構(gòu)架在OBD系統(tǒng)的遠程汽車監(jiān)測新方案

農(nóng) 偉，侯俊丞，胡睿南

(西安電子科技大學通信工程學院，陜西西安 710126)

車聯(lián)網(wǎng)，是指裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻等識別技術(shù)，實現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)。

車聯(lián)網(wǎng)的概念在20世紀60年代已經(jīng)先后出現(xiàn)在美國、歐洲與日本等發(fā)達國家和地區(qū)，并先后發(fā)展起ITS、IVHS［1］、RTI、VICS［2］等車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)［3］。在國內(nèi)，全國第四屆GPS運營商大會，車聯(lián)網(wǎng)的概念被首次提出，得到廣大專業(yè)人士的認同;在無錫舉行的中國國際物聯(lián)網(wǎng)大會上，國家將車聯(lián)網(wǎng)列為我國重大專項第三專項中的重要項目，中國的車聯(lián)網(wǎng)由此起步。到現(xiàn)今，一些供應(yīng)商所提供的車載系統(tǒng)中，已經(jīng)基本實現(xiàn)智能導(dǎo)航、保養(yǎng)預(yù)約、咨詢查詢等功能，更方便車輛出行，在一定程度上提高了駕駛體驗。

車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展除了能提供用戶更好的駕駛體驗，同時也應(yīng)可以為汽車廠商或4S店等機構(gòu)提供強大的后臺數(shù)據(jù)反饋服務(wù)。這對他們的業(yè)務(wù)拓展以及服務(wù)延伸也是有意義的。有力的數(shù)據(jù)反饋能對車輛的突發(fā)異常狀況有及時的響應(yīng)，對分析車輛的維修質(zhì)量提供依據(jù);歷史性的數(shù)據(jù)可以為特定的車種提供有針對性和個性化的維修保養(yǎng)服務(wù)。

論文提供了一個具備實時車況信息監(jiān)聽，車況異常報警以及行車數(shù)據(jù)記錄等強大后臺數(shù)據(jù)反饋功能的解決方案，即車載系統(tǒng)采集到車輛狀況信息后將其上傳至服務(wù)器，管理員可以登錄本方案系統(tǒng)的信息中心，使用車況遠程監(jiān)聽，異常情況遠程抓獲及車輛行車日志等功能廣泛收集行車數(shù)據(jù)。通過對數(shù)據(jù)的主動分析，汽車廠商不但能為車主提供更高質(zhì)量、更主動的車輛維護服務(wù)，并且可以明確掌握某款、某系列汽車的運行狀況，這對車種的改進及優(yōu)化都有明顯的貢獻，同時可以提高汽車廠商的生產(chǎn)效率，減少車輛的維護成本。

1 方案的框架分析

方案實現(xiàn)框架圖，如圖1所示。整個系統(tǒng)是由兩個服務(wù)器/客戶端(C/S)架構(gòu)子網(wǎng)構(gòu)成，車載系統(tǒng)與服務(wù)器構(gòu)成通過GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成車/服信息交互網(wǎng);信息中心與服務(wù)器通過包括符合TCP/IP協(xié)議的多元網(wǎng)絡(luò)組成信息交互網(wǎng)。鑒于開放網(wǎng)絡(luò)欠缺安全性，兩個子網(wǎng)絡(luò)的信息交互使用加密的通信方案，保證通信數(shù)據(jù)的基本安全。

圖1 方案實現(xiàn)框架圖

2 方案的主要功能模塊定義

2.1 車載系統(tǒng)功能定義

(1)作為反饋數(shù)據(jù)的來源，是信息中心進行上層服務(wù)所需基本數(shù)據(jù)的主要提供者，與OBD系統(tǒng)進行信息交互，實時獲取汽車的最新狀態(tài)信息。

(2)接受來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的任務(wù)請求，被動進行特定汽車狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)反饋。

(3)根據(jù)設(shè)置以及故障定義法則，當檢測出汽車系統(tǒng)發(fā)生異常時，把汽車異常信息及時主動地反饋到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

(4)汽車行程信息實時記錄的直接執(zhí)行者，并定時向數(shù)據(jù)服務(wù)器上傳行程記錄，與數(shù)據(jù)服務(wù)器互相結(jié)合成為汽車行程記錄的完整系統(tǒng)。汽車行程記錄暫存于車載系統(tǒng)本地Flash區(qū)，F(xiàn)lash區(qū)的儲存空間比較大，并有掉電保持功能，可以充當黑盒子作用，當汽車發(fā)生意外來不及上傳異常情報時，依然可以把意外發(fā)生時的最新情報及時保存。

(5)支持通信加密，密鑰交換等安全的相關(guān)機制。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器功能定義

(1)作為反饋數(shù)據(jù)共享者的核心角色。接收到的大量反饋數(shù)據(jù)提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)便于二次數(shù)據(jù)加工，并適合與不同意義數(shù)據(jù)的邏輯存儲隔離。實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的功能。

(2)接受來自遠程信息中心的數(shù)據(jù)訪問，正確地執(zhí)行來自信息中心的任務(wù)請求以及接受來自信息中心對車載系統(tǒng)節(jié)點進行數(shù)據(jù)訪問的委托，委托機制能通過Cache機制，提高對信息中心請求的響應(yīng)速度。

(3)接受來自車載系統(tǒng)節(jié)點信息，并根據(jù)一定的法則使用接受到的信息對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行更新。并且代理完成來自信息中心委托對車載系統(tǒng)節(jié)點進行數(shù)據(jù)訪問的任務(wù)。

(4)對信息中心以及車載系統(tǒng)節(jié)點提供認證服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)訪問控制等安全機制。

(5)支持通信加密，密鑰交換等安全相關(guān)的機制。

2.3 信息中心功能定義

(1)作為對反饋數(shù)據(jù)進行深度應(yīng)用的主要角色。對數(shù)據(jù)服務(wù)器進行合法訪問，并經(jīng)過解析把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對管理員有意義的信息，包括車輛故障信息、車輛運行參數(shù)等。使用數(shù)據(jù)本地加工分析可以使通信采用濃縮了大量信息的代碼通信，從而減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量，并減輕數(shù)據(jù)庫的運算負擔。

(2)提供信息中心的管理員對數(shù)據(jù)服務(wù)器進行遠程合法操作的接口，包括獲取信息請求、記錄操作請求、登錄認證、任務(wù)委托等基本應(yīng)用接口，并通過軟件抽象出遠程汽車車況監(jiān)聽，遠程車況異常及時響應(yīng)等宏觀應(yīng)用層的功能。

(3)支持通信加密，密鑰交換等安全相關(guān)的機制。

3 方案可行性分析

3.1 車載系統(tǒng)方案實現(xiàn)可行性分析

車載診斷電路(On－Board Diagnostics，OBD)，它能夠獲取控制汽車的內(nèi)部參數(shù)狀態(tài)。OBD最初作為一種控制汽車排放的排量監(jiān)視器，通過檢測發(fā)動機狀態(tài)和尾氣中污染物的含量，提示駕駛員對車輛進行維護，后來逐步發(fā)展成一套完善的汽車綜合監(jiān)控系統(tǒng)。如果廠商實現(xiàn)了OBD標準中所有的PID功能，OBD可以提供胎壓、空氣流量、踏板位置等多方面的信息。

由于OBD系統(tǒng)無法通知用戶錯誤的原因，需要把檢測到的OBD數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程的廠商進行分析，然后再把信息反饋給用戶。

通過OBD系統(tǒng)可以對汽車的狀況有一個全面了解。標準的OBD提供了9種服務(wù)。

表1 標準OBD提供的服務(wù)

主要通過Mode1獲取汽車當前的狀態(tài)參數(shù)，比如胎壓、電瓶電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等。通過Mode3獲取當前發(fā)生的故障碼，通過Mode2返回與故障碼相關(guān)的凍結(jié)幀。通過Mode7找到可能在以后會發(fā)生的錯誤碼［4］。

OBD協(xié)議支持多種物理，采用29 bit擴展CAN總線。OBD有4種通信楨，這4種通信幀在CAN協(xié)議上的實現(xiàn)如圖2所示，圖2(a)為點對點通信的格式，圖2(b)為廣播通信格式［4］。

圖2 OBD 4種通信幀

采用ELM327作為與OBD通信的協(xié)議翻譯器，該芯片支持ISO15764協(xié)議和對應(yīng)的CAN總線物理層，ISO9141、ISO14230協(xié)議和對應(yīng)的 K－line物理層，SAEJ1850協(xié)議和對應(yīng)的PWM＆VPW物理層，將其轉(zhuǎn)換為標準串口協(xié)議［5］。使用ELM327可以提高通用性。采用 SIM300作為 GPRS通信模塊，采用STM32F103RB作為車載端的主控芯片，128 kB的Flash可以滿足故障信息存儲的需要。

圖3 車載系統(tǒng)框架圖

3.2 服務(wù)器方案可行性分析

圖4 服務(wù)器框架圖

(1)數(shù)據(jù)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信采用標準的TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳送采用面向連接的TCP模式。由于TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，絕大部分的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都支持基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信媒介不限于有線和無線。在軟件層上，操作系統(tǒng)把對各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信抽象成Socket類，在軟件編程上可以通過使用Socket類統(tǒng)一規(guī)范的接口操作數(shù)據(jù)服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行多元網(wǎng)絡(luò)信息交互。

(2)數(shù)據(jù)服務(wù)器采用OLEDB技術(shù)，OLEDB把對多元數(shù)據(jù)庫的操作抽象成統(tǒng)一規(guī)范的應(yīng)用層接口，在軟件編程上可以通過使用OLEDB類對數(shù)據(jù)庫進行簡單而規(guī)范化的數(shù)據(jù)操作，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新等。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)器采用多線程(Multithreaded)的信息處理機制，多線程的信息處理技術(shù)，提高服務(wù)器對遠程訪問的實時響應(yīng)性。對用于多用戶的數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)，還可以通過多線程來技術(shù)來進行不同用戶的信息處理的邏輯獨立，讓單個用戶服務(wù)產(chǎn)生異常的情況下以最小的程度影響其他用戶，保證了服務(wù)器的健壯性。

3.3 信息中心方案可行性分析

圖5 信息中心框架圖

(1)信息中心同樣采用標準TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，軟件編程上使用Socket類統(tǒng)一規(guī)范網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行與數(shù)據(jù)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信，在TCP模式下進行的信息交互，使信息完整性有協(xié)議上的保障。

(2)使用外掛的數(shù)據(jù)解釋庫，對獲取數(shù)據(jù)進行加工分析，便于軟件的固件升級。

(3)事件機制來處理來自操作員的命令，提高軟件對人機交互的實時響應(yīng)速度。

4 仿真驗證

4.1 車載端仿真

車載端可通過OBD獲取車輛信息并上傳至服務(wù)器。

4.2 服務(wù)器仿真

在服務(wù)器端可保存有車輛信息和車主信息。配置好網(wǎng)絡(luò)后，服務(wù)器可與信息中心互聯(lián)，從而達到信息互傳的目的。

圖6 服務(wù)器端界面

4.3 信息中心仿真

管理員可通過登錄信息中心查詢車輛信息，如圖7所示;進行故障處理，如圖8所示;在線監(jiān)測，如圖9所示;設(shè)置監(jiān)聽項，如圖10所示等。

通過多項查詢、監(jiān)聽項目，可以及時了解到車輛的狀況并對其作出處理。

5 結(jié)束語

隨著汽車使用的普及，做好汽車服務(wù)更是當下的重點。車載系統(tǒng)在客戶服務(wù)方面將會逐步完善、人性化，但對作為車聯(lián)網(wǎng)重要角色之一的汽車廠商的服務(wù)卻仍未見起始。因此，方案的提出主要是面向汽車廠商，形成一個為汽車廠商服務(wù)的雛形，為如今國內(nèi)剛起步的車聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供一個參考。在這基礎(chǔ)上，各大廠商可與各運營商等形成一定的合作關(guān)系，完善汽車廠商的服務(wù)工作，共同促進車聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

圖10 自定義監(jiān)聽

［1］中國自動化儀表網(wǎng).美國決定采用“智能車輛公路系統(tǒng)”(IVHS)技術(shù)［J/OL］.(2007－01－30)［2010－10－11］www.ca18.net/news/content－38403.htm

［2］路人@行者.智能交通VICS帶給日本安全與舒暢［J/OL］.(2009 －12 －05)［2010 －10 －15］www.blog.163.com

［3］李松，王齡.發(fā)達國家IVHS研究與發(fā)展［J］.國外公路，1998(4):19－22.

［4］International Organization for Standardization.ISO15765 － 3 Implementation of unified diagnostic services(UDS on CAN)［C］.ISO15765Road Vehicles－ Diagnostics on Controller Area Networks(CAN)，2004:1 －36.

［5］Elm Electronics.Reference of ELM327(the OBD TO RS232 interpreter)［M］.Olando，MA:ELM Electronics，2010.