基于Telematics的電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉金江，顏伏伍，杜常清

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

隨著人們環(huán)保意識的增強，電動汽車受到越來越多的關(guān)注。目前，由于動力電池能量密度和穩(wěn)定性的限制，電動汽車的續(xù)航和穩(wěn)定性也有一定的局限性。因此，為了保證電動汽車的安全性，掌握行車的實時及歷史信息，從而指導(dǎo)電動汽車的優(yōu)化設(shè)計，建立監(jiān)控電動汽車運行狀況和車輛信息的實時監(jiān)控系統(tǒng)顯得相當(dāng)重要，這也成為汽車發(fā)展的一個重要研究課題[1]。

伴隨著汽車工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是GPRS/2G/3G/4G等技術(shù)的實現(xiàn)，汽車電子與無線通信技術(shù)相結(jié)合的遠程信息處理（telematics）技術(shù)得到了廣泛的重視、研究和發(fā)展。Telematics技術(shù)的發(fā)展為汽車遠程監(jiān)控和遠程服務(wù)的研究提供了基礎(chǔ)。文獻[2]提出了采用投影法和曲線擬合算法對車輛進行實時定位的方法；文獻[3]采用Modbus TCP協(xié)議與數(shù)據(jù)服務(wù)器建立連接，實現(xiàn)了協(xié)議轉(zhuǎn)換；文獻[4]提出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的車輛實時信息監(jiān)視方法。然而，這些研究僅僅實現(xiàn)了單向的采集車輛信息，無法實現(xiàn)監(jiān)控中心與車輛的雙向交互，也無法對車輛進行遠程控制。

以下介紹基于Qtouch組態(tài)軟件的電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)，重點闡述車載終端的軟硬件實現(xiàn)方法?；谠O(shè)計的系統(tǒng)在實車試驗中實現(xiàn)了對車輛與監(jiān)控中心實時雙向的數(shù)據(jù)交互，并且基于無線網(wǎng)絡(luò)對車輛實現(xiàn)遠程控制，控制對象包括車門、空調(diào)、發(fā)動機。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即服務(wù)終端和車載終端，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.1 Architecture of the remote monitoring system

車載終端完成汽車數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行遠程控制指令，主要由3G模塊、GPS模塊、存儲模塊、TRC（telematics remote controller）模塊和CAN接口模塊組成[5]。其中，TRC模塊主要完成遠程控制指令的解析，CAN接口模塊與整車CAN網(wǎng)絡(luò)相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和車輛控制。

服務(wù)終端一般放置在監(jiān)控中心，主要對監(jiān)控車輛的重要信息進行實時分析和處理，同時可以對車輛實現(xiàn)遠程控制。服務(wù)終端的軟件基于Qtouch組態(tài)軟件設(shè)計，可同時監(jiān)控多輛汽車，并將數(shù)據(jù)存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視流程是車載終端通過CAN總線獲取整車關(guān)鍵信息，通過UART接口與3G模塊通信，然后借助移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)終端。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程是服務(wù)終端通過3G移動網(wǎng)絡(luò)給指定的被監(jiān)控車輛發(fā)送控制指令，車載終端接收3G網(wǎng)絡(luò)指令并解析，然后通過CAN總線控制報文的形式實現(xiàn)對車輛執(zhí)行機構(gòu)的控制。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 車載終端的設(shè)計

車載終端在硬件架構(gòu)上，包含有無線通信模塊（3G）、CAN總線通信接口模塊、TRC模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互界面模塊等。其總體硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載終端的硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of vehicle terminal

車載終端高度智能化，核心控制單元必須提供相應(yīng)的控制和通信接口才能實現(xiàn)復(fù)雜的功能。

車載終端設(shè)計的關(guān)鍵是解決設(shè)備與整車電氣及通信系統(tǒng)的兼容性問題。目前大多數(shù)汽車都提供診斷接口，該接口采用J1962的標(biāo)準(zhǔn)接口，如圖3所示。由于當(dāng)前電動汽車并沒有采用統(tǒng)一的OBDⅡ通用通信接口協(xié)議，故針對不同電動汽車通信協(xié)議的差異，設(shè)計了OBDⅡ與UART的轉(zhuǎn)換模塊，由此根據(jù)車輛OBDⅡ協(xié)議類型，自動選擇相關(guān)協(xié)議與汽車診斷接口通信。

圖3 J1962標(biāo)準(zhǔn)診斷接口Fig.3 J1962 standard diagnostic interface

轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計選用埃爾姆公司的OBDⅡ到串口的轉(zhuǎn)換芯片ELM327。該芯片支持 CAN、ISO 91412、SAEJ 1850等多種協(xié)議，能夠根據(jù)車輛OBDⅡ協(xié)議類型，自動選擇相關(guān)協(xié)議與汽車診斷接口通信。ELM327可將上述協(xié)議轉(zhuǎn)換為串口通信協(xié)議，從而與車載終端的主MCU實現(xiàn)信息交互。

車載終端的軟件采用分層設(shè)計的方式，由下往上依次是硬件層、驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、中間接口層和應(yīng)用層。各層相互獨立，下層為上層提供服務(wù)。車載終端的軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 車載終端的軟件架構(gòu)Fig.4 Software architecture of vehicle terminal

在上述ARM+DSP的硬件平臺上，加載嵌入式操作系統(tǒng)，如Android、Win CE等。嵌入式操作系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)級任務(wù)管理和調(diào)度功能，提供良好的HMI和GUI。應(yīng)用層軟件可以通過各類API接口，很好地完成各種服務(wù)功能。

2.2 服務(wù)終端的設(shè)計

基于Qtouch組態(tài)軟件設(shè)計的服務(wù)終端為系統(tǒng)提供監(jiān)控平臺，其主要功能為解析并展示車載終端上傳的數(shù)據(jù)；實現(xiàn)遠程控制汽車執(zhí)行機構(gòu)；數(shù)據(jù)分析、離線回放、數(shù)據(jù)存儲，故障報警。

服務(wù)終端的監(jiān)控界面如圖5所示。用戶可以通過服務(wù)終端實時查看車輛狀態(tài)信息，只有具備權(quán)限的用戶才能進行登錄訪問。用戶能夠通過監(jiān)控平臺實時了解電動汽車的行駛狀態(tài)以及關(guān)鍵零部件的工作情況，如電池、電機、整車控制器、里程等信息。用戶也能夠?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，包括統(tǒng)計報表和趨勢分析等。當(dāng)汽車出現(xiàn)異常時，監(jiān)控中心能夠接收到實時故障報警的提示，并將報警提示遠程發(fā)送至車載終端進行提醒，視情況可對車輛包括車門、車窗、空調(diào)和發(fā)動機等進行遠程控制，從而更加方便快捷和智能。

圖5 服務(wù)終端監(jiān)控界面Fig.5 Monitoring interface of service terminal

2.3 智能化功能說明

遠程系統(tǒng)可以實現(xiàn)車載終端與服務(wù)終端信息的實時雙向交互，更加智能化。

信息推送服務(wù)終端可以根據(jù)車載終端上傳的信息推送相關(guān)的報警或提示信息，例如：提示當(dāng)前電量還可行駛的距離，推送最近的充電站位置信息，還可以推送實時路況信息等；

遠程控制根據(jù)車載終端用戶的設(shè)定，定時遠程控制汽車的相關(guān)系統(tǒng)，比如天氣炎熱時提前遠程開啟空調(diào)。

3 試驗驗證

為了驗證遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，利用一臺連接無線網(wǎng)絡(luò)的電腦作為服務(wù)終端，運行Qtouch監(jiān)控軟件。車載終端通過CAN接口模塊與實車連接，完成了以下功能驗證：①車輛定位及狀態(tài)監(jiān)控，遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時定位車輛位置，獲取GPS信息，還能夠獲取車速、運動方向等信息，并實現(xiàn)超速報警功能；②通過服務(wù)終端實現(xiàn)對指定車輛空調(diào)系統(tǒng)和車門系統(tǒng)的遠程控制。功能測試截圖如圖6所示。

圖6 測試截圖Fig.6 Testing screenshot

4 結(jié)語

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是Telematics技術(shù)在汽車領(lǐng)域的專業(yè)運用，實現(xiàn)了車載CAN網(wǎng)和3G無線傳輸技術(shù)的融合。該系統(tǒng)具有開放性，為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)；具有超強的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，能夠?qū)崟r反映車輛運行狀況、位置信息和CAN數(shù)據(jù)信息，對其進行分析、生成圖表，并可以對車輛的部分系統(tǒng)進行遠程控制。

雖然Telematics汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，但是行業(yè)內(nèi)尚未形成完善的體制和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商和移動通信運營商應(yīng)積極開展合作，共同開發(fā)、制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以推動Telematics產(chǎn)業(yè)更好更快的發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著3G/4G技術(shù)、VR技術(shù)、定位技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展成熟，Telematics產(chǎn)業(yè)必將發(fā)展成熟并帶來無限商機。

[1]魯松濤.基于Internet的汽車電子遠程診斷技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

[2]杜常清，杜剛.電動汽車遠程監(jiān)控技術(shù)研究及平臺開發(fā)[J].汽車工程，2015，39（9）：1071-1076，1083.

[3]李晶，孟利民.Modbus TCP協(xié)議在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計[C]//第二屆亞太地區(qū)信息論學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中國電子學(xué)會信息論分會，2011年亞太地區(qū)信息論學(xué)術(shù)會議組委會，2011.

[4]黃愛蓉.車輛信息實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2010，31（8）：1839-1843，1847.

[5]蘇子林，韓曉玲.基于GIS/GPS/GSM的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用，2003，39（19）：206-209.