車載終端數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

辛英 張延良 武迎迎 李國(guó)朋 孫龍洋

(濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東濰坊 261061)

0 引言

車聯(lián)網(wǎng)概念由物聯(lián)網(wǎng)衍生而來,是未來智能交通系統(tǒng)應(yīng)用的主要組成部分之一[1]。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為車聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,為車輛及其主要部件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、評(píng)估及改進(jìn)提供依據(jù),例如發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)依靠數(shù)據(jù)采集獲得精確可靠的試車數(shù)據(jù),用來判斷和識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)是否工作正常。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控作為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要應(yīng)用,為完善整車控制策略提供數(shù)據(jù)支持,也為未來智能化汽車與無人駕駛領(lǐng)域的推動(dòng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

本文以車載終端數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)程傳輸為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析了數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程傳輸?shù)幕具^程。針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)采集中存在的易丟包問題,改進(jìn)車載終端數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì),引入數(shù)據(jù)緩存池方法,識(shí)別輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行元素模型構(gòu)建,將車載終端數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程分開。

1 數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀分析

在車聯(lián)網(wǎng)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)中,監(jiān)控平臺(tái)、車載終端、網(wǎng)聯(lián)車輛組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)的三大節(jié)點(diǎn),其連接過程可通過如圖1 進(jìn)行展示。

圖1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸主要節(jié)點(diǎn)示例Fig.1 Example of remote data transmission main node

在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域,機(jī)器運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)信息的回傳意義尤為重要。例如新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的科研試飛、定型試飛均離不開精確的測(cè)試數(shù)據(jù)支持[2]。在汽車領(lǐng)域的意義類似,當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)信息普遍采用基于GPRS 的GSM 系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集及回傳。通過GPS 模塊接收的車輛位置信息和CAN 總線采集的車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),由GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心服務(wù)器上[3],可通過手機(jī)客戶端或上位機(jī)等的APP 進(jìn)行數(shù)據(jù)查看,中心服務(wù)器可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后將處理結(jié)果通過手機(jī)客戶端或其他上位機(jī)進(jìn)行效果展示[4]。

如圖1所示在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集及回傳是一個(gè)回路形式。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)客戶具體需求,下發(fā)相應(yīng)的車輛數(shù)據(jù)采集指令到車載終端,它們之間進(jìn)行基于GPRS的無線通訊;車載終端接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集指令后向網(wǎng)聯(lián)車輛的指定控制單元(例如,網(wǎng)聯(lián)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令,它們之間通常通過整車CAN 總線進(jìn)行通訊,具體采用哪種通訊協(xié)議,可由ECU和車載終端協(xié)商決定;網(wǎng)聯(lián)車輛的控制單元接收到數(shù)據(jù)采集指令后,在適當(dāng)條件下會(huì)將需要采集的數(shù)據(jù)通過CAN 總線發(fā)送到車載終端;車載終端將采集到的數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),通過平臺(tái)進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)的匯總、查看及分析,進(jìn)而通過手機(jī)客戶端或其他上位機(jī)方式展示。在此過程中,車載終端接收到網(wǎng)聯(lián)車輛回傳的數(shù)據(jù)后先存儲(chǔ)到車載終端內(nèi)置的存儲(chǔ)介質(zhì)中,比如SD卡、FLASH 等,在車載終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通訊正常的情況下,才能開始進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。如上分析過程可以看出,數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)上傳可以是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程。本文重點(diǎn)關(guān)注圖1 所示的過程④,即數(shù)據(jù)從車載終端回傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的過程。車載終端會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)且車載終端與監(jiān)控平臺(tái)通訊狀態(tài)正常的情況下,車載終端會(huì)將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程方式發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái);監(jiān)控平臺(tái)接收數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)送接收成功的應(yīng)答信息,車載終端收到應(yīng)答信息后繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸;若車載終端未收到監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出的接收成功應(yīng)答信息則會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)確認(rèn)。此過程中車載終端在數(shù)據(jù)接收完畢后直接進(jìn)行發(fā)送,在通訊信號(hào)較差的情況下,車載終端無法及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái);由于沒有緩存過程,易發(fā)生丟包,且無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重發(fā)。

2 數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

實(shí)際應(yīng)用中,為了降低整車造價(jià)成本,車輛安裝的車載終端一般均對(duì)成本有嚴(yán)格要求,導(dǎo)致車載終端使用的核心部件MCU性能相對(duì)較低。基于這一特征,本文進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存池設(shè)計(jì),將車載終端的數(shù)據(jù)打包和數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行分離,構(gòu)造緩存數(shù)據(jù)池并實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)池的狀態(tài),識(shí)別數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)池的狀態(tài)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

下面從數(shù)據(jù)緩存池設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)緩存過程設(shè)計(jì)及系統(tǒng)效果測(cè)試三個(gè)方面描述數(shù)據(jù)緩存池的整個(gè)設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)測(cè)試效果。

2.1 數(shù)據(jù)緩存池設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)緩存池設(shè)計(jì)模型如圖2 所示。數(shù)據(jù)緩存池由若干個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)元素組成,每個(gè)元素需要包含三個(gè)必要的信息,分別是該數(shù)據(jù)元素使用狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)元素使用狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)可分為三種情況:0表示沒有數(shù)據(jù),1表示有待發(fā)送數(shù)據(jù),2表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功;當(dāng)有調(diào)度任務(wù)對(duì)該元素完成操作后,則進(jìn)行狀態(tài)機(jī)切換。數(shù)據(jù)元素的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,以字節(jié)個(gè)數(shù)為單位計(jì)數(shù),當(dāng)數(shù)據(jù)緩存池中待發(fā)送數(shù)據(jù)元素個(gè)數(shù)小于等于總個(gè)數(shù)N,則進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ);當(dāng)數(shù)據(jù)緩存池待發(fā)送數(shù)據(jù)元素個(gè)數(shù)等于總個(gè)數(shù)N,則進(jìn)入等待發(fā)送狀態(tài)。

圖2 數(shù)據(jù)緩存池設(shè)計(jì)圖示Fig.2 Data cache pool design diagram

2.2 數(shù)據(jù)緩存過程設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)緩存的設(shè)計(jì)中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)前增加數(shù)據(jù)打包過程設(shè)計(jì)。其任務(wù)是將數(shù)據(jù)緩存池中數(shù)據(jù)元素進(jìn)行封裝,既可使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)得到緩沖又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的規(guī)整存放。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)打包實(shí)現(xiàn)過程Fig.3 Data packaging implementation process

首先,系統(tǒng)查詢緩存池中數(shù)據(jù)元素的狀態(tài)機(jī),確定數(shù)據(jù)元素是否具備存儲(chǔ)新包數(shù)據(jù)的條件。如果數(shù)據(jù)元素的狀態(tài)機(jī)是0 或2,則可以寫入數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)元素的狀態(tài)機(jī)置為1,然后查詢下一個(gè)數(shù)據(jù)元素,如此循環(huán)直到將數(shù)據(jù)緩存池中N 個(gè)元素全部查詢完畢。

接上步,在數(shù)據(jù)打包完成后,系統(tǒng)將打包好的數(shù)據(jù)推入數(shù)據(jù)緩存池。系統(tǒng)采用輪詢方式對(duì)進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存池中的數(shù)據(jù)元素進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別并進(jìn)行信息標(biāo)注,確認(rèn)數(shù)據(jù)緩存池狀態(tài)達(dá)到發(fā)送的要求后即進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。系統(tǒng)判斷在網(wǎng)絡(luò)連接正常且數(shù)據(jù)緩存池狀態(tài)為可發(fā)送狀態(tài)時(shí),將滿足條件的數(shù)據(jù)緩存池中數(shù)據(jù)元素發(fā)送出去進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 系統(tǒng)效果測(cè)試

本文采用行業(yè)常用的MCU STM32-405 搭載SIM7600 G-H 通訊模組的4G 車載終端,以發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 用于分析油耗高的數(shù)據(jù)采集配置為例進(jìn)行測(cè)試及數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖4 所示,基于模擬臺(tái)架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集回傳測(cè)試。車載終端根據(jù)監(jiān)控平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集配置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)回傳遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),在運(yùn)行一段時(shí)間后(>24h),從監(jiān)控平臺(tái)導(dǎo)出約24h的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì)此時(shí)間段理論應(yīng)該回傳數(shù)據(jù)條數(shù)為:89529,實(shí)際平臺(tái)收到數(shù)據(jù)條數(shù):88728;回傳數(shù)據(jù)率達(dá)到了99%,同之前的92%的回傳率相比,提升了7.6%。

圖4 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試及報(bào)文記錄Fig.4 Laboratory environment test and message record

3 結(jié)語

在智能化、網(wǎng)聯(lián)化推動(dòng)下,車輛配套車載終端已為常態(tài)。大數(shù)據(jù)量的分析需求對(duì)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能要求也日趨升高。本文在車載終端現(xiàn)有數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),簡(jiǎn)要介紹了車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程,詳細(xì)介紹了車載終端到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸過程。并基于該過程進(jìn)行車載終端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì),提出了數(shù)據(jù)緩存池的設(shè)計(jì)方案,基于緩存池實(shí)現(xiàn)元素狀態(tài)的變更記錄及數(shù)據(jù)發(fā)送過程的優(yōu)化。該方案實(shí)現(xiàn)后,采用STM32-405芯片搭載芯訊通SIM7600G-H通訊模塊的4G車載終端進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的以發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集配置為例的數(shù)據(jù)采集及回傳信息分析。試驗(yàn)證明此設(shè)計(jì)提升了發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,提高了數(shù)據(jù)發(fā)送的容錯(cuò)能力。