車(chē)輛燃油消耗量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張永棟，郭海龍，曹華（.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 50640；.廣東省電子信息技工學(xué)校，廣東 廣州 50450）

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車(chē)輛燃油消耗量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張永棟1，郭海龍1，曹華2
（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東省電子信息技工學(xué)校，廣東 廣州 510450）

摘要：實(shí)施對(duì)營(yíng)運(yùn)車(chē)輛油耗量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以反映車(chē)輛技術(shù)狀況以及駕駛行為的變動(dòng)情況，為及時(shí)改善車(chē)輛技術(shù)狀態(tài)及糾正駕駛員的不良駕駛行為提供科學(xué)依據(jù)。間接測(cè)量燃油消耗量是通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)其他的數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)其與油耗的換算關(guān)系來(lái)間接獲得的一類(lèi)方法，間接測(cè)量法具有不需要改變供油管路、安裝測(cè)量方便的特點(diǎn)。文章即依托車(chē)輛OBD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛油耗的間接檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：OBD；單片機(jī)；油耗檢測(cè)；進(jìn)氣量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-98-03

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，全國(guó)汽車(chē)工業(yè)呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。截止到2014 年汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò) 2300萬(wàn)輛[1]，創(chuàng)全球歷史新高，全國(guó)汽車(chē)保用量超過(guò)1.5億輛。汽車(chē)保有量的增長(zhǎng)特別是私人轎車(chē)保有量的高速增長(zhǎng)帶來(lái)了巨大的能源和環(huán)境壓力。汽車(chē)排放污染已經(jīng)成為城市大氣污染的重要來(lái)源，2014年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物4547.3萬(wàn)噸，比2013年削減0.5％，其中氮氧化物（NOx）627.8萬(wàn)噸，顆粒物（PM）57.4萬(wàn)噸，碳?xì)浠衔铮℉C）428.4萬(wàn)噸，一氧化碳（CO）3433.7萬(wàn)噸[2]。因此，努力降低汽車(chē)燃油消耗和尾氣排放是我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)輸車(chē)輛燃油消耗量與車(chē)輛技術(shù)狀態(tài)及駕駛員的駕駛習(xí)慣密切相關(guān)。不良的駕駛習(xí)慣及車(chē)輛技術(shù)的惡化已導(dǎo)致油耗的激增。因此，實(shí)施對(duì)營(yíng)運(yùn)車(chē)輛油耗量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以反映車(chē)輛技術(shù)狀況以及駕駛行為的變動(dòng)情況，為建立交通運(yùn)輸行業(yè)能源消費(fèi)的統(tǒng)計(jì)、監(jiān)測(cè)與考核體系，為及時(shí)改善車(chē)輛技術(shù)狀態(tài)及糾正駕駛員的不良駕駛行為提供科學(xué)依據(jù)。

1、理論分析

一般測(cè)量汽車(chē)燃油消耗方法主要分為兩大類(lèi)：一是直接測(cè)量法，是指通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給管路中加裝專(zhuān)流量測(cè)量?jī)x器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛油耗的測(cè)量，如容積法、重量法和流量計(jì)法；間接測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)其他的數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)其與油耗的換算關(guān)系來(lái)間接獲得的一類(lèi)方法，如碳平衡法、電噴測(cè)量法。其中間接測(cè)量法具有不需要改變供油管路、安裝測(cè)量方便的特點(diǎn)。本文即依托車(chē)輛OBD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛油耗的間接檢測(cè)。

OBD(on-board diagno stics)是車(chē)載診斷系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)。起初是為了檢測(cè)車(chē)輛氧傳感器等排氣系統(tǒng)相關(guān)零部件在使用中的情況, 能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障而導(dǎo)入車(chē)輛的[3]。當(dāng)了現(xiàn)代，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，OBD的功能日趨完善，能夠?qū)?chē)輛實(shí)際使用過(guò)程中的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,為間接計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量提高依據(jù)。

圖1　電控發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

根據(jù)電控發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基本原理（如圖1）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)噴油量=循環(huán)進(jìn)氣量×空燃比，其中空燃比由OBD采集空燃比傳感器（氧傳感器）獲得，每循環(huán)進(jìn)氣量可按下式計(jì)算[4]：

Hendricks 對(duì)充量系數(shù)進(jìn)行了研究與推導(dǎo)，得出：

其中，?T為進(jìn)氣沖程中進(jìn)氣溫度的變化量；k為絕熱指數(shù)， k=1.4；r為壓縮比；TO為進(jìn)排氣門(mén)迭開(kāi)時(shí)的缸內(nèi)氣體平均溫度，k；mo為進(jìn)排氣門(mén)迭開(kāi)時(shí)的氣體質(zhì)量損失，Kg；ρm為進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體的密度，Kg/m3；pe為排氣管的背壓，bar。

上式中系數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，Hendricks 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，去除了轉(zhuǎn)速對(duì)充量系數(shù)的影響，使得模型大為簡(jiǎn)化：

其中，學(xué)者嚴(yán)明給出的系數(shù)si、yi分別約為：0.952、0.0793。

最終，循環(huán)噴油量公式為：

公式中pm、n等參數(shù)由OBD系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)輛燃油消耗量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要有三個(gè)部分組成：車(chē)輛油耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。以PIC18F25K80為核心完成OBD通訊，在其周?chē)渲肎SM鏈接到服務(wù)器，配置相應(yīng)的存儲(chǔ)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采集數(shù)據(jù)包括了括進(jìn)氣歧管壓力、車(chē)速、空燃比等參數(shù)。其具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

第一是先完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。主要有OBD數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，平臺(tái)接收車(chē)輛數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算車(chē)速瞬時(shí)油耗，當(dāng)油耗出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，提醒車(chē)主及時(shí)維修或改善駕駛習(xí)慣。第二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板，此開(kāi)發(fā)板核心板塊為PIC18F25K80，并有標(biāo)準(zhǔn)OBD接口、存儲(chǔ)器、蜂鳴器等接口。PIC18F25K80通過(guò)OBD協(xié)議實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通訊，并將采集的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)，圖3所示。第三是解決狀態(tài)信息傳送。信息傳輸時(shí)采用基于GMS的GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸，GSM即全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)Global System of Mobile communicanon的簡(jiǎn)稱(chēng)，它采用全數(shù)字的信令和語(yǔ)音信道，是目前基于分時(shí)多址技術(shù)的移動(dòng)通信體制中最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的系統(tǒng)[5]。

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板

3、電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總電源采用車(chē)輛OBD診斷端口的第16號(hào)引腳進(jìn)行12V輸入，經(jīng)過(guò)LM7805降壓至5V，滿(mǎn)足單片機(jī)需求。繼續(xù)使用二極管降壓至4.3V供給GSM和其他設(shè)備使用，電源電路如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)電源電路

4、GSM通訊部分設(shè)計(jì)

GSM模塊選用Siemens 的TC35作為通訊模塊，單片機(jī)發(fā)送AT 命令至TC35，同時(shí)TC35可以返回?cái)?shù)據(jù)至單片機(jī)，所以GSM 模塊通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行對(duì)連。將點(diǎn)火引腳直接接地，在一上電的時(shí)候模塊便可以進(jìn)入工作， 另外電源引腳和接地引腳都分別需要并聯(lián)在一起。

5、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使汽車(chē)的故障診斷和檢測(cè)維修更加方便，SAE及ISO組織為OBDⅡ制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6]，通常OBDII或EOBD裝備的汽車(chē)都必須有：標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)診斷接口(SAE-J1962)，標(biāo)準(zhǔn)化的解碼器(SAE-J1978)、標(biāo)準(zhǔn)化的電子通訊協(xié)議(ISO 14230、CANBUS、J1850 PWM、ISO9141等)、標(biāo)準(zhǔn)化的診斷故障碼（DTC，SAE-J2012）、標(biāo)準(zhǔn)化的維修服務(wù)情報(bào)(SAEJ2000)等。為了兼容各種車(chē)型的OBD 系統(tǒng), 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須必須支持以上所有協(xié)議。

控制單元采用PIC系列單片機(jī)，PIC系列單片機(jī)由美國(guó)Microchip（微星）公司推出的產(chǎn)品，采用了RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，具有高速度、低電壓、低功耗、低價(jià)位等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。單片機(jī)通過(guò)I/O口與發(fā)動(dòng)機(jī)通訊，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后經(jīng)GSM發(fā)送到服務(wù)器，單片機(jī)電路如圖6所示。

圖6　單片機(jī)電路

6、結(jié)論

本文在高性能單片機(jī)的基礎(chǔ)上，依托GSM公眾網(wǎng)，利用GSM無(wú)線(xiàn)通信對(duì)車(chē)輛燃油消耗量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)有效判斷車(chē)輛技術(shù)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)相關(guān)車(chē)輛故障，糾正駕駛員存有的不好駕駛習(xí)慣，降低車(chē)輛油耗起到積極作用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]http://news.xinhuanet.com/auto/2015-01/12/c_127379594.htm.

[2]環(huán)保部.2015年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào).

[3]王建海,方茂東等.汽油車(chē)車(chē)載診斷系統(tǒng)(OBD)基本原理及其應(yīng)用[J].汽車(chē)工程,2006,5.

[4]郭海龍.基于行駛狀況識(shí)別的混聯(lián)式HEV多模式能量控制策略研究[D].廣東:華南理工大學(xué),2013.

[5]http://baike.baidu.com/view/116812.htm?fr=aladdin&fromtitle=gsm &fromid=210860&type=syn.

[6]溫福軍,肖心遠(yuǎn).基于Zigbee 技術(shù)的車(chē)輛監(jiān)控信息的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)研究[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2015,3.

Design of Real-time Monitoring System of Vehicle Fuel Consumption

Zhang Yongdong1, Guo Hailong1, Cao Hua2
（1.Guang Dong Communication Polytechnic, Guangdong Guang Zhou 510650; 2.Guang Dong Technical School of Electronic Information, Guangdong Guangzhou 510450）

Abstract:The implementation of the operation of real-time monitoring of vehicle fuel consumption, may reflect changes in the situation and the technical condition of vehicles driving behavior, provide a scientific basis for the timely improvement of the technical state of the vehicle and correct bad driving behavior of the driver. Indirect measurement of fuel consumption by measuring other engine data parameters through a class method in terms of its relationship with the fuel consumption indirectly acquired an indirect measurement method has no need to change the oil pipeline, installation and measurement of convenient features. This paper relies on the vehicle OBD system, indirect detection of vehicle fuel consumption.

Keywords:OBD; Microcontroller; Fuel detected; Intake air

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-98-03

作者簡(jiǎn)介：張永棟，講師，就職于廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：車(chē)輛節(jié)能減排。項(xiàng)目來(lái)源：2014年廣東省交通廳科技項(xiàng)目（節(jié)能-2014-06-002）；廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目“車(chē)輛燃油消耗量遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)”。