電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

李亞倫，徐 健，柳 偉，楊世春

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)*

李亞倫1，徐 健1，柳 偉2，楊世春1

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2.上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

針對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集和無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了車輛運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)上傳與存儲(chǔ)。車載控制器完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，服務(wù)器按照模型對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與處理，客戶端為用戶提供監(jiān)控和命令視圖，實(shí)現(xiàn)車輛的監(jiān)控功能。服務(wù)器通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理獲取車輛服務(wù)信息并發(fā)送給車載終端控制器，實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程服務(wù)功能。該系統(tǒng)在長(zhǎng)城A0級(jí)小型城市純電動(dòng)轎車試驗(yàn)樣車上測(cè)試，具有良好的實(shí)用性及穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；遠(yuǎn)程服務(wù)；車載控制器；服務(wù)器；客戶端

0 引言

電動(dòng)汽車作為一種以清潔能源為動(dòng)力的汽車，正處于產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期[1]。實(shí)時(shí)、充分掌握電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件的運(yùn)行參數(shù)和故障狀態(tài)成為其示范運(yùn)行和推廣過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，這些數(shù)據(jù)為政府、汽車廠商以及用戶對(duì)電動(dòng)汽車的評(píng)價(jià)與維護(hù)提供了重要依據(jù)。

近年來(lái)，針對(duì)電動(dòng)汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)被大量研究。天津大學(xué)開(kāi)展了基于GPRS和Internet的電動(dòng)汽車示范運(yùn)行無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究，提出了示范運(yùn)行過(guò)程中遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一種解決方案[2]。吉林大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)則針對(duì)多輛電動(dòng)汽車規(guī)模示范運(yùn)行過(guò)程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中取得了良好的效果[3，4]。

本文對(duì)電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述和優(yōu)化設(shè)計(jì)。一方面提出了電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行技術(shù)方案；另一方面，基于對(duì)車輛運(yùn)行參數(shù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)了面向駕駛員的遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由安裝在電動(dòng)汽車上的遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端、運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器以及運(yùn)行在個(gè)人PC上的遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端三部分組成。圖1表示了本系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的位置、速度、動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)等信息的采集，并將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心對(duì)車載終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端和客戶端對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，為用戶和駕駛員提供信息查詢和顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端與數(shù)據(jù)中心之間、車載終端和客戶端之間均應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能并確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)通信與傳輸

為確保信息的快速獲取和高效傳輸，討論和制定了數(shù)據(jù)采集、傳輸使用的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，最終確定采用基于CAN網(wǎng)絡(luò)和CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)采集機(jī)制，以及基于WCDMA網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

CAN是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠性和高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，在汽車通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用[5]。通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)獲取電動(dòng)汽車的運(yùn)行參數(shù)和故障信息，能保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。在電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用了CAN通信的方式采集車輛的運(yùn)行信息。

現(xiàn)行的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要包括WiFi網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)。WiFi由于其傳輸距離短、覆蓋率不高，在車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中并不適用。3G網(wǎng)絡(luò)是新一代的蜂窩通信技術(shù)，其通信速率高于 GPRS，且覆蓋率高，更適用于遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[6]。本系統(tǒng)采用 3G網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。

1.3 車載終端設(shè)計(jì)

車載終端需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、發(fā)送和面向車輛的服務(wù)信息獲取。通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)和GPS模塊采集電動(dòng)汽車運(yùn)行信息上傳至服務(wù)器，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取輔助駕駛信息，如車輛剩余里程、剩余電量等。另一方面，車載終端還需要實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)中心的設(shè)置功能。通過(guò)接收來(lái)自服務(wù)器的指令，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器對(duì)車載終端的控制，從而改變車載終端的運(yùn)行狀態(tài)，如改變數(shù)據(jù)上傳的速率、發(fā)出故障狀態(tài)提醒等。

根據(jù)車載終端的功能需求，設(shè)計(jì)出車載終端基本架構(gòu)如圖2所示。在本系統(tǒng)中，選擇Infineon XC2000系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，該芯片具有高速處理性能以及豐富的硬件接口和軟件功能，成本較低，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[7]。選擇SIMCOM SIM5320E作為系統(tǒng)通信芯片，該芯片嵌入有 TCP/IP協(xié)議[8]，節(jié)省了微處理器的時(shí)間和空間資源[9]。SIM5320E通過(guò)天線與服務(wù)器進(jìn)行通信，通過(guò)GPS模塊獲取位置信息。CAN模塊用于讀取車輛狀態(tài)，F(xiàn)lash模塊用于存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)。通過(guò)各模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車載終端的功能。

圖2 車載終端基本架構(gòu)圖

1.4 服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)器的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)當(dāng)達(dá)到安全性、可靠性、可定制性、可拓展性、可維護(hù)性[10]。選擇 Linux+Apache+PHP+ MySQL作為服務(wù)器系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。服務(wù)器在整個(gè)系統(tǒng)中起到中轉(zhuǎn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的作用，服務(wù)器接收車載終端和客戶端軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。服務(wù)器軟件應(yīng)該具備3個(gè)功能模塊：存儲(chǔ)模塊、解碼模塊和數(shù)據(jù)接口模塊。

存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3。其中存儲(chǔ)引擎負(fù)責(zé)調(diào)度程序中各模塊的運(yùn)行，變量信息采集器負(fù)責(zé)將服務(wù)器獲取的信息存儲(chǔ)于變量隊(duì)列中，存儲(chǔ)配置文件負(fù)責(zé)配置項(xiàng)目的工程信息。解碼模塊將數(shù)據(jù)包按照遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議解析成實(shí)際物理量。數(shù)據(jù)接口模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口接收各種數(shù)據(jù)源包，通過(guò)組合、拆解的方式組成待解碼數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)接口采用配置文件導(dǎo)入系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。

圖3 服務(wù)器存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

在系統(tǒng)已有架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，為用戶提供了電動(dòng)汽車參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、故障信息預(yù)警和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的監(jiān)控。

服務(wù)器和客戶端之間的架構(gòu)方式主要有B/S架構(gòu)和 C/S架構(gòu)[11]。本系統(tǒng)為典型的 B/S架構(gòu)的系統(tǒng)，客戶端直接向服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)顯示給用戶。但在本系統(tǒng)的車輛定位功能中，需要實(shí)現(xiàn)地圖信息系統(tǒng)。如果使用B/S結(jié)構(gòu)的地圖信息系統(tǒng)，用戶需要使用專門(mén)的商業(yè)軟件進(jìn)行交互，價(jià)格昂貴。隨著到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可以使用 Google Maps、百度地圖等實(shí)現(xiàn) WebGIS，將系統(tǒng)成本大大降低。因而地理信息系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)。運(yùn)行參數(shù)顯示功能使用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，地圖功能使用C/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)為C/S、B/S的混合結(jié)構(gòu)。

圖4所示為遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端定位界面。本系統(tǒng)客戶端軟件開(kāi)發(fā)采用了基于 Eclipse RCP的架構(gòu)，底層使用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[12]。RCP是基于 Eclipse的插件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行機(jī)制，其提供的界面控件實(shí)現(xiàn)了本監(jiān)控系統(tǒng)的界面應(yīng)用。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端實(shí)現(xiàn)了車輛的管理功能、實(shí)時(shí)信息的查看功能、車輛定位功能、軌跡回放功能、分析圖表功能、設(shè)置菜單功能、文件功能等。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端定位界面

3 電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)至服務(wù)器中。通過(guò)面向?qū)ο蠛湍Ｐ偷臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)，提取表征電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，可以獲取更多的電動(dòng)汽車運(yùn)行信息。在本系統(tǒng)中，通過(guò)電動(dòng)汽車的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前運(yùn)行狀況，提取出當(dāng)前電量下電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，并將該信息發(fā)送至車載終端，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的遠(yuǎn)程服務(wù)。

位置模型存儲(chǔ)車輛所在位置的精度、緯度、海拔等信息，得到車輛路況的特征參數(shù)。電池模型存儲(chǔ)了電池的電壓、電流、容量、SOC等信息，得到車輛的剩余電量信息。電機(jī)模型存儲(chǔ)了電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息，得到動(dòng)力電機(jī)能量消耗的特征參數(shù)。車輛模型存儲(chǔ)了車速、踏板位置、附件（空調(diào)等）運(yùn)行狀況，得到車輛運(yùn)行狀況參數(shù)。

電池模型的特征參數(shù)與電池存儲(chǔ)電能正相關(guān)，而其他各模型的特征參數(shù)與車輛單位里程能量消耗率負(fù)相關(guān)。以 e1，e2…en表征各模型參數(shù)，電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程y通過(guò)式(1)線性擬合得出：

式中函數(shù)f為各特征參數(shù)與續(xù)駛里程之間的擬合函數(shù)。隨著電動(dòng)汽車行駛里程的增加，數(shù)據(jù)樣本量增大，擬合函數(shù)的精確性得到提升，從而使遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)能夠估計(jì)當(dāng)前狀況下汽車的剩余續(xù)駛里程。

4 功能測(cè)試與試驗(yàn)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)功能，該遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)被安裝在長(zhǎng)城A0級(jí)小型城市純電動(dòng)轎車試驗(yàn)樣車上，分別對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)試。

用戶通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端界面獲取車輛的位置和各部件運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端運(yùn)行界面

為測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際車速和系統(tǒng)采集車速信息進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。在60 min的采集時(shí)間內(nèi)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)保持一致，僅在10 min時(shí)刻，由于 GPS信號(hào)較弱產(chǎn)生了數(shù)據(jù)偏差，數(shù)據(jù)偏差在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)準(zhǔn)確性滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需求。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)車速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)比圖

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性對(duì)比圖

為測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，對(duì)單輛和多輛電動(dòng)汽車的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，延時(shí)時(shí)間隨測(cè)試時(shí)間變化規(guī)律如圖7。增加車輛數(shù)目并未使系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間增長(zhǎng)，系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間小于 2 s，符合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)合理設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛運(yùn)行軌跡、運(yùn)行參數(shù)、故障信息的查詢與監(jiān)測(cè)。通過(guò)基于模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車的遠(yuǎn)程服務(wù)。在測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控和服務(wù)功能。

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Development of remote monitoring and serving system for electric vehicle

Li Yalun1，Xu Jian1，Liu Wei2，Yang Shichun1
(1.School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Shanghai Volkswagen Co.Ltd，Shanghai 201805，China)

The remote monitoring and serving system is designed for electric vehicle.The system realizes the uploading and storage of the vehicle real-time operating data,which based on data collection and remote wireless data transmission.The vehicle-mounted controller collects and sends data,the server stores,analyzes,deals with the data,while the client provides a vision for the user.As a result,the vehicle′s monitoring function is realized.Through the data analyzing,the server acquires the vehicle serving information，and sends the information to the vehicle-mounted controller.Thus,the remote serving function is realized.The system was tested on a A0-level urban car produced by Great Wall company,and performed well with practicability and stability.

remote monitoring；remote serving；vehicle-mounted controller；server；client

U461.8

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.008

李亞倫，徐健，柳偉，等.電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：34-36，40.

英文引用格式：Li Yalun，Xu Jian，Liu Wei，et al.Development of remote monitoring and serving system for electric vehicle[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：34-36，40.

2016-06-21）

李亞倫（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控。

徐?。?992-），女，碩士研究生，主要研究方向：電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控。

柳偉（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2012AA111202）