, контроль движения и определение местоположения транспортного средства. Прочие функции - контроль расхода топлива по пробегу, скорость движения, подсчет моточасов, регистрация факта включения/выключения любого устройства автомобиля, регистрация факта аварийного состояния одной из систем автомобиля.
Недостатком данной системы является большая погрешность определения расхода топлива с точностью 20%, невозможность установления фактов несанкционированного отбора топлива, невысокая точность определения скорости движения по сравнению с данными, снимаемыми со штатного датчика автомобиля. Вследствие того что все блоки системы функционально размещены в одном устройстве, - пользователь не может отказаться от полного сервиса предлагаемой системы.
Наиболее близкой к заявляемой является система «FMS» от компании «OmniCOMM» (www.omnicomm.ru, журналы «Основные средства» №№ 1, 4, 9 - 2004, №№ 2, 7 - 2007). Система FMS включает в себя три основных компонента - устройство FMS, так называемый «черный ящик», высокоточный емкостной датчик уровня топлива, которые в комплекте устанавливают на транспортное средство, и устройство считывания для компьютера в офисе. Преимущество системы FMS, обрабатывающей данные, полученные от высокоточного датчика уровня топлива, в том, что это устройство закрытого типа - информация, считываемая с него, доступна только руководству предприятия. Программное обеспечение системы позволяет получать данные о работе как отдельной машины, так и всего парка техники. Оборудование FMS непрерывно записывает количество топлива в баке, пробег транспортного средства и контролирует, включен двигатель или нет. Источником информации о количестве топлива в баке является штатный датчик уровня топлива в баке или высокоточный датчик уровня жидкости, производимый компанией OmniCOMM, а для вычисления пробега используется штатный датчик скорости или спидометр. Устройство накапливает данные в течение 2 месяцев эксплуатации автомобиля. По прибытии автомобиля в парк водитель снимает устройство и передает в офис компании. Также возможно производить считывание с транспортного средства с помощью переносного компьютера. Дальнейшая обработка происходит с помощью программного обеспечения.
Недостатком данной системы является то, что для установки высокоточного датчика уровня жидкости в топливном баке необходимо сверление дополнительного отверстия точно по центру бака, в результате чего портится специальная заводская обработка внутренней поверхности топливного бака, кроме этого, приходится полностью снимать топливный бак с автомобиля, затрачивая немало времени. Недостатком является также то, что нет температурной коррекции при измерении расхода топлива. При выключенном двигателе нельзя контролировать слив топлива. Недостатком является также то, что для съема архива необходимо снять устройство FMS с автомобиля и перенести его в офис или использовать ноутбук по месту нахождения автомобиля. При большом количестве автомобилей в одном парке такой способ съема информации становится очень затруднительным. Недостатком системы является также несоответствие показания топливного индикатора в кабине водителя с результатами высокоточного датчика уровня жидкости, так как штатный датчик поплавкового типа имеет погрешность более 20%. Система FMS не обладает гибкостью архитектуры: невозможно подключать дополнительные блоки для расширения функций. Принципом действия высокоточного датчика уровня жидкости, производимого OmniCOMM, является преобразование емкости в частоту. Для измерения частоты требуется время не менее 1 секунды. Для получения точного результата измерений во время движения необходимо усреднять не менее 8 измерений, поэтому для получения точного измерения при помощи этого датчика тратится время не менее 8 секунд.
Техническим результатом заявляемого является повышение точности и быстродействия измерений расхода топлива, а также упрощение монтажа датчика топливного бака.
Преимуществами заявляемой системы также является передача на штатный указатель уровня топлива, расположенный в кабине водителя, результатов измерений высокоточного емкостного датчика топливного бака, невозможность бесконтрольного отбора топлива из бака, наличие резервного питания и расширение функциональных возможностей за счет гибкости архитектуры системы дистанционного контроля расхода топлива и режимов работы автотранспортного средства.
Вышеуказанный технический результат достигается в системе дистанционного контроля расхода топлива и режимов работы автотранспортного средства, содержащей блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя, блок обработки и архивирования температуры охлаждающей жидкости и давления в системе смазки, емкостной датчик топливного бака и блок сбора данных и передачи по беспроводной связи в центр приема и обработки информации содержания архивов.
Блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя и блок обработки и архивирования температуры охлаждающей жидкости и давления в системе смазки связаны с блоком сбора данных и передачи по беспроводной связи при помощи последовательного интерфейса RS485.
Блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя связан с емкостным датчиком топливного бака, с датчиком тахометра, с датчиком спидометра и содержит микропроцессор, соединенный с энергонезависимой памятью, часами реального времени, узлом формирования аналогового сигнала для штатного указателя уровня топлива, преобразователем сигнала импульсного датчика тахометра, преобразователем сигнала датчика спидометра, гальванически развязанным последовательным интерфейсом RS232, последовательным интерфейсом RS485, резервным питанием для автономной работы и узлом контроля резервного питания. Блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя позволяет производить совокупную обработку значений датчиков топливного бака, спидометра и тахометра, что дает возможность определить, находится ли машина в движении, соответствие оборотов коленчатого вала двигателя норме расхода топлива, а также однозначно определить, происходит ли несанкционированный отбор топлива или происходят колебания уровня топлива в топливном баке за счет неровности профиля дороги во время движения автотранспортного средства. Слив топлива из бензобака регистрируется независимо от того, выключено автотранспортное средство или нет, а также при снятом аккумуляторе автотранспортного средства за счет наличия резервного питания. Для соединения с персональным компьютером для автоматизированной тарировки топливного бака блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя снабжен гальванически развязанным интерфейсом RS232. Блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя имеет дополнительный аналоговый канал для вывода измерения емкостного датчика топливного бака на штатный указатель уровня топлива, установленный в кабине водителя.
Блок обработки и архивирования температуры охлаждающей жидкости и давления в системе смазки связан с датчиком температуры охлаждающей жидкости и датчиком давления в системе смазки и содержит микропроцессор, соединенный с энергонезависимой памятью, часами реального времени и последовательным интерфейсом RS485.
Емкостной датчик топлива содержит переменный конденсатор, выполненный из двух трубок, вставленных друг в друга, преобразователь значения емкости в цифровой код, температурный датчик и узел определения угла наклона топливного бака, который содержит двухосный акселерометр. Узел определения угла наклона топливного бака служит для достижения более точных результатов измерения уровня топлива в топливном баке во время стоянки и езды по неровному профилю дороги и для возможности установки емкостного датчика топлива в штатное место, расположенное не по центру топливного бака.
Емкостной датчик топливного бака оснащен температурным датчиком для компенсации результатов измерений в широком температурном диапазоне.
Блок сбора данных и передачи по беспроводной связи содержит микропроцессор, соединенный с GSM/GPRS-модулем и радиомодулем при помощи переключателя, гальванически развязанным последовательным интерфейсом RS485 и антенны для GSM/GPRS и радио.
К блоку сбора данных и передачи по беспроводной связи можно подключить до 32 блоков обработки и архивирования информации от различных датчиков, этим расширяя функциональные возможности системы.
К блоку сбора данных и передачи по беспроводной связи можно подключить датчики для учета потока пассажиров, оснащенные интерфейсом RS485, устанавливаемые по одному над каждым местом учета.
Считывание архивов производится дистанционно в любой момент без участия водителя и кондуктора.
Для дистанционного контроля расхода топлива и режимов работы автотранспортного средства служит центр обработки данных, которым является персональный компьютер, постоянно подключенный к Интернету, или оснащенный GSM/GPRS-модемом или радиомодемом по усмотрению пользователя. Персональный компьютер снабжен по меньшей мере одним программным продуктом.
Система дистанционного контроля расхода топлива и режимов работы автотранспортного средства, имея собственное резервное питание, работает круглосуточно, непрерывно записывая информацию в собственные архивы глубиной не менее двух месяцев, так как содержит энергонезависимую память большого объема. Каждая запись в архив сопровождается записью даты и времени за счет наличия часов реального времени в блоке обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя и в блоке обработки и архивирования температуры охлаждающей жидкости и давления в системе смазки.
Данную систему можно использовать в полном или усеченном варианте по желанию пользователя. Например, можно использовать только один блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя, емкостной датчик топливного бака и блок сбора данных и передачи по беспроводной связи для контроля расхода топлива или датчики для учета потока пассажиров, оснащенные интерфейсом RS485, устанавливаемые по одному над каждым местом учета и блок сбора данных и передачи по беспроводной связи для определения количества перевезенных пассажиров.
Основной задачей системы является контроль, экономия топлива и предотвращение хищений топлива. Основные достоинства системы - большая информативность (кроме расхода топлива предоставляется информация о параметрах работы транспортного средства); невмешательство в работу топливной аппаратуры (оборудование не может повлиять на подачу топлива в двигатель); универсальность устройства (устанавливается на любую технику); простота монтажа и эксплуатации, широкий диапазон рабочих температур от -40° до +85°; невозможность незаметного вмешательства в работу устройства, антивандальная защита (отсутствие элементов настройки и индикации на оборудовании, которые можно было бы изменять и подкручивать).
На фиг.1 показана структурная схема системы, содержащей блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя (1), блок обработки и архивирования температуры охлаждающей жидкости и давления в системе смазки (2), емкостной датчик топлива бензобака (3) и блок сбора данных и передачи по беспроводной связи (4) в центр приема и обработки информации содержания архивов (5). К блоку сбора данных и передачи по беспроводной связи можно подключить до 32 блоков обработки и архивирования, в том числе датчики для учета потока пассажиров и навигационный блок GPS/ГЛОНАСС, на фиг. не пронумерованы.
Основным узлом определения расхода топлива является емкостной датчик топлива, изображенный на фиг.2. Структурная схема датчика топлива изображена на фиг.3. Емкостной датчик топлива (3) состоит из переменного конденсатора (6), выполненного из двух металлических трубок из нержавеющей стали, коаксиально вставленных друг в друга, преобразователя значения емкости в цифровой код (7), узла определения угла наклона топливного бака (8), который содержит двухосный акселерометр, температурного датчика (9) и узла температурной компенсации (10). Размеры трубок выбраны таким образом, чтобы обеспечить маленькую собственную емкость - не более 1000 фемтофарад: внутренняя трубка имеет диаметр 3 мм, внешняя - 16 мм. Трубки изолированы друг от друга и запрессованы по концам уплотнительными фторопластовыми кольцами. У нижнего основания внешней трубки непосредственно над фторопластовым кольцом просверлены два отверстия диаметром 4 мм, расположенные диагонально, для поступления топлива в трубку по закону сообщающихся сосудов. У верхней части внешней трубки непосредственно под фторопластовым кольцом просверлено одно отверстие диаметром 4 мм для выпуска воздуха во время поступления топлива в трубку. Длина трубки соответствует глубине топливного бака. Преобразователь значения емкости в цифровой код, температурный датчик, узел измерения температуры окружающей среды и узел определения угла наклона размещены на одной плате в герметичном корпусе емкостного датчика топливного бака строго параллельно верхней поверхности топливного бака. Датчик топлива соединен с блоком обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя по интерфейсу I2C (11) через разъем (12). Из-за того что во время движения транспортное средство постоянно меняет свое положение относительно ровной поверхности, в результате чего топливный бак тоже меняет свое положение относительно ровной поверхности, - уровень топлива меняется, поэтому возрастает погрешность измерения уровня топлива в топливном баке. Чем больше наклон, тем больше погрешность, так как датчик топлива для удобства монтажа и сохранения целостности специальной обработки внутренней поверхности топливного бака крепится в топливном баке в отверстие штатного датчика, которое расположено не по центру топливного бака заводом-изготовителем. Для устранения этой погрешности в емкостной датчик добавлен узел определения угла наклона топливного бака. После измерения температуры и уровня топлива в топливном баке и преобразования его в цифровой код и далее в литры в преобразователе емкости в цифровой код производится окончательная обработка результата с учетом данных, полученных от узла определения угла наклона топливного бака. В зависимости от наклона топливного бака по двум осям вычисляется угол наклона относительно условной ровной поверхности и определяется поправочный коэффициент смещения уровня топлива в трубке датчика: при отсутствии наклона коэффициент равен 1, при наклоне в ту или иную сторону коэффициент будет больше или меньше 1 в зависимости от величины угла и в зависимости от геометрического расположения установочного отверстия датчика топлива относительно центра топливного бака. На этот коэффициент умножается полученное значение уровня топлива. Так как при движении в топливном баке появляются всплески и колебания, которые значительно меняют уровень топлива в топливном баке, эти всплески и колебания могут быть учтены как слив топлива или заправка. Учет показаний датчика спидометра - определение того, движется автотранспортное средство или стоит на месте, - позволяет устранить несоответственные определения слива или заправки путем анализа кратковременных всплесков-падений уровня топлива во время движения транспортного средства.
Процесс измерения емкости производится с очень большой точностью, дискретность измерений - 10 фемтофарад, и с учетом температурной коррекции. 44 фемтофарады соответствуют 1 мм уровня топлива. Максимальный уровень в трубке соответствует 17000 фемтофарадам. Таким образом, разрешающая способность равна 0,23 мм. Погрешность вычисления расхода топлива, учитывая все динамические факторы, составляет не более +/-1% при объеме топливного бака от 100 до 300 литров. При меньшем объеме топливного бака из-за большей относительной глубины и меньшей площади поверхности топлива погрешность будет тоже не выше +/-1%.
Получение одного измерения количества топлива в топливном баке происходит в течение 124 мс, так как значение емкости переводится напрямую в цифровой код, поэтому для получения более точного измерения во время движения требуется время менее 1 секунды с усреднением из 8 измерений.
Результаты измерения из датчика топлива передаются в блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя (1), структурная схема которого изображена на фиг.4.
Блок обработки и архивирования расхода топлива, скорости и оборотов двигателя связан с емкостным датчиком топлива бензобака через разъем I2C (12), с датчиком тахометра, с датчиком спидометра и содержит микропроцессор (13), соединенный с энергонезависимой памятью (14), часами реального времени (15), последовательным интерфейсом RS485 (16), гальванически развязанным последовательным интерфейсом RS232 (17), резервным питанием для автономной работы (18), узлом контроля резервного питания (19), узлом формирования аналогового сигнала для штатного указателя уровня топлива (20), с преобразователем сигнала импульсного датчика тахометра (21), с преобразователем сигнала датчика спидометра (22). Энергонезависимая память (14), рассчитанная на два месяца, служит архивом для регистрации даты и времени, объема топлива в литрах, скорости движения и оборотов двигателя. Запись в архив производится в виде строки, в начале которой записываются дата и время с точностью до секунды для восстановления полной картины круглосуточного функционирования автотранспортного средства во времени даже при выключенном двигателе и снятом аккумуляторе автотранспортного средства. Запись в архив производится только при изменениях архивируемых параметров. Для записи в архив дата и время считываются из часов реального времени (15).
Формирователь аналогового сигнала (20) является дополнительным каналом для подключения штатного указателя уровня топлива, расположенного в кабине водителя, и показывает уровень топлива в топливном баке с большой точностью. Резервное питание для автономной работы (18) рассчитано на десять суток работы без внешнего питания и контролируется узлом контроля резервного питания (19) за состоянием его зарядки после появления внешнего питания. Гальванически изолированный интерфейс RS232 (17) служит для подключения переносного компьютера для использования во время монтажно-наладочных работ и тарировки топливного бака перед окончательным пуском системы в работу. Повторную тарировку можно производить также после появления вмятин во время эксплуатации автотранспортного средства на топливном баке. Тарировка производится при помощи специального программного обеспечения. Интерфейс RS485 (16) служит для передачи по витой паре содержимого архива в блок сбора данных и передачи по беспроводной связи (3).
Блок обработки и архивирования температуры охлаждающей жидкости и давления в системе смазки (2), структурная схема которого изображена на фиг.5, связан со штатными датчиком температуры охлаждающей жидкости и датчиком давления и содержит микропроцессор (23), соединенный с часами реального времени (24), энергонезависимой памятью (25) и последовательным интерфейсом RS485 (26).
Блок сбора данных и передачи по беспроводной связи (4), структурная схема которого изображена на фиг.6, содержит микропроцессор (27), соединенный с гальванически изолированным интерфейсом RS485 (28). Микропроцессор при помощи переключателя (29), с помощью которого выбирается способ передачи информации в центр приема и обработки информации, соединен с модулем GSM/GPRS (30) и радиомодулем (31).
Блок сбора данных и передачи по беспроводной связи обладает гибкой архитектурой, позволяющей подключить до 32 блоков обработки и архивирования с других информативных датчиков. Также в этом блоке заложена возможность передачи информации двумя способами: по каналу GSM/GPRS и по радиоканалу на разрешенной частоте. По радиоканалу информация начинает передаваться по возвращению автотранспортного средства в парк по мере вхождения в зону чувствительности, радиус которой не более 300 метров. Передача информации в центр приема информации осуществляется автоматически без участия оператора в центре приема и обработки информации, а также по желанию оператора в любой момент. Водитель и кондуктор не могут физически несанкционированно вмешаться в работу системы дистанционного контроля расхода топлива и режимов работы автотранспортного средства.
Система на автотранспортное средство устанавливается следующим образом: вместо штатного датчика уровня топлива устанавливается высокоточный емкостной датчик. В транспортное средство устанавливают блоки обработки и архивирования, к которым подключают соответствующие датчики. Блоки обработки и архивирования через витую пару подключаются к блоку сбора данных и передачи по беспроводной связи.
В центре приема и обработки информации на персональный компьютер, к которому подключен GSM/GPRS-модем или радиомодем с антенной, устанавливают программное обеспечение.
Система работает следующим образом. В центре приема и обработки информации выбирается способ дистанционной приемопередачи информации: через GSM/GPRS или радио. При выборе GSM/GPRS устанавливается режим опроса: по расписанию, раз в сутки по возвращению транспортного средства в парк или в течение рабочей смены по запросу оператора. При выборе радиоинформация считывается автоматически по возвращению автотранспортного средства в парк при попадании автотранспортного средства в зону чувствительности, радиус которой не более 300 метров.
На автотранспортном средстве информация со всех подключенных к системе датчиков поступает в соответствующие блоки обработки и архивирования и записывается в собственные архивы в случае изменения записываемого параметра. По запросу из центра приема и обработки информация, сохраненная в архивах блоков обработки и архивирования, через блок сбора данных и передачи по беспроводной связи передается в центр приема и обработки информации.