基于車聯(lián)網(wǎng)的車載智能安全系統(tǒng)

安曉峰

（江蘇卡威汽車工業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇丹陽212323）

基于車聯(lián)網(wǎng)的車載智能安全系統(tǒng)

安曉峰

（江蘇卡威汽車工業(yè)集團(tuán)有限公司，江蘇丹陽212323）

實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)在電動汽車上的應(yīng)用，通過CAN總線采集車輛行駛數(shù)據(jù)和故障代碼，應(yīng)用壓縮、分析和存儲技術(shù)處理數(shù)據(jù)信息，把數(shù)據(jù)分類后通過4G模塊發(fā)送至云存儲。APP應(yīng)用軟件接收系統(tǒng)發(fā)送的GPS位置信息，實(shí)時顯示電動汽車的具體位置，并且可以通過訪問服務(wù)器，了解車輛狀況和儲能變化。

車聯(lián)網(wǎng)；智能安全系統(tǒng)；APP應(yīng)用軟件；云存儲

近幾年，由于國家大力推廣新能源汽車，我國的電動汽車正處在快速發(fā)展階段。在電動汽車增長的同時，超高數(shù)據(jù)傳輸速度的4G網(wǎng)絡(luò)已普及全國，終端APP應(yīng)用軟件也被眾多智能手機(jī)應(yīng)用。正是基于4G網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)智能化應(yīng)用的推廣，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也成了汽車行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。車聯(lián)網(wǎng)是指裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻等識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺上對所有車輛的屬性信息和靜、動態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)的系統(tǒng)[1]。車聯(lián)網(wǎng)在電動汽車上的廣泛應(yīng)用，有利于電動汽車智能化和安全化的建設(shè)。車載智能安全系統(tǒng)通過GPS定位監(jiān)控車輛位置和行駛路徑，并通過手機(jī)終端APP實(shí)時接收和查看車輛行駛數(shù)據(jù)和故障情況，從而保證車輛行駛的安全性和實(shí)現(xiàn)人與汽車的實(shí)時互動。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

車載智能安全系統(tǒng)是車聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，如圖1所示。它利用主芯片模塊，通過CAN總線采集和接收發(fā)動機(jī)、儀表、電機(jī)和電池等主要部件數(shù)據(jù)信息和故障代碼；應(yīng)用導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)電動汽車的全程定位和實(shí)時追蹤；通過4G通訊模塊把壓縮后的數(shù)據(jù)定時地傳送至服務(wù)器保存，并且可以通過4G網(wǎng)絡(luò)使用手機(jī)終端APP應(yīng)用軟件訪問服務(wù)器，實(shí)時監(jiān)控汽車行駛狀態(tài)和數(shù)據(jù)，保證汽車行駛的安全性，實(shí)現(xiàn)車與人的實(shí)時互動。

圖1 車載智能安全系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 主芯片模塊

本系統(tǒng)采用Freescale公司的9S12系列單片機(jī)作為主芯片模塊。以MC9S12XEP單片機(jī)為例，16位CPU，外部晶振頻率最高可達(dá)40 Hz，64 KROM，1 024 K Flash和4 K EEPROM，8通道SCI，3通道SPI，2通道IIC，5路CAN總線通道，32通道12位A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，8通道PWM脈沖信號，若干IO通用口等。

主芯片具有5路CAN總線，可合理分配CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)多方位采集CAN總線數(shù)據(jù)，防止單路CAN總線數(shù)據(jù)過多而造成的數(shù)據(jù)堵塞。對于傳統(tǒng)動力系統(tǒng)，通過CAN1總線接收發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)和故障，并且與儀表通訊。當(dāng)系統(tǒng)檢測到故障時，發(fā)送故障信息給儀表，通過儀表顯示和報(bào)警，提醒駕駛員注意安全。對于電動能源動力系統(tǒng)，通過CAN2總線接收電機(jī)行駛數(shù)據(jù)、電池能量狀態(tài)和采集故障代碼。

1.2 4G通訊模塊

4G通訊模塊采用華為公司的ME909s-821 LTE Mi niPCIe模塊[2]。模塊尺寸大小為51 mm×30.4 mm×3.57 mm，電源工作電壓3.2～4.2 V，支持頻段為FDD LTE：Band1，Band3，Band8及分集的所有頻段；TDD LTE：Band38，Band39，Band40，Band41及分集的所有頻段；DC -HSPA+/HSPA+/HSPA/WCDMA：Band1，Band5，Band8，Band9及分集的所有頻段；TD-SCDMA：Band34，Band39；GSM/GPRS/EDGE：1 800 MHz/900 MHz，主要適用于中國移動/聯(lián)通的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)和中國電信的4G網(wǎng)絡(luò)。該模塊速率最大在LTE FDD模式，支持UL 50 Mbit/s、DL150 Mbit/s、@20MBWcat4。

如圖2所示，主芯片在WAKE管腳持續(xù)1 s輸出低電平后拉高，模塊被喚醒。此模塊通過LED_WWAN管腳輸出低電平來指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，可通過調(diào)整電阻R的阻值來改變LED燈的亮度。此模塊提供一路異步UART（4線全串口）通訊接口，主芯片可以通過該串口與之通訊。串口四線代表如下：UART_CTS，UART發(fā)送清除；UART_RTS，發(fā)送UART請求；UART_RX，UART接收數(shù)據(jù)輸入；UART_TX，UART發(fā)送輸出。

1.3 導(dǎo)航模塊

本系統(tǒng)采用SIRF公司的第三代GPS芯片SirfStar3作為導(dǎo)航芯片。該芯片擁有20個接收信道，設(shè)計(jì)接收靈敏度-159db，有效地保證了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性，能夠精確地定位汽車行駛的位置。多層線路板的其中一面使用了全鍍金的生產(chǎn)工藝，保證抗干擾和高靈敏度。熱啟動時間低至1 s，更新速度每0.1 s一次，保證該芯片接收的完整性。

如圖3所示，天線負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號，GPS接收機(jī)從中提取衛(wèi)星星歷、經(jīng)度、緯度等信息。主芯片通過SPI讀取這些數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定位置信息。主芯片提取SD卡內(nèi)電子地圖數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的地圖，并把具體位置在地圖上標(biāo)注[3-4]。主芯片實(shí)時地把這些位置信息通過4G網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送到手機(jī)終端APP應(yīng)用軟件上，APP應(yīng)用軟件接收到位置信息后，用戶能夠?qū)崟r觀察到電動汽車行駛的具體位置。

圖3 GPS導(dǎo)航模塊基本原理

1.4 Flash存儲模塊

K9F1208 Flash模塊總共有4 096 blocks，每個block包含32 pages，每個page包含512 bytes，芯片容量為64 M。它以頁為單位進(jìn)行讀寫，以block為單位進(jìn)行擦除。它的每一位只能從1變?yōu)?，而不能從0變?yōu)?，所以對其進(jìn)行寫操作之前一定要將相應(yīng)塊擦除（擦除即是將相應(yīng)塊的位全部變?yōu)?）。

本系統(tǒng)主要采集CAN總線數(shù)據(jù)，包括整車行駛狀態(tài)和整車故障代碼。根據(jù)汽車CAN總線協(xié)議[5]和實(shí)際設(shè)計(jì)的CAN總線數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)量，最多可用10個CAN數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位來囊括這些數(shù)據(jù)，每個CAN數(shù)據(jù)幀包含數(shù)據(jù)8 bytes，所以在每個周期內(nèi)可以存儲80 bytes數(shù)據(jù)。假定CAN數(shù)據(jù)幀周期為100 ms，1 s則可以存儲800 bytes數(shù)據(jù)，而一天為86 400 s，所以一天可以存儲大致66 M數(shù)據(jù)，因此可以保證汽車行駛24 h的數(shù)據(jù)存儲在該Flash模塊內(nèi)。

1.5 電源模塊

本系統(tǒng)采用雙路電源供電模式：在電動汽車上電后，由整車蓄電池為系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常；同時為紐扣電池充電，保證紐扣電池電量充足。在電動汽車斷電后，切換至紐扣電池供電，主芯片進(jìn)入等待模式，可由手機(jī)終端APP應(yīng)用軟件上的復(fù)位按鈕觸發(fā)，使主芯片進(jìn)入正常工作模式，進(jìn)而由該系統(tǒng)控制整車電源開關(guān)，使整車上電[5]。上電后，可通過手機(jī)終端APP應(yīng)用軟件上的空調(diào)按鈕起動發(fā)動機(jī)，并且提前開啟空調(diào)。上電后還可實(shí)現(xiàn)提前開啟門窗等功能，使得整個系統(tǒng)更加智能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集及功能

為了實(shí)現(xiàn)車載智能安全系統(tǒng)，需要采集大量電動汽車數(shù)據(jù)來支撐系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)主要依靠兩種方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集：一是通過CAN總線與電機(jī)、電池、發(fā)動機(jī)和整車控制器等設(shè)備通訊，接收CAN總線數(shù)據(jù)，解析整車主要參數(shù)，并且經(jīng)過處理后通過4G模塊發(fā)送到服務(wù)器存儲；二是通過實(shí)現(xiàn)電動汽車全球定位功能，應(yīng)用GPS模塊采集位置信息，實(shí)時發(fā)送位置信息至手機(jī)終端APP應(yīng)用軟件[6]。

通過以上途徑采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：首先將GPS模塊采集的位置信息發(fā)送至手機(jī)終端，客戶可以通過APP應(yīng)用軟件實(shí)時查看電動汽車行駛的具體位置和具體路徑；其次，通過CAN總線采集到的整車行駛過程中的具體參數(shù)（如電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗和電池參數(shù)等）可實(shí)現(xiàn)對電動汽車行駛狀況和能量變化的深入研究；最后，通過CAN總線采集電動汽車行駛過程中出現(xiàn)的故障代碼，解析故障，及時做出相應(yīng)的處理措施，并且通過翻閱故障記錄，查看行駛過程中的歷史故障信息。

2.2 數(shù)據(jù)操作流程

針對采集的汽車行駛數(shù)據(jù)和故障代碼，本系統(tǒng)需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，保證數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。如圖4所示，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，首先需要確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)模式。如果是在等待模式，需要通過觸發(fā)方式喚醒系統(tǒng)，確保系統(tǒng)各個模塊正常工作。整車行駛過程中的大量信息都是通過CAN總線采集的，因此在系統(tǒng)初始化后，首先需要確保CAN通訊正常，從而保證系統(tǒng)能夠接收各個部件的所有數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)CAN通訊故障時，需要精確判斷哪個部件CAN數(shù)據(jù)丟失[7]。

圖4 軟件流程圖

在數(shù)據(jù)采集過程中，根據(jù)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行上下限控制，保證數(shù)據(jù)處于正常范圍內(nèi)，剔除部分干擾數(shù)據(jù)。例如單體電池的電壓在3.2 V左右，電壓范圍為2.8～3.5 V，可以根據(jù)電池特定范圍設(shè)定最高限和最低限，剔除接收到電壓為2.0 V以下或4 V等過低或過高的干擾數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)壓縮到正常范圍內(nèi)，節(jié)省存儲空間。數(shù)據(jù)存儲時也要檢測Flash的剩余儲存空間，如果存儲空間滿時，可根據(jù)先入先出原則，將后面需要存儲的數(shù)據(jù)覆蓋前面存儲的數(shù)據(jù)，保證Flash數(shù)據(jù)存儲的是最新的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲后也需要通過4G模塊發(fā)送到服務(wù)器。首先，把整個數(shù)據(jù)分成若干個數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送完一個數(shù)據(jù)包，確定發(fā)送成功后，等待10 s，發(fā)送第二個數(shù)據(jù)包，依此類推，有序地把采集的數(shù)據(jù)通過4G模塊發(fā)送到服務(wù)器存儲。

2.3 云存儲

由于Flash存儲數(shù)據(jù)的容量有限，無法滿足長時間的數(shù)據(jù)存儲，所以本系統(tǒng)通過4G模塊把部分重要數(shù)據(jù)發(fā)送至云存儲。云存儲服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)將本地?cái)?shù)據(jù)存放在云存儲服務(wù)商提供的在線存儲空間[8-9]。本系統(tǒng)把數(shù)據(jù)上傳至云儲存前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪壓縮，然后按照數(shù)據(jù)的類型和重要性分成不同的數(shù)據(jù)包?；跀?shù)據(jù)變化情況不同，數(shù)據(jù)包上傳周期也不同，主要數(shù)據(jù)可以采用較小周期發(fā)送，而次要信息可經(jīng)過一段時間采集后一次發(fā)送至云存儲。

2.4APP應(yīng)用軟件

由于智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用，客戶可以通過手機(jī)終端APP應(yīng)用軟件[10]來實(shí)現(xiàn)人與車的實(shí)時互動。智能手機(jī)實(shí)時接收系統(tǒng)GPS模塊采集的位置信息，在APP應(yīng)用軟件的地圖上實(shí)時顯示所在位置，實(shí)時追蹤電動汽車動向和位置。智能手機(jī)訪問云存儲上的車輛行駛數(shù)據(jù)，通過APP應(yīng)用軟件實(shí)時顯示當(dāng)前汽車行駛過程中各個主要部件的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時了解汽車行駛的狀況。通過采集到的電池?cái)?shù)據(jù)查看電動汽車的能量狀況。當(dāng)電動汽車出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)把故障優(yōu)先發(fā)送至云儲存，云儲存及時把故障信息發(fā)送給客戶，客戶通過APP應(yīng)用軟件查看故障信息，及時做出相應(yīng)處理。大容量的數(shù)據(jù)保存在云存儲，客戶也能夠通過APP應(yīng)用軟件按需查看某段時間內(nèi)電動汽車的行駛數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本文主要將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在電動汽車上。系統(tǒng)使用Freescale公司的9S12系列單片機(jī)作為主芯片，通過多路CAN總線采集整車行駛數(shù)據(jù)和故障代碼，實(shí)現(xiàn)多方位采集功能。主芯片對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時通過分類后發(fā)送至云存儲，保證大容量的數(shù)據(jù)存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性。系統(tǒng)實(shí)時把GPS模塊采集的位置信息通過4G模塊發(fā)送至手機(jī)終端，APP應(yīng)用軟件實(shí)時顯示電動汽車行駛位置和路徑，同時也能夠顯示電動汽車的行駛數(shù)據(jù)和儲能變化，實(shí)現(xiàn)了車與人的實(shí)時互動。系統(tǒng)實(shí)時發(fā)送故障代碼提醒客戶故障情況，客戶使用APP應(yīng)用軟件查看故障信息并處理故障，保證電動汽車行駛的安全性。

[1]王建強(qiáng)，吳辰文，李曉軍.車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2011，27（4）：156-158.

[2]黃學(xué)達(dá)，付仕明.4G視頻傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)與信號完整性分析[J].電視技術(shù)，2015，39（20）：14-17.

[3]陳鐵軍，陳卡菲.基于ARM的車載GPS終端軟硬件的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（13）：212-214.

[4]SAE美國汽車工程師協(xié)會.CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：SAE J1939 [S].SAE美國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會.

[5]溫鐵鈍，孫鍵國，張?zhí)旌?無線遙控智能插座的設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2003，22（10）：53-55.

[6]姜竹勝，湯新寧，陳軍.基于車聯(lián)網(wǎng)的智能車載終端研制[J].汽車電器，2012（10）：39-41.

[7]金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司.汽車CAN通訊失效檢測系統(tǒng)及其檢測方法：201210517350.6[P].2012-12-06.

[8]周可，王樺，李春花.云存儲技術(shù)及其應(yīng)用[J].中興通訊技術(shù)，2010，16（4）：24-27.

[9]劉貝，湯斌.云存儲原理及發(fā)展趨勢[J].科技信息，2011（5）：50-51.

[10]顧春來.APP應(yīng)用程序開發(fā)模式探究[J].硅谷，2014（5）：35 -36.

修改稿日期：2016-09-05

Intelligent and Safe System Based on Vehicles Internet

An Xiaofeng
（Jiangsu Kawei Automotive IndustryGroup Co.,Ltd,Danyang212323,China）

The authors introduce the application of vehicles internet system to electric vehicles.The system collects the vehicle driving data and fault codes by CAN bus system and deals with these data information by compressing, analysis and storage techniques.The system divides the data into different groups and sends these data into cloud storage.APP software receives the GPS location information sent by the system and real-time shows the specific location of the electric vehicle.It can know the status of vehicle and the change of energy storage by accessing the server.

vehicle internet；intelligent and safe system；APP software；cloud storage

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2017）01-0033-04

安曉峰（1988-），男，工程師；主要從事整車系統(tǒng)集成和整車控制器的研發(fā)工作。