基于單片機控制的車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

張彬 宋翔 張朋

摘要：為進(jìn)一步提升車輛駕駛的安全性和可控性，基于單片機對一種車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與研究。針對目前車輛自診斷系統(tǒng)的功能，對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了功能設(shè)計，確定了系統(tǒng)通訊方案。以 STM32系列單片機為核心，協(xié)同 CAN總線傳輸模塊、定位模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行工作。在硬件設(shè)計方面，供電模塊選用 TPS 系列的穩(wěn)壓器，GPS定位模塊選用 TG621S-BD為主控器。在軟件設(shè)計方面，采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計和資源管理，通過 Java Web實現(xiàn)云數(shù)據(jù)交互。

關(guān)鍵詞：單片機;控制系統(tǒng);CAN傳輸;模塊設(shè)計;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TH114文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0204-04

Design of Vehicle Condition Monitoring System Based on Single Chip Microcomputer Control

Zhang Bin ，Song Xiang ，Zhang Peng

（Zaozhuang Science and Technology Career Academy， Zaozhuang， Shandong 277599， China）

Abstract： In order to further improve the safety and controllability of vehicle driving， a vehicle condition monitoring system based on single chip microcomputer was designed and studied. According to the function of the current vehicle self-diagnosis system， the function of the condition monitoring system was designed， and the system communication scheme was determined. Taking STM32 series MCU as the core， can bus transmission module， positioning module， remote data communication module and data acquisition module could work together. In terms of hardware design， power supply module used TPS series voltage regulator， GPS positioning module used TG621S-BD as main controller. In software design， MySQL database was used for database design and resource management， and Java Web was used to realize cloud data interaction.

Key words： SCM; control system; CAN transmission; module design; database

0 引言

隨著人們生活水平的提升，國內(nèi)汽車保有量逐年提升，汽車給人們帶來便利的同時，給管理帶來較大的負(fù)擔(dān)[1]。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2-4]逐步普及到各個行業(yè)和領(lǐng)域，給車輛狀態(tài)的智能監(jiān)測帶來良好的技術(shù)條件，可有效地批量實現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)管。國內(nèi)外汽車制造商對該方面也展開研究，其主要研究目標(biāo)為設(shè)計出一種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，針對自身車型的特點，最終技術(shù)服務(wù)于無人駕駛和智能駕駛。國內(nèi)對于該方面的研究雖然相對較晚，但發(fā)展較為迅速，以尾氣排放的監(jiān)測為例，主流的新型車輛基本都已安裝車載自診斷系統(tǒng)[5]，精確地判定汽車尾氣是否超標(biāo)。車載自診斷系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展至第三代，已經(jīng)集成了 GPS 定位技術(shù)[6]、網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)和信號診斷技術(shù)等，但全功能模塊的成本較高。

為進(jìn)一步提升汽車自診斷系統(tǒng)的性價比，本文提出一種車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可通過車輛行駛狀態(tài)、位置數(shù)據(jù)、軌跡參數(shù)以及故障分析等功能預(yù)測汽車行駛過程中的存在的安全隱患。此外，通過系統(tǒng)的拓展和延續(xù)，可有助于駕駛員的身心健康狀態(tài)，提升駕駛體現(xiàn)，確保汽車安全行駛，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車輛監(jiān)測方面的應(yīng)用提供一定的研究價值。

1 總體設(shè)計方案

1.1 功能設(shè)計

為彌補汽車自診斷系統(tǒng)的一些不足，設(shè)定車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要有以下功能。

（1） 狀態(tài)信息采集與傳輸

可滿足不同車輛之間的快速通訊，當(dāng)出現(xiàn)狀態(tài)異常時，可快速實現(xiàn)救援;車輛信息采集時具有獨立識別功能，包括車主身份識別和車輛信息識別;具有故障診斷信息采集功能，可集中進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理;系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，數(shù)據(jù)處理服務(wù)功能和數(shù)據(jù)管理服務(wù)功能，如圖1所示;可實現(xiàn)行駛過程中車輛多個工作參數(shù)的實時監(jiān)測，包括位置信息等。

（2） 遠(yuǎn)程無線通信

根據(jù)系統(tǒng)被監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點可知，整體數(shù)據(jù)的容量相對較小，因此可采用常規(guī)的無線通訊模塊實現(xiàn)更高的性價比;無線通訊功能要求具有良好的覆蓋率和傳輸穩(wěn)定性，當(dāng)車輛位于偏遠(yuǎn)位置時，仍能夠建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。

（3） 監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理與反饋

車輛監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有良好可視化能力的終端，在終端快速地進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)接和存儲;具有云數(shù)據(jù)處理功能[7]，設(shè)計界面可視化效果良好。

（4） 硬件結(jié)構(gòu)的協(xié)同性設(shè)計

為確?？傮w硬件結(jié)構(gòu)具有良好的協(xié)同性，以 STM32系列單片機為基礎(chǔ)對嵌入式系統(tǒng)[8]進(jìn)行設(shè)計?；趩纹瑱C控制，將 CAN總線傳輸模塊、定位模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等進(jìn)行匹配性連接。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊支持云端交互，車輛信息被數(shù)字化后可直接用于反饋。

1.2 通訊方案設(shè)計

車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)最重要的通訊內(nèi)容之一為系統(tǒng)終端與云端之間數(shù)據(jù)的快速交互。根據(jù)功能設(shè)計，系統(tǒng)采用TCP 連接方案，即數(shù)據(jù)傳輸采用字節(jié)流為媒介，其通訊協(xié)議層以及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。采用該種通訊方式，可針對數(shù)據(jù)包的大小不同進(jìn)行相應(yīng)的合并與緩存處理。若實現(xiàn)系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，清晰明確的通訊協(xié)議是必不可少的，否則容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失、分包，甚至亂碼。為此，本文設(shè)計的通訊協(xié)議包括以下核心技術(shù)內(nèi)容。

（1） 數(shù)據(jù)首尾校驗

當(dāng)云端服務(wù)器接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容時，首先對字節(jié)內(nèi)的幀頭與幀尾進(jìn)行判定。其中，幀頭的辨別主要用于判定數(shù)據(jù)包是否為重復(fù)數(shù)據(jù)，幀尾的辨別主要用于判定整個數(shù)據(jù)包是否有丟包。

（2） 數(shù)據(jù)分區(qū)與解析

由于車輛狀態(tài)信息的種類和標(biāo)記方式有多種，因此，需要對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)處理，處理后以標(biāo)記位的形式進(jìn)行解析。針對不同數(shù)據(jù)的大小或域長度，增加對應(yīng)的解析指示標(biāo)，提高數(shù)據(jù)的解析與識別效率。

（3） 多端服務(wù)優(yōu)先級

由于系統(tǒng)適用于多個終端，因此需要設(shè)定不同終端服務(wù)器的編號，以確定優(yōu)先級，實現(xiàn)高效管理。在通訊時，首先判定設(shè)備編號和終端編號，當(dāng)處于在線狀態(tài)時，根據(jù)匹配信息分配數(shù)據(jù)。然后，各個終端依次解析數(shù)據(jù)信息，形成新的編號后進(jìn)行各個終端的交互。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件功能分析

根據(jù)車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的需求和功能設(shè)計特點，確定硬件的關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容為數(shù)據(jù)采集與信號遠(yuǎn)程傳輸。具體分析，硬件應(yīng)具備以下基本功能。

（1） 與車輛自診斷系統(tǒng)之間具有良好的互換性，接口的通用性和匹配性一致，與車輛本身集成的 ECU系統(tǒng)建立無縫連接，對于數(shù)據(jù)的交互具有顯著的實時性和準(zhǔn)確性;與車輛自身集成系統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)（車輛基本信息、故障記錄、動態(tài)軌跡等）進(jìn)行對比，得出相關(guān)數(shù)據(jù)后直接進(jìn)行解析和傳輸，基于 CAN總線連接各個功能模塊及控制器單元。

（2） 遠(yuǎn)程傳輸過程中，實時進(jìn)行車輛的位置信息跟蹤，優(yōu)選北斗定位模塊不斷更新數(shù)據(jù)，以確保高效、精確和可靠性;無線通訊采用 GPRS方式，基于5G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[9]，兼容4G與3G信號，具有傳輸效率高、信號能力強、性價比高等特點，在信號覆蓋較弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)也可以建立穩(wěn)定的連接。

（3） 硬件進(jìn)行集成化設(shè)計，優(yōu)化當(dāng)前的硬件結(jié)構(gòu)，減小總體尺寸;與車輛自診斷系統(tǒng)的連接考慮電源供電的集成性和穩(wěn)定性，減少電壓轉(zhuǎn)換的等級，盡量采用統(tǒng)一的電源電壓幅值。

2.2 供電模塊設(shè)計

一般情況下，多數(shù)車輛的蓄電池供電電壓為12～24 V ，由于各個電氣控制模塊的額定電壓不同，因此需要對電壓進(jìn)行降壓處理。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計，為確保供電電壓的穩(wěn)定性，選用 TPS 系列的穩(wěn)壓器，其接線電路如圖3所示。該類型的穩(wěn)壓器可實現(xiàn)高達(dá)60 V 的電壓調(diào)節(jié)，能夠穩(wěn)定地輸出5 V 電壓，為通訊模塊等提供動力源。

2.3 CAN總線傳輸電路設(shè)計

CAN總線通訊具有非常高的穩(wěn)定性和可靠性，該模塊主要由控制單元和發(fā)送/接收單元組成。CAN控制單元的接線電路如圖4所示，具有嚴(yán)格的信號控制標(biāo)準(zhǔn)，用于處理總線數(shù)據(jù)，并將其以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式或編碼形式與發(fā)送/接收單元進(jìn)行交互。若控制單元檢測出數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼或者丟包問題，將直接反饋至上位機。發(fā)送/接收單元主要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，即模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，并基于 CAN 總線形式完成信號/數(shù)據(jù)傳輸。此外，發(fā)送/接收單元可直接接收總線數(shù)據(jù)，有效地提升了控制器與總線之間的通訊效率。為提升控制器的共組效果，將其與主控制器協(xié)同運行，部分功能直接引用主單片機。

CAN 總線模塊自帶的控制器也具有良好的通訊能力，有效地支持 CAN 2.0通訊協(xié)議，波特率較高，可進(jìn)行觸發(fā)性通訊?？刂破骶哂?個先進(jìn)先出存儲器，可執(zhí)行主動模式，適應(yīng)不同的功能條件。在接線電路控制下，可直接基于數(shù)據(jù)線實現(xiàn)控制器的工作模式切換，能夠有效地簡化硬件電路，增強系統(tǒng)的可靠性。

2.4 定位模塊設(shè)計

在 GPS定位模塊設(shè)計方面，系統(tǒng)采用雙模塊匹配方式實現(xiàn)車輛的精準(zhǔn)定位。選用國內(nèi)北斗衛(wèi)星定位模塊 TG621S-BD 作為主控模塊，具有3.3 V 穩(wěn)壓串口，功耗較低，性價比非常高，兼容無線網(wǎng)絡(luò)通訊，其接線電路如圖5所示。定位模塊具有直連性，控制器內(nèi)的 RX 和 TX 引腳用于構(gòu)建通訊接口，穩(wěn)定性較高。

3 數(shù)據(jù)交互設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案

在軟件控制方案設(shè)計中，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計較為重要，為此，文中采用 MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行資源管理。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計要求數(shù)據(jù)的上傳與下載具有延續(xù)性，用戶可通過網(wǎng)頁獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源。MySQL 數(shù)據(jù)庫在程序設(shè)計方面具有顯著的優(yōu)勢，其交互界面友好，操作簡便，研發(fā)成本低，適用于車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

對于整體數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，系統(tǒng)將其劃分為3部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)交互方面，主要以 TCP形式建立網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)終端的指令反饋。數(shù)據(jù)庫最終將以數(shù)據(jù)表的形式進(jìn)行存儲，收發(fā)過程中嚴(yán)格遵照通訊協(xié)議，主要包括車輛狀態(tài)信息表、故障診斷表和駕駛數(shù)據(jù)表等。

3.2 交互過程分析

數(shù)據(jù)交互要求系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)便于查看和下載，因此，在進(jìn)行網(wǎng)頁開發(fā)時，選用技術(shù)成熟的 Java Web 方案[10]。數(shù)據(jù)交互設(shè)計中，以遠(yuǎn)程登錄為主要設(shè)計目標(biāo)，研發(fā)時基于模型-視圖-控制方式，如圖6所示，將整體軟件控制分為3個基本組成部分。為實現(xiàn)分布式操作，將軟件開發(fā)中的模型輸入、數(shù)據(jù)處理和模擬輸出等功能分別進(jìn)行編程，從而不會增加數(shù)據(jù)的多重耦合，簡化程序的繁瑣程度。模型輸入主要指數(shù)據(jù)表制備和上傳，數(shù)據(jù)處理是指業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的邏輯編寫和轉(zhuǎn)換，模擬輸出是指視圖輸出，即為用戶提供良好的交互界面和功能請求。

4 結(jié)束語

時代的進(jìn)步帶來更多的便利條件，車輛的數(shù)量逐年增長，但越來越多的汽車保有量給社會帶來較大的壓力，管理部門以及車主都希望能夠?qū)崟r掌握車輛信息，改善行車的安全性和穩(wěn)定性。根據(jù)用戶對車輛自身信息和位置信息的需求，本文設(shè)計的車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可有效地補充車輛自診斷系統(tǒng)的基本功能，通過硬件設(shè)計，提升系統(tǒng)的性價比。云端技術(shù)給用戶帶來巨大的方便，可在云服務(wù)器中完成車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與管理，大大提升了系統(tǒng)的性能。

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第一作者簡介：張彬（1987-），男，山東棗莊人，碩士，講師，研究領(lǐng)域為機械工程，機電一體化等。

（編輯：王智圣）