柴油車排氣后處理系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究*

姚廣濤，伍 恒，郭子榮，資新運(yùn)

(軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161)

前言

在排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格的今天，排氣后處理系統(tǒng)在柴油車上得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也成為柴油車故障診斷(on-board diagnostics，OBD)的重點(diǎn)內(nèi)容。龐大的應(yīng)用規(guī)模和全面的運(yùn)行監(jiān)控成為一對(duì)矛盾，集成的監(jiān)控管理平臺(tái)成為柴油車排氣后處理系統(tǒng)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵，遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)為這一平臺(tái)的建立提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本文中結(jié)合軍事交通學(xué)院研究開發(fā)的柴油車排氣微粒捕集系統(tǒng)，基于GPRS(general packet radio service)無線通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)柴油車排氣后處理系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了探索，為柴油車排氣后處理系統(tǒng)的研究提供了數(shù)據(jù)交互和管理平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

柴油機(jī)排氣后處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載無線模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控終端組成，如圖1所示。

排氣后處理系統(tǒng)的電控單元(electronic control unit，ECU)采集系統(tǒng)運(yùn)行過程中的溫度、壓力、流量和開關(guān)量等數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)、GPS(global positioning system)數(shù)據(jù)、相關(guān)的控制參數(shù)和故障信息封裝為數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN(controller area network)網(wǎng)絡(luò)上;車載GPRS模塊通過CAN網(wǎng)絡(luò)與排氣后處理系統(tǒng)的ECU相連，接收來自CAN網(wǎng)絡(luò)的信息，經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)服務(wù)器通過Internet獲得車載GPRS終端發(fā)出的信息，還原成排氣后處理系統(tǒng)ECU采集到的原始數(shù)據(jù)后存入數(shù)據(jù)庫(kù);監(jiān)控終端通過連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)獲得對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的操作接口，調(diào)用和顯示排氣后處理系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)運(yùn)行過程實(shí)施監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要完成車載無線模塊的設(shè)計(jì)。根據(jù)功能需求，車載無線模塊主要包括MCU模塊、通信接口模塊、存儲(chǔ)卡接口模塊、GPS接口模塊和GPRS通信模塊，如圖2所示。

2.1 MCU模塊

MCU模塊即單片機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用Freescale的MC9S12DG128芯片，該芯片具有內(nèi)部16位數(shù)據(jù)通道，外部總線可按照8位數(shù)據(jù)窄總線模式操作，允許和8位數(shù)據(jù)總線的存儲(chǔ)器連接，且接口豐富，支持CAN口和串口輸入輸出。

2.2 存儲(chǔ)卡接口模塊

存儲(chǔ)卡模塊是為避免網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)丟失而設(shè)計(jì)的，MCU從CAN網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)放入緩沖存儲(chǔ)后，會(huì)同時(shí)發(fā)送到存儲(chǔ)卡和GPRS模塊。存儲(chǔ)卡工作在SPI模式。由于SPI是單片機(jī)硬件連接普遍采用的模式，占用的I/O資源較少，且對(duì)存儲(chǔ)卡的存取速度要求也不高，所以選用SPI模式。經(jīng)過大量的試驗(yàn)觀察，存儲(chǔ)卡能準(zhǔn)確完整地記錄數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)送頻率最高的情況下(100Hz)能正常工作［1］。

2.3 GPS接口模塊

GPS模塊采用MG2217S2芯片。該芯片由射頻接收器、基帶處理器、閃存和電源管理模塊組成。它的定位精度可達(dá)2m;冷啟動(dòng)時(shí)間平均為34s。采用5V供電，輸入輸出邏輯電平為3.3V。經(jīng)邏輯電平轉(zhuǎn)換后通過SPI接口與MCU相連。

2.4 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用華為EM310 GSM/GPRS模塊。該模塊除支持GSM標(biāo)準(zhǔn)AT指令外，還包含華為擴(kuò)展AT指令。上行速率最大可達(dá)42.8kB/s?？赏ㄟ^UART接口同MCU連接。

2.5 抗干擾設(shè)計(jì)

車輛行駛過程中環(huán)境復(fù)雜多變，抗干擾設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在PCB設(shè)計(jì)過程中，注意抗干擾措施，包括:電源線與地線的設(shè)計(jì)和退耦電容的配置、走線與過孔等方法。為消除電源干擾，在電源輸入電壓轉(zhuǎn)換模塊前通過LC濾波消除交流干擾。各電源轉(zhuǎn)換器后端均通過100μF和0.1μF電容并聯(lián)接地消除紋波電壓，保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定［2］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括車載無線模塊軟件設(shè)計(jì)、通信協(xié)議設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和客戶端GUI設(shè)計(jì)。具體流程如圖3所示。

3.1 車載GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件運(yùn)行流程如圖4所示。

GPS接收數(shù)據(jù)選用規(guī)范抬頭為$GPRMC的數(shù)據(jù)幀。檢測(cè)到$符號(hào)時(shí)開始，檢測(cè)到*符號(hào)時(shí)結(jié)束，利用校驗(yàn)來校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否有效。CAN網(wǎng)絡(luò)接收的數(shù)據(jù)共7幀，63個(gè)字節(jié)。每幀以CAN_ID開頭。如果GPRS收到重發(fā)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，還須依據(jù)自定義的擴(kuò)展UDP包頭協(xié)議序號(hào)，在GPRS_FLASH中查找需要重發(fā)的數(shù)據(jù)。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

GPRS模塊在傳輸層支持UDP和TCP兩種協(xié)議。UDP提供簡(jiǎn)單的無連接的面向數(shù)據(jù)包的傳輸層服務(wù);TCP提供可靠的面向連接的字節(jié)流傳輸層服務(wù)。綜合考慮可靠性、實(shí)時(shí)性、節(jié)約性、經(jīng)濟(jì)性和復(fù)雜性等因素［3］，選用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

鑒于UDP的不可靠性和無序性，設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展UDP協(xié)議如下:

(1)發(fā)送端和接收端確定一個(gè)傳輸緩存區(qū)，大小為65 536字節(jié)，以滿足數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸需要［4］;

(2)對(duì)每組數(shù)據(jù)包加一個(gè)包頭，包頭定義序列號(hào)，接收端對(duì)該序列號(hào)進(jìn)行確認(rèn)，如果序列號(hào)不連續(xù)，則請(qǐng)求重傳;

(3)傳輸超時(shí)和分組丟失的處理機(jī)制，如果多數(shù)分組發(fā)生丟失現(xiàn)象，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)阻塞，降低發(fā)送速率，如果發(fā)送速率降低到下限，則停止發(fā)送;

(4)接收端按照CAN_ID號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)重新排序。

3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件用C#編寫，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。接收程序采用異步Socket的方法幀聽端口并接收數(shù)據(jù);解析程序按照定義的數(shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并將解析后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)字段;數(shù)據(jù)修復(fù)程序按照固定算法遍歷數(shù)據(jù)庫(kù)，標(biāo)記和修復(fù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄，以便查錯(cuò);Web服務(wù)程序集成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)調(diào)用和操作的接口，將其以WebService的形式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，以便客戶端訪問。數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系圖(entity relationship diagram，E-R圖)如圖5所示。

3.4 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端軟件使用微軟的Visual Studio 2010編程工具，使用C#語言編寫。主要實(shí)現(xiàn)以下功能:實(shí)時(shí)顯示車輛信息(是否在線、行駛里程、油耗和運(yùn)行狀態(tài)等);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和曲線顯示后處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如進(jìn)氣流量、顆粒捕集器(DPF)前后的溫度和各開關(guān)量的狀態(tài)信息等;提供歷史數(shù)據(jù)及其曲線的繪制;提供遠(yuǎn)程故障診斷功能，顯示每輛車的故障信息和車輛位置，可用于環(huán)保部門的監(jiān)控管理。

監(jiān)控軟件通過調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)布的Web服務(wù)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，使用ZedGraph控件顯示實(shí)時(shí)和歷史曲線，使用Google API服務(wù)顯示車輛的位置信息。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)系統(tǒng)可靠性的驗(yàn)證是指驗(yàn)證經(jīng)過發(fā)送接收過程后數(shù)據(jù)的完整性。在存儲(chǔ)卡可靠性得到保證的前提下，可通過抽樣不同車輛在不同時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸率η:

式中:RNdataserver表示數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄數(shù);RNmicrosd表示存儲(chǔ)卡中的記錄數(shù)。

以每小時(shí)的數(shù)據(jù)做連續(xù)抽樣，抽取240組數(shù)據(jù)，計(jì)算得到數(shù)據(jù)傳輸率的抽樣分布圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，數(shù)據(jù)丟失率基本保持在5%以下，數(shù)據(jù)傳輸可靠性符合要求。

4.2 功能驗(yàn)證試驗(yàn)

開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已被應(yīng)用在多臺(tái)加裝排氣后處理系統(tǒng)的柴油車上，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。圖7和圖8是客戶端GUI顯示的對(duì)排放后處理系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的界面。

車輛位置信息界面可在地圖上實(shí)時(shí)觀察車輛的當(dāng)前位置和歷史行駛軌跡，如圖7所示。

故障診斷監(jiān)控界面實(shí)時(shí)更新車輛的故障信息，環(huán)保部門可據(jù)此跟蹤每輛車的運(yùn)行狀態(tài)，短信通知車主車輛發(fā)生的故障，及時(shí)強(qiáng)制有問題的車輛采取維修措施。圖8表示試驗(yàn)用車輛OBD信息［5］。

5 結(jié)論

本文中為柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的研究和故障管理設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)可將柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)運(yùn)行的過程參數(shù)、故障信息和加裝后處理系統(tǒng)車輛的位置信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器并可靠地將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在管理部門、專家或者用戶面前，實(shí)現(xiàn)了后處理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、車輛的遠(yuǎn)程調(diào)度和故障的遠(yuǎn)程診斷。

該平臺(tái)還可應(yīng)用于軍事運(yùn)輸車輛的調(diào)度、集裝箱運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)控與管理和空投物資的管理等。

［1］ 張旭．汽車遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)車載模塊的研究與開發(fā)［J］．車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(2):14－17．

［2］ 清華大學(xué)電子學(xué)教研組．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［3］ Comer Douglas E．Internet Working with TCP/IP Vol I:Principles，Protocols，and Architectures Fourth Edition［M］．Publishing House of Electronics Industry，1998．

［4］ 季寶杰．監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)UDP協(xié)議的應(yīng)用［J］．微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004(2):226，240．

［5］ 卜建國(guó)．基于OBD技術(shù)的輕型柴油車DPF系統(tǒng)診斷策略的研究［J］．汽車工程，2011，33(3):203－206．