智能化車輛管理綜合信息平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付薛潔 牛禎 劉濤 孟文霞

摘 要：介紹車輛管理系統(tǒng)的需求現(xiàn)狀，闡述該系統(tǒng)的基本框架、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和主要功能，在掌握該領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)，設(shè)計(jì)出智能化車輛綜合信息系統(tǒng)的硬件和軟件，基本上實(shí)現(xiàn)汽車行駛工況的采集和記錄、全球衛(wèi)星定位和導(dǎo)航（GPS）及不停車收費(fèi)系統(tǒng)（非接觸式IC卡）等功能。該系統(tǒng)也將設(shè)計(jì)CAN總線接口。

【關(guān)鍵詞】車輛管理 單片機(jī)和嵌入式技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會發(fā)展，當(dāng)前的汽車產(chǎn)品已經(jīng)由傳統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)輸裝置演變成機(jī)電液結(jié)合的高科技產(chǎn)品，越來越多的電子產(chǎn)品出現(xiàn)在汽車上，汽車行駛記錄儀、汽車智能防盜系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、高速路不停車收費(fèi)系統(tǒng)等近幾年出現(xiàn)的一些車用電子設(shè)備，對于提高交通運(yùn)輸效率和安全性具有很大幫助。但國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)尚處于起步階段，仍然存在許多問題，如：系統(tǒng)組成復(fù)雜、操作不便、專利權(quán)集中、價格較貴等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會的需要。本文介紹的智能化車輛綜合信息系統(tǒng)作為車輛用基礎(chǔ)終端，是ITS智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。它是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通訊等技術(shù)，是智能化車輛管理綜合信息平臺當(dāng)中的高科技產(chǎn)品。而且可以大膽預(yù)測此系統(tǒng)會為我國城市信息化的發(fā)展提供力量。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 汽車行駛工況參數(shù)的采集和記錄

行駛工況指的是一段車速變化歷程，它的主要參數(shù)，如平均車速、怠速行駛時間等應(yīng)和所在地區(qū)的實(shí)際交通狀況一致或盡量接近，要獲得行駛工況，首先必須有大量實(shí)測的車速變化數(shù)據(jù)，然后按一定的標(biāo)準(zhǔn)，用數(shù)學(xué)方法從這些原始數(shù)據(jù)中提煉出有代表性的行駛工況[2]。汽車行駛工況參數(shù)的采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由5部分組成：測試用車、DFL-1/2油耗傳感器、MicroStar速度傳感器、Microgas尾氣分析儀和筆記本電腦。

在分析車速的數(shù)據(jù)時，要用到以下幾個概念：怠速模式，加速模式，減速模式，勻速模式。我們要得到行駛周期，而且要求是完全正確的，必須繪制速度時間的變化曲線，在此曲線上，得到一段區(qū)間，該區(qū)間以怠速模式為起點(diǎn)，以怠速模式為終點(diǎn)。從而采集得到關(guān)于秒秒速度數(shù)據(jù)，最后我們匯總這些數(shù)據(jù)。比如，在總體數(shù)據(jù)中，我們選擇不同的行駛周期，然后組成一個數(shù)據(jù)段，可以是900～1100s的數(shù)據(jù)段，最后組成備選工況。特征參數(shù)值是通過一個電腦程序叫Matlab，計(jì)算得出總體和備選數(shù)據(jù)段的，備選工況有11個準(zhǔn)則數(shù)數(shù)值，只有當(dāng)這些數(shù)值與總體的數(shù)值吻合在誤差范圍內(nèi)，才能認(rèn)為該備選工況采集正確，最后記錄在案。

2.2 汽車智能防盜技術(shù)

首先研究一下汽車智能防盜技術(shù)電源設(shè)計(jì)，由于汽車目前采用12V， 24V電源系統(tǒng)，汽車智能防盜系統(tǒng)的額定電壓為5V，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的轉(zhuǎn)換，我們必須應(yīng)用二次降壓的辦法。因?yàn)橄到y(tǒng)具有兼容性，還有可擴(kuò)充性，我們可以采用集成電源管理芯片LM2576/LM2576HV進(jìn)行第一次降壓，然后進(jìn)行第二次降壓。

防盜系統(tǒng)的監(jiān)測模塊由壓電陶瓷器、霍爾器件組成，用于汽車防盜信息的采集以及數(shù)據(jù)的初步融合處理。芯片TR1300 和TR1315屬于某種編解碼芯片，這種芯片的編碼器每次都會發(fā)出不同的發(fā)出碼， 要準(zhǔn)確解出收到的密碼，必須使用配對的解碼器，其他的解碼器都不行。

2.3 全球衛(wèi)星定位和導(dǎo)航（GPS）技術(shù)

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機(jī)，GPS系統(tǒng)通過使用來自多個衛(wèi)星的信號來確定地面或近地面任何位置的移動接收機(jī)的位置。關(guān)于我國發(fā)射的衛(wèi)星是如何運(yùn)行的，可以用GPS技術(shù)得到，首先接收全球定位系統(tǒng)的信號，然后通過處理，在整個時間內(nèi)測試，翻譯導(dǎo)航電文。數(shù)據(jù)參數(shù)通過衛(wèi)星發(fā)送給接收機(jī)，一般都是24h不間斷的，可以用計(jì)算機(jī)得出定位車輛的所有位置和物理信息。

在車輛中安裝GPS接收機(jī)，可以定位車輛的位置，車輛位置的精確度非常高，車速可以精確到1千米每小時，運(yùn)行方向和時間信息比定位車輛位置的精度還要高。車輛的當(dāng)前位置可以經(jīng)過處理衛(wèi)星發(fā)送的信息來獲得，信號的輸出需要位置、速度和時間這三項(xiàng)內(nèi)容，而通信控制器很容易從接收端獲得，通信控制器還可以整合車輛信息與車輛信息，使我們得到數(shù)據(jù)報(bào)告，并自動經(jīng)無線通道抵達(dá)控制中心。最后我們從所提取的位置信息當(dāng)中，根據(jù)車輛的車牌號和號碼，監(jiān)控中心的電子地圖顯示。

2.4 不停車收費(fèi)系統(tǒng)（非接觸式IC卡）

不停車收費(fèi)系統(tǒng)的進(jìn)本組成單位有單片機(jī)、鍵盤處理電路、顯示器電路、存儲器電路、讀卡器和時鐘電路。這些可以通過RS232接口與中心管理計(jì)算機(jī)相連接。

該系統(tǒng)利用非接觸式IC卡，記錄車輛進(jìn)入和外出時的時間，兩者相減即為所求的時間差，從而能夠得出停車費(fèi)用，費(fèi)用計(jì)算公式：（T-t）×S=P。其中T是外出時間，t是進(jìn)入時間，S是價格，P是應(yīng)收費(fèi)用。

在入口處，對于持卡的車輛，需將卡插入讀寫機(jī)，確認(rèn)有效后，才允許進(jìn)入，并且記錄進(jìn)入時的時間。

在出口處，持卡的車輛，將卡插入讀寫器，出口管理處同樣啟動計(jì)價程序，同時在顯示屏上給予顯示本次停車的時間，停車的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，以及本次應(yīng)繳納的費(fèi)用，系統(tǒng)自動扣減停車費(fèi)用，并予以放行。

2.5 CAN總線技術(shù)

局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Control Area Network）總線是能夠有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高通信可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、通信靈活、實(shí)時性高、較強(qiáng)的抗干擾性以及良好的錯誤檢測能力，近年來備受關(guān)注。

CAN總線技術(shù)被公認(rèn)為現(xiàn)代B級、C級轎車的標(biāo)志之一，是高技術(shù)含量的代表之一，裝備該項(xiàng)技術(shù)的車型如一汽大眾的速騰、邁騰和奧迪A6，大眾的輝騰等。在B、C級車型中，帶CAN總線功能的車型占有很大比例，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。深入研究 CAN總線技術(shù)，如何獲取CAN總線技術(shù)以及在汽車設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)對措施，是擺在汽車設(shè)計(jì)公司和汽車生產(chǎn)廠商面前必須解決的實(shí)際問題，是無法回避的汽車計(jì)算機(jī)控制技術(shù)問題。

3 智能化車輛綜合信息系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)中文件及文件夾構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。

為了滿足讀者在閱讀系統(tǒng)文件時，能清晰的認(rèn)識系統(tǒng)文件，我們還設(shè)計(jì)了文件的架構(gòu)圖。圖2即為主文件架構(gòu)。

4 智能化車輛綜合信息系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 代碼設(shè)計(jì)

程序啟動后，系統(tǒng)登錄界面，輸入和驗(yàn)證操作人員的密碼之后，程序?qū)⑦M(jìn)入主界面。在程序的主界面上，我們可以執(zhí)行相應(yīng)的權(quán)限操作，而且我們發(fā)現(xiàn)通過主界面的菜單，我們可以調(diào)用相應(yīng)的程序，然后進(jìn)行其他的操作。主程序界面的運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)完成之后，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的工作，在電腦上通過Microsoft SQL server 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，最后的步驟是調(diào)試，調(diào)試成功之后完成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。如圖4所示。

5 結(jié)束語

通過本課題的研究，設(shè)計(jì)出基于汽車CAN總線技術(shù)，集汽車行駛工況的采集和記錄、全球衛(wèi)星定位和導(dǎo)航（GPS）、不停車收費(fèi)系統(tǒng)（非接觸式IC卡）、汽車智能防盜、駕駛員呼吸酒精檢測等功能為一體的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能化車輛綜合信息系統(tǒng)。模塊化的設(shè)計(jì)可以靈活配置和升級，以滿足用戶的不同需求。

參考文獻(xiàn)

[1]包佳佳.汽車智能防盜器的研究[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2014（08）.

[2]姚志良.成都市實(shí)際道路汽車行駛工況的研究[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（04）.

作者簡介

付薛潔（1983-），女，山東省龍口市人。北京科技大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程學(xué)院，車輛工程專業(yè)2006級博士?，F(xiàn)為煙臺南山學(xué)院機(jī)械系副教授。主要研究方向?yàn)檐囕v工程。

作者單位

煙臺南山學(xué)院工學(xué)院 山東省煙臺市 265713