基于車聯(lián)網(wǎng)的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭東旭，范文兵，楊云開

(鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

目前大多車輛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)依靠自身傳感器對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷，不能夠有效表明車輛狀態(tài)的好壞，存在數(shù)據(jù)單一、有效性和實(shí)時(shí)性差等問題，而且對(duì)于車輛電子控制單元出現(xiàn)的故障碼匹配度不夠準(zhǔn)確，兼容的OBD-II標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議也較少，這樣車輛存在的一些潛在故障并不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，從而影響車輛的正常使用以及駕駛員的人身安全[1,2]。目前大部分車輛原有防盜系統(tǒng)都過于單一，被盜時(shí)車輛并不能準(zhǔn)確反映當(dāng)時(shí)的情況，由于引起車輛報(bào)警的因素過多，而真正被盜的情況很少，導(dǎo)致誤報(bào)率過高，而且當(dāng)車輛被盜時(shí)，車主一般距離車輛過遠(yuǎn)，警報(bào)無法被聽到，進(jìn)而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛被盜，這說明傳統(tǒng)的防盜系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、有效性較差[3]。

為此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障后及時(shí)告知車輛故障碼和故障內(nèi)容；實(shí)時(shí)對(duì)車輛防盜預(yù)警，在車輛被盜時(shí)遠(yuǎn)程鎖定車輛，以及車輛被盜后的定位追蹤。并且對(duì)車輛電源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)對(duì)車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避免了車輛潛在故障的危害，提高了車輛的防盜能力，保證了車輛的安全性，同時(shí)也為將來汽車車況分析、防盜預(yù)警等應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1為車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要由車載終端、手機(jī)App、云服務(wù)器3部分組成。每個(gè)車載終端都安裝SIM卡，可以通過GPRS或SMS通信，并具有GPS定位、OBD數(shù)據(jù)讀取等功能；當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)，車載終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)發(fā)送車輛定位信息、車輛故障等信息到云服務(wù)器；云服務(wù)器負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。車主需要在智能手機(jī)上安裝終端助手軟件，并與車載終端綁定，該軟件從云服務(wù)器上獲取到車載終端上傳的信息，顯示到智能手機(jī)上；當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)，車載終端通過SMS與智能手機(jī)通信，在此通信模式下車載終端只發(fā)送車輛防盜預(yù)警信息到智能手機(jī)終端。反之車主也可以通過智能手機(jī)對(duì)車輛進(jìn)行控制[4]。以這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)人車“形影不離”，隨時(shí)隨地對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 車載終端整體設(shè)計(jì)框架及主要功能

本系統(tǒng)采用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，車載終端設(shè)計(jì)框架如圖2所示。中央控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過相應(yīng)的引腳與其它模塊接口連接，對(duì)其它模塊采集的信息進(jìn)行分析整理以及信息的交換，根據(jù)信息分析的結(jié)果對(duì)相應(yīng)的模塊發(fā)出指令。

圖2 車載終端設(shè)計(jì)框架

通信模塊：實(shí)現(xiàn)車載終端與外界的無線移動(dòng)通信，其中包含定位功能的GPS+北斗、GSM/GPRS以及藍(lán)牙。

防盜模塊：附加于原車防盜系統(tǒng)，完全保留原車防盜系統(tǒng)功能和使用方式，即在原來防盜系統(tǒng)基礎(chǔ)加上新的探測(cè)和告警功能。

傳感器模塊：采集車輛多個(gè)傳感器信息。

車輛診斷模塊：診斷數(shù)據(jù)是由OBD模塊從車輛上的OBD接口讀出，OBD芯片會(huì)將故障碼解析得出車輛存在故障的位置，因此可以提前對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)警并處理，避免事故的發(fā)生。為了更高速處理采集的OBD數(shù)據(jù)，OBD模塊與中央控制模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)。

電源管理模塊：由電源控制芯片和繼電器控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的空調(diào)、車輛的ACC等設(shè)備的電源控制，可以對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟或者關(guān)閉，更智能化對(duì)車輛各種設(shè)備電源進(jìn)行管理。

終端支持OTA在線升級(jí)，利于終端軟件的維護(hù)和更新[5]。

2.1 車載終端硬件電路框架設(shè)計(jì)

如今車輛都配備OBD接口，不同廠家的車輛配備的OBD接口使用的OBD-II標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議不同，通信協(xié)議普遍有ISO 9141-2、ISO 14230-4、ISO 15765-4，其中ISO 9141-2、ISO 14230-4通信協(xié)議基于K線的診斷協(xié)議，ISO 15765-4通信協(xié)議基于CAN總線的KWP2000診斷協(xié)議。由于不同的通信協(xié)議基于不同的驅(qū)動(dòng)電路，所以為了車載終端更好兼容多種OBD-II標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，需要設(shè)計(jì)CAN總線驅(qū)動(dòng)電路以及K線驅(qū)動(dòng)電路。車載終端需要一個(gè)高性能、低成本、低功耗的微型處理器，該微型處理器還要有很高的實(shí)時(shí)性、可靠性以及豐富的外設(shè)接口等[6]。

依據(jù)車載終端設(shè)計(jì)框圖進(jìn)行車載終端硬件電路框架設(shè)計(jì)，車載終端硬件電路框架如圖3所示。圖中STM32F302RBT6為中央控制芯片，通過的串口與無線移動(dòng)通信芯片MC20連接進(jìn)行通信；MC20的定位功能基于內(nèi)嵌的GNSS平臺(tái)MT3333芯片與定位衛(wèi)星進(jìn)行信息傳輸，無線通信功能由MC20內(nèi)嵌的GSM平臺(tái)MT6261芯片與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。STM32F105RBT6為車輛OBD信息采集診斷芯片，不是簡(jiǎn)單的用ELM327等芯片來做數(shù)據(jù)解析，芯片的數(shù)據(jù)解析完全由C語言實(shí)現(xiàn)，便于后續(xù)修改。中央控制芯片通過串口與OBD模塊連接，OBD模塊再由CAN總線或者K線連接車載OBD接口。中央控制芯片通過多個(gè)引腳經(jīng)過芯片ULN2003放大電流控制繼電器繼而控制車輛電源系統(tǒng)。防盜系統(tǒng)由中央控制芯片引腳連接原車防盜系統(tǒng)，通過芯片引腳通信實(shí)現(xiàn)車輛防盜預(yù)警，另外增加了片外FLASH，保證了芯片的存儲(chǔ)資源充足。

圖3 車載終端硬件電路框架

2.1.1 車載終端高頻降壓電路設(shè)計(jì)

車輛電源供電電壓為12 V，車載終端主要供電電壓為5 V，需要對(duì)車輛供電電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，將車輛供電電壓12 V轉(zhuǎn)換為5 V，選用集成內(nèi)部高端高壓功率MOSFET的MP1584芯片，它是一款高頻降壓開關(guān)穩(wěn)壓器；通過在MOS管Q引腳上加上開關(guān)信號(hào)PWM，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電感和電容充放電達(dá)到將電源進(jìn)行降壓的目的。提供高達(dá)3 A的電流輸出，具有電流模式控制，實(shí)現(xiàn)快速回路響應(yīng)和簡(jiǎn)單的補(bǔ)償；提供輸入電壓范圍寬達(dá)4.5 V至28 V，適用于汽車輸入環(huán)境中的降壓應(yīng)用。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，輸入為B+接口電壓為12 V，輸出為5 V，電路實(shí)際應(yīng)用情況穩(wěn)定，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 開關(guān)穩(wěn)壓器MP1584硬件電路

2.1.2 OBD車輛故障檢測(cè)電路

電路中設(shè)計(jì)了兩種驅(qū)動(dòng)電路，更好適配不同車輛的不同通信協(xié)議，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。一種是CAN總線驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路芯片選擇的是TJA1040T，速度高達(dá)1 Mbaud，具有很強(qiáng)的EMC性能，是局域網(wǎng)CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，適用于車輛的高速應(yīng)用，又在TJA1040芯片的基礎(chǔ)上增加了AU5790芯片，AU5790功能是把高速CAN轉(zhuǎn)單線CAN，它可以為CAN總線控制器之間數(shù)據(jù)傳輸提供單線的物理接口，總線負(fù)載達(dá)到32節(jié)點(diǎn)時(shí)，總線速度可以高達(dá)33 kbps，當(dāng)車輛未啟動(dòng)時(shí)，芯片處于睡眠模式，減少芯片的功耗[7]。另一種是K線驅(qū)動(dòng)電路，K線包括ISO 9141-2、ISO 14230-4兩種傳輸協(xié)議，這兩種協(xié)議具有相同的電平標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)電路選擇的芯片為L(zhǎng)M2903，與相應(yīng)的電阻、電容元件共同構(gòu)成。OBD-II協(xié)議驅(qū)動(dòng)電路支持協(xié)議如下：

* ISO 9141-2

* ISO 14230-4 地址模式/快速模式

* ISO 15765-4 標(biāo)準(zhǔn) 11 bit 500 K/250 K

* ISO 15765-4 擴(kuò)展 29 bit 500 K/250 K

2.2 車載終端軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)線程調(diào)度程序算法設(shè)計(jì)

程序中編寫了線程創(chuàng)建函數(shù)和線程調(diào)度函數(shù)，線程工作流程如圖6所示。線程函數(shù)中包含創(chuàng)建線程函數(shù)、啟動(dòng)線程函數(shù)、線程喚醒和線程超時(shí)處理函數(shù)，線程調(diào)度函數(shù)會(huì)為已創(chuàng)建的線程創(chuàng)建一個(gè)線程隊(duì)列，每個(gè)線程都會(huì)有一個(gè)固定的ID號(hào)，根據(jù)程序的運(yùn)行需要的線程ID號(hào)，線程指針會(huì)指向隊(duì)列中對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，然后將線程推出運(yùn)行；采用這種方法實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)線程隊(duì)列生成后，不需要重新線程創(chuàng)建，當(dāng)再次調(diào)用線程時(shí)，指針會(huì)跳到相應(yīng)的線程子函數(shù)進(jìn)行線程喚醒，這樣可以更好分配CPU資源，優(yōu)化系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。

2.2.2 防盜預(yù)警模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)車載終端探測(cè)到車輛ACC由ON轉(zhuǎn)為OFF時(shí)，防盜程序開始設(shè)防，熄火5 min后，探測(cè)是否鎖車，若未鎖車，車載終端把獲取到的車門狀態(tài)數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行打包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云服務(wù)器，云服務(wù)器再將信息轉(zhuǎn)發(fā)到車主的智能手機(jī)，告知車主車輛未鎖。當(dāng)車輛在已鎖車狀態(tài)下，車載終端檢測(cè)到車輛車門打開或者到車輛位置發(fā)生變化，車載終端會(huì)發(fā)送相應(yīng)的告警信息到車主的智能手機(jī)[8]。若GPRS網(wǎng)絡(luò)斷線，車載終端立即通過SMS發(fā)送告警信息，提高了車輛防盜預(yù)警的有效性、實(shí)時(shí)性。防盜預(yù)警程序流程如圖7所示。

圖5 OBD車輛故障檢測(cè)電路

圖6 線程調(diào)度流程

圖7 防盜預(yù)警程序流程

2.3 通信協(xié)議與數(shù)據(jù)格式

表1 車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)包格式

車輛數(shù)據(jù)提取分析代碼中定義了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，用來定義車輛各種數(shù)據(jù)打包封裝的數(shù)據(jù)，這樣不僅提高了代碼的閱讀性，還可以分類管理函數(shù)和數(shù)據(jù)的屬性，主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，增加代碼再次利用的效率。

3 云服務(wù)器設(shè)計(jì)

云服務(wù)器是基于阿里云服務(wù)器(elastic compute ser-vice，ECS)是一種彈性可伸縮的計(jì)算服務(wù)，低成本，運(yùn)維效率高。使用C# 編寫服務(wù)器程序，程序中創(chuàng)建了Socket服務(wù)類，綁定監(jiān)聽端口。服務(wù)器程序只提供TCP/IP服務(wù)，為了終端整體系統(tǒng)測(cè)試，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，不做數(shù)據(jù)處理。

4 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端App編寫了車載終端的手機(jī)端登錄界面以及功能界面，車主通過輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)入App，點(diǎn)擊App中的按鈕，手機(jī)會(huì)發(fā)送指令給服務(wù)器，然后服務(wù)器再將相應(yīng)的指令發(fā)送給終端，初步添加了OBD數(shù)據(jù)讀取、車輛故障碼提示、防盜報(bào)警、查詢車輛位置等功能[10]，可以根據(jù)需要添加相應(yīng)的控制模塊。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

車載終端可以讀取100多項(xiàng)OBD數(shù)據(jù)，這里只是顯示了部分OBD數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實(shí)際需要在手機(jī)App程序內(nèi)添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)。手機(jī)App客戶端讀取到車輛OBD數(shù)據(jù)如圖8(左)，其中OBD數(shù)據(jù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、水溫、空氣流量、點(diǎn)火提前角、里程等。手機(jī)客戶端獲取到車載終端上傳的車輛故障碼，與OBD-II標(biāo)準(zhǔn)故障碼檢索表進(jìn)行對(duì)比，然后將對(duì)比結(jié)果顯示出來。手機(jī)客戶端顯示的內(nèi)容包括故障碼編號(hào)、故障碼的數(shù)量以及故障碼內(nèi)容。這樣有效避免了潛在故障對(duì)車輛安全的影響，從而也保證了車主的人身安全。故障診斷界面顯示效果如圖8(右)。

圖8 OBD數(shù)據(jù)讀取(左)、車輛故障碼讀取(右)

當(dāng)車輛ACC由ON轉(zhuǎn)為OFF時(shí)，車載終端開始計(jì)時(shí)，如果超過5 min車輛未鎖，車載終端會(huì)發(fā)送車輛未鎖信息到手機(jī)App客戶端；如果車輛在鎖定狀態(tài)下，當(dāng)車輛位置發(fā)生大范圍變化時(shí)，車載終端會(huì)發(fā)送車輛位置變化異常的信息到手機(jī)App客戶端。如果車輛在鎖定狀態(tài)下車門被打開，車載終端會(huì)發(fā)送車門非法打開信息手機(jī)App客戶端，測(cè)試結(jié)果如圖9(左)；手機(jī)App客戶端搭載百度地圖開放平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看車輛位置，顯示與車輛的距離，實(shí)時(shí)顯示車輛在地圖上的位置。當(dāng)車輛被盜時(shí)，可以對(duì)車輛進(jìn)行定位跟蹤。測(cè)試效果如圖9(右)。

圖9 防盜預(yù)警(左)、車輛定位(右)

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了智能終端、服務(wù)器端、手機(jī)端的數(shù)據(jù)通信與控制，具有實(shí)時(shí)性高、適用性廣、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。在車輛故障檢測(cè)方面，系統(tǒng)不僅解決了車輛潛在故障無法及時(shí)處理的問題，避免了車輛潛在故障產(chǎn)生的危害，而且使車輛狀態(tài)更加直接地展示給車主，解決了大多車主對(duì)車輛故障不知所以的問題。在車輛防盜方面系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、有效性高，隨時(shí)隨地都可以知道車輛防盜狀態(tài)，增加了車輛防盜預(yù)警的準(zhǔn)確性，有效減少了車輛防盜預(yù)警的誤報(bào)率。車載終端自適應(yīng)多種OBD-II標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，讀取車輛狀態(tài)信息準(zhǔn)確，很大程度上增加了人與車的信息交互。由此該系統(tǒng)對(duì)汽車安全性方面有很大幫助，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。