新能源汽車遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

黃世祥 黃宏成 楊 松

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

0 引言

早在2009年，工信部就頒布了處于起步期和發(fā)展期的新能源汽車必須按比例進行遠程監(jiān)控的法規(guī)［1］，且2011年四部委又聯(lián)合作了進一步強調(diào)；上海市也于2012年發(fā)布了相應(yīng)地方標準［2］，該標準對遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)功能作了基本規(guī)定；上海交通大學(xué)開展“綠色校園”示范網(wǎng)項目，其核心是基于電動車和充電設(shè)施的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控研究中心。

目前的車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)，大多基于GSM/GPRS等2.0/2.5G 無線網(wǎng)絡(luò)［3－7］，GPRS在實際使用中，通信時延較大，RTT（Round Trip Time）通常在1000ms－3000ms，甚至可能膨脹到10s；數(shù)據(jù)吞吐率受實際通信條件，如終端移動速度、小區(qū)切換、網(wǎng)絡(luò)擁塞等影響，變化范圍非常大，且會伴隨丟包率的增加，系統(tǒng)實時性和通信可靠性受到極大影響；由于原理性因素，其TCP性能穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)安全性也不如CDMA 1xEVDO網(wǎng)絡(luò)。鑒于這些原因，GPRS將不能滿足數(shù)據(jù)流量較大、交互性強的應(yīng)用需求，如目前發(fā)展的Telematics業(yè)務(wù)。

針對GPRS網(wǎng)絡(luò)以上不足，系統(tǒng)采用CDMA 1xEVDO網(wǎng)絡(luò)作為無線通信方案，以備圖像、聲音等多媒體業(yè)務(wù)拓展對通信帶寬的需求，且在系統(tǒng)硬件和軟件架構(gòu)設(shè)計方面充分考慮可擴展性和軟件可移植性；為了提高系統(tǒng)實時性和對資源的管理能力，引入RTOS進行車載終端實時任務(wù)設(shè)計；同時對通信數(shù)據(jù)進行校驗，合理設(shè)計通信程序，將數(shù)據(jù)丟包率控制到最小，提高通信可靠性；數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心對訪問用戶進行身份驗證和權(quán)限管理，保證安全性；此外，系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)本地、遠程的實時查詢，歷史統(tǒng)計信息查詢，車載終端運行自檢，軟件遠程在線升級等功能。

1 CDMA 1xEVDO TCP性能及系統(tǒng)通信過程

CDMA 1xEVDO是專門針對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而經(jīng)過優(yōu)化了的技術(shù)，其設(shè)計峰值速率可達下行3.1 Mbps/上行1.8Mbps（Rev.A），下行2.4Mbps/上行153Kbps（Rev.0），且向下版本兼容。據(jù)實際測試，其數(shù)據(jù)吞吐率可達下行304－572Kbps/上行85－135Kbps，能穩(wěn)定在下行300Kbps/上行80Kbps以上；數(shù)據(jù)包差錯率90%的概率在下行0.2%/上行1%以下；通信時延（RTT）通常150－1400ms且90%的概率在220ms以下，另外，CDMA 1xEVDO增加了不同接入網(wǎng)（AN）之間的接口，提高了不同AN之間的切換性能，可見CDMA 1xEVDO（以下簡稱EVDO）TCP性能比GPRS網(wǎng)絡(luò)提高很多?；贓VDO網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 基于CDMA 1xEVDO的遠程監(jiān)控系統(tǒng)通信鏈路Fig.1 Architecture of vehicle remote monitoring system

系統(tǒng)通信過程可分為上行通信、下行通信和客戶端的遠程訪問3個過程，其詳細描述如圖2所示。

上行通信：如圖2上半部分所示，車載終端控制器通過控制EVDO模塊先后建立HRPD（High Rate Packet Data）和PPP（Point－to－Point Protocol）會話，PDSN （Pocket Data Service Node）為模塊分配IP地址，從而將車載終端接入Internet，進而與遠程監(jiān)控中心服務(wù)器建立TCP連接（假如使用TCP協(xié)議），如此，終端可將從車載總線及GPS接收器采集的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，傳輸結(jié)束后，關(guān)閉TCP連接。

下行通信：如圖2下半部分所示，假設(shè)車載終端EVDO模塊處于服務(wù)器偵聽狀態(tài)，此時遠程通信服務(wù)器主動向車載終端發(fā)起TCP連接請求，車載終端應(yīng)答后，可建立下行TCP連接，進而下行傳輸數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束后，關(guān)閉TCP連接。

遠程訪問：如圖2右下部分所示，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心構(gòu)建WEB/WAP服務(wù)器，授權(quán)用戶可通過PC、智能手機等客戶端瀏覽器登錄查詢所屬車輛的實時、歷史信息或故障信息。

2 車載終端設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

車載終端工作環(huán)境與3種工作模式如圖3所示，其將完成如下功能：數(shù)據(jù)定時采集、定時傳送，本地、遠程實時數(shù)據(jù)查詢，故障報警與提示，軟件遠程在線升級。此外，終端還支持運行自檢，數(shù)據(jù)本地存儲，上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)校驗等功能。

2.1.1 外部接口及協(xié)議

圖3顯示了車載終端工作環(huán)境，其具有4類外部接口：接收GPS衛(wèi)星廣播信號接口、與新能源汽車通信的CAN總線接口、與遠程通信服務(wù)器的無線通信接口以及與用戶交互的人機接口。GPS接收器為接收衛(wèi)星信號接口，完成對衛(wèi)星的捕捉和終端定位；CAN控制器與CAN收發(fā)器組成CAN總線接口；EVDO模塊為無線入網(wǎng)接口，完成數(shù)據(jù)遠程傳輸；人機接口則由按鍵、蜂鳴器、LCD或麥克風、揚聲器等設(shè)備構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)通信過程描述Fig.2 System communication process

圖3 車載終端環(huán)境與功能模型Fig.3 Vehicle terminal environment and function model

由于電動汽車等新能源汽車的CAN通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議在產(chǎn)業(yè)界并未形成標準，大多基于SAE J1939協(xié)議設(shè)計，如CN2004A（B），應(yīng)用時需修改參數(shù)以適應(yīng)具體車型；而遠程通信基于TCP/IP協(xié)議，但應(yīng)用協(xié)議需自行設(shè)計（詳見2.3.2）。

2.1.2 工作模式

M0：定時模式。車載終端的一般工作模式，完成車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)定時采集，如圖4所示，定時采樣GPS數(shù)據(jù)（A）和車載數(shù)據(jù)（B），并將其本地存儲，采樣周期不大于10s［2］；定時傳送，將格式化后的GPS數(shù)據(jù)（A′）與車載數(shù)據(jù)（B′）上傳至遠程通信服務(wù)器，上傳周期不大于60s［2］。同時，對車載終端的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，保證其有序、可靠運行。

M1：中斷模式。車載終端進入中斷模式有2種情況：按鍵中斷和遠程中斷，如圖4所示：

按鍵中斷將對車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)（A，B）進行實時采集，數(shù)據(jù)（此時無需格式化，仍為A，B）通過CAN總線被發(fā)送至車載信息終端進行顯示（車載信息終端應(yīng)有相應(yīng)的顯示驅(qū)動）；

遠程中斷通過信令解析后，又將出現(xiàn)3種情況：若是故障信息，則終端進行相應(yīng)的故障處理調(diào)用；若是查詢命令，則對車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)（A，B）進行實時采集，數(shù)據(jù)（此時無需格式化，仍為A，B）被上傳至遠程通信服務(wù)器；若是升級命令，則終端將進行升級處理調(diào)用，從而進入升級模式。

M2：升級模式。當需要升級車載終端軟件時，遠程通信服務(wù)器向終端發(fā)送升級命令，終端從中斷模式進入升級模式，完成遠程下載映像文件（C）和Flash編程，實現(xiàn)在線升級。升級結(jié)束后，終端將重新啟動定時模式。

圖4 車載終端行為過程及數(shù)據(jù)流模型Fig.4 Logic behaviors of vehicle terminal

2.1.3 車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)

車載終端至少采集車輛位置，動力電池電壓、電流、溫度、SOC、充放電狀態(tài)，驅(qū)動電機溫度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)信息［2］，此外，根據(jù)應(yīng)用需要，可采集其它數(shù)據(jù)。

2.2 硬件設(shè)計

按上述功能與行為要求，車載終端應(yīng)該包括主控制器、CAN控制器和收發(fā)器、無線通信EVDO模塊、GPS接收器模塊、輔助存儲單元（如SD卡、U盤）、人機接口（如LCD，蜂鳴器，按鍵）、供電單元、時鐘單元、復(fù)位單元（包括運行監(jiān)控，如Watchdog）、編程與調(diào)試接口（如BDM（Background Debug Model），JTAG）以及各種接口適配器等保證終端正常工作的器件。設(shè)計的示例硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

各模塊連接關(guān)系說明如下：

由于主要采樣的是車輛動力總成狀態(tài)數(shù)據(jù)，故車載CAN網(wǎng)絡(luò)采用高速CAN協(xié)議，通信速率一般為250Kbps或500Kbps；GPS接收器與MCU采用UART連接，輸出采用NMEA 0183協(xié)議；SD卡模塊與MCU采用SPI總線連接，可實現(xiàn)高速讀寫；蜂鳴器采用PWM驅(qū)動方式，可根據(jù)故障等級輸出不同頻率的聲音；EVDO模塊（核心器件為華為MC703EVDO模塊）與 MCU采用標準 RS－232－C連接，可分別制作PCB，方便拆卸或更換；TFT LCD和Button采用GPIO（Generic Purpose Input Output）與MCU連接；對于其它的模塊，MCU具有相應(yīng)的專用接口與之連接。

另外，終端還可按需增加模塊，實現(xiàn)功能擴展，如增加語音模塊或CCD圖像傳感器等，實現(xiàn)多媒體應(yīng)用。

2.3 軟件設(shè)計

由于車載終端任務(wù)較多，為了保證系統(tǒng)實時性和對資源的充分利用，故引入μC/OS－II實時內(nèi)核進行車載終端軟件設(shè)計。μC/OS－II是一種基于優(yōu)先級的、搶占式調(diào)度實時內(nèi)核，提供如信號量、消息郵箱、消息隊列等多種任務(wù)通信與同步機制，且經(jīng)過少量修改，可使其滿足OSEK/VDX OS標準。

2.3.1 軟件架構(gòu)

按照抽象設(shè)計、接口與實現(xiàn)分離理念，對車載終端軟件逐層抽象，可建立一個終端應(yīng)用程序設(shè)計的通用方案，其軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖5 車載終端硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware block diagram of vehicle terminal

車載終端軟件設(shè)計可抽象為3個層次：基礎(chǔ)軟件層、系統(tǒng)接口層、應(yīng)用層，分別闡述如下：

基礎(chǔ)軟件層。包括μBoot（表示內(nèi)核尚未啟動之前完成MCU寄存器，中斷向量和存儲空間等C運行環(huán)境配置，引導(dǎo)內(nèi)核的一段匯編程序）、IAP（In Application Programming）程序（軟件遠程在線升級的核心程序）、MCU及外圍器件驅(qū)動程序（其中FatFs是一種適用于小型嵌入式應(yīng)用的開源文件系統(tǒng)）、μC/OS－II實時內(nèi)核（需要移植和進行少量修改），基礎(chǔ)軟件提供了訪問車載終端底層硬件的接口。

系統(tǒng)接口層。對基礎(chǔ)軟件提供的各種API（Application Programming Interface）進一步封裝成統(tǒng)一的系統(tǒng)API，為應(yīng)用層實時任務(wù)提供運行時環(huán)境（RTE（Run－time Environment））。

應(yīng)用層。實現(xiàn)車載終端功能和行為的核心程序，其核心是任務(wù)劃分及其優(yōu)先級確定，任務(wù)設(shè)計應(yīng)滿足系統(tǒng)實時性，且使任務(wù)間通信和同步代價最小。

圖6 車載終端軟件架構(gòu)Fig.6 Software architecture of vehicle terminal

圖7 遠程通信模型Fig.7 Remote communication model

定時模式設(shè)計為4個任務(wù)：Task1數(shù)據(jù)采樣（DataSampler），優(yōu)先級為5，運行周期為5s（指對車載數(shù)據(jù)B的采樣，GPS數(shù)據(jù)A是定時輸出的，中斷方式接收）；Task2數(shù)據(jù)存儲（DataStorer），優(yōu)先級為7，運行周期為20s；Task3數(shù)據(jù)傳送（DataTransfer），優(yōu)先級為9，運行周期為40s；Task4運行監(jiān)控（RunningSupervior），優(yōu)先級為11，運行周期設(shè)計為60s，實現(xiàn)對終端硬件運行時狀態(tài)的監(jiān)控，如圖7所示。其中，Task1和Task2需要進行同步，可采用μC/OS－II提供的消息隊列機制實現(xiàn)。

中斷模式設(shè)計為2個中斷服務(wù)任務(wù)，如圖5所示（不包括其它 MCU或內(nèi)核內(nèi)部中斷）：Button－ISR，中斷優(yōu)先級設(shè)計為15，完成車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的本地實時查詢；RemoteComISR，中斷優(yōu)先級為13，根據(jù)信令類型，完成車輛故障報警、遠程實時查詢或切換到軟件在線升級程序。

2.3.2 通信協(xié)議

由于MCU內(nèi)部具有CAN控制器、SPI控制器，使用的都是標準CAN2.0和SPI通信協(xié)議，所以這兩種協(xié)議不予討論；MCU與GPS Receiver通信采用基于UART的NMEA 0183V3.0和UBX協(xié)議，其中UBX用于設(shè)置GPS Receiver的輸出數(shù)據(jù)速率、定位刷新頻率、定位模式等參數(shù)，NMEA 0183V3.0定義了輸出報文格式，設(shè)置波特率為9600bps，刷新頻率為0.2Hz，定位模式為車載模式，MCU為中斷接收方式。

遠程通信協(xié)議分為上行通信協(xié)議和下行通信協(xié)議，下行通信協(xié)議又包括對車載終端的控制協(xié)議和用于軟件遠程在線升級的文件傳輸協(xié)議，其通信模型如圖7所示。TCP/IP協(xié)議具有超時和重傳、校驗、流量控制等機制，保證了通信可靠性，因此，只要保證UART的傳輸可靠性就能保證車載終端遠程通信的可靠性。

定義上行數(shù)據(jù)和下行控制數(shù)據(jù)格式如下：

上行通信協(xié)議。假如MC703已經(jīng)接入Internet，上傳數(shù)據(jù)時，MCU首先發(fā)送AT指令控制MC703與遠程通信服務(wù)器建立TCP連接并開啟透明傳輸模式，然后按上述數(shù)據(jù)包格式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸結(jié)束后，遠程通信服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答信號，MCU根據(jù)應(yīng)答信號決定結(jié)束傳輸（發(fā)AT指令控制MC703斷開TCP連接），或者重傳。如果超過15s沒有接收到應(yīng)答信號，則認為通信失敗，并重啟傳輸。

下行控制協(xié)議。MC703工作在服務(wù)器偵聽狀態(tài)，遠程通信服務(wù)器向MCU按上述數(shù)據(jù)包格式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到達時MCU的USART1產(chǎn)生接收中斷，MCU進入RemoteComISR中斷服務(wù)程序（首先發(fā)送接收應(yīng)答信號，然后根據(jù)ID類型進行響應(yīng)）。遠程通信服務(wù)器根據(jù)應(yīng)答信號決定結(jié)束傳輸（斷開TCP連接）或重傳，如果超過10s沒有接收到信號，則重新發(fā)送。

程序映像文件傳輸協(xié)議。軟件遠程在線升級程序需要將遠程宿主機編譯生成的程序映像文件（二進制文件）下載到車載終端，必須定義相應(yīng)的文件傳輸協(xié)議。幸運的是，已經(jīng)有這樣的文件傳輸協(xié)議可用，如Xmodem、Ymodem、KERMIT等，如采用常用的Ymodem傳輸協(xié)議，其對下載數(shù)據(jù)進行CRC校驗、錯誤重傳等機制，保證了傳輸可靠性。

3 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心服務(wù)器群模型

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心需要完成與車載終端遠程通信、管理車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析與故障診斷、提供車輛用戶遠程查詢所屬車輛信息、程序文件管理以及軟件開發(fā)功能，是一個C/S、B/S的混合架構(gòu)模型，實現(xiàn)一定的結(jié)構(gòu)和功能冗余，提高系統(tǒng)可靠性。

通信服務(wù)器（Communication Server）實現(xiàn)與各車載終端的遠程通信（C/S模式），并發(fā)率不能小于其所監(jiān)控車輛總數(shù)的10%［2］，可采用端口復(fù)用、多線程等技術(shù)實現(xiàn)；WEB/WAP服務(wù)器采用MVC模式［4］進行設(shè)計（B/S模式，只有實時查詢時才與車載終端通信，其余實時都從中心數(shù)據(jù)庫獲得數(shù)據(jù)），需兼顧PC、移動客戶端的多種瀏覽器且對訪問用戶進行權(quán)限管理，授權(quán)用戶可訪問車輛實時、歷史統(tǒng)計信息和故障狀態(tài)信息。

4 結(jié)論

將CDMA 1xEVDO和GPRS網(wǎng)絡(luò)的TCP性能進行了對比研究，指出CDMA 1xEVDO具有更好的實時性、安全性、穩(wěn)定性，可滿足對多媒體業(yè)務(wù)擴展的需求。將CDMA 1xEVDO技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，對系統(tǒng)的通信過程進行了詳細論述；對采用模型方法對車載終端功能和行為進行了詳細描述；設(shè)計了可擴展及層次分明的硬件、軟件架構(gòu)和保證通信可靠性的基于UART和TCP/IP協(xié)議的遠程通信協(xié)議，提出了一種C/S，B/S混合架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心服務(wù)器群模型，對新能源汽車遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，也可供其它設(shè)備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計借鑒。

［1］ 工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)部.新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)則［R］.2009.

［2］ 上海市地方標準.《電動乘用車運行安全和維護保障技術(shù)規(guī)范》，DB31/T634－2012，2012年11月1日起實施.

［3］ 謝輝，肖斌，郝明德，等.電動汽車示范運行無線遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)研究［J］.汽車工程，2006，28（8）.

［4］ 張新豐，沈勇，宋蜀，等.面向規(guī)模示范運營的新能源汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.汽車工程，2012，34（5）.

［5］ 彭劍，葉楓，辛兢澤.汽車遠程監(jiān)控診斷系統(tǒng)的功能設(shè)計和應(yīng)用研究［J］.上海汽車.設(shè)計研究，2011（3）.

［6］ 沈陽.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的研究［J］.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

［7］ 航天新長征電動汽車技術(shù)有限公司.電動汽車遠程監(jiān)控和信息服務(wù)系統(tǒng).2011.