一種車聯(lián)網(wǎng)智能終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 娟，劉豪睿

（1.德州學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，山東 德州 253023；2.德州學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，山東 德州 253023）

0 引 言

車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)分支，其目的是提供移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，為供應(yīng)鏈服務(wù)商、車企、保險(xiǎn)公司和4S店等提供數(shù)據(jù)源[1]。車聯(lián)網(wǎng)智能終端系統(tǒng)主要由OBD數(shù)據(jù)硬件和服務(wù)器程序部署組成[2]。該硬件平臺(tái)主要由OBD模擬器、OBD診斷系統(tǒng)（開發(fā)板）和4G串口傳輸模塊組成。該平臺(tái)可以由現(xiàn)有通用開發(fā)模塊組成。通用開發(fā)模塊的優(yōu)點(diǎn)是模塊性能單一，有助于開發(fā)者對(duì)其功能的理解，其缺點(diǎn)是體積較大，便攜性較差。該平臺(tái)也可由集成電路板構(gòu)成，即將4G通信模塊集成于開發(fā)板上，其優(yōu)點(diǎn)是體積較小，便攜性較好[3-6]。本文使用通用開發(fā)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，服務(wù)器程序由Windows Service程序、SQL Server數(shù)據(jù)庫和ASP.NET程序3部分組成，測試環(huán)境為騰訊云服務(wù)器+SQL Server Express 2017。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

圖1為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框架圖。該系統(tǒng)由主控板、串口GPRS模塊、服務(wù)器程序和OBD協(xié)議分析組成。系統(tǒng)中由OBD模擬器（或?qū)嵻囯娔X）發(fā)送數(shù)據(jù)給主控板，主控板將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)整理為485數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口GPRS模塊發(fā)送TCP數(shù)據(jù)。服務(wù)器中的Windows Service 程序負(fù)責(zé)接收來自開發(fā)板的TCP數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于SQL Server 數(shù)據(jù)庫中。SQL Server 數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫文件和表格，存儲(chǔ)來自開發(fā)板的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和記錄歷史數(shù)據(jù)。ASP.NET程序是Web程序，部署于IIS服務(wù)器中，作為顯示網(wǎng)站。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 方案平臺(tái)主控板開發(fā)說明

STM32F103ZET6擁有的資源包括：64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口以及112個(gè)通用I/O口。圖2為開發(fā)板資源圖。原理圖設(shè)計(jì)時(shí)把STM32F103ZETT6芯片分成兩個(gè)部分：一個(gè)部分是通用引腳（GPIO），見圖2；還有一部分是電源引腳屬于電源模塊部分[7-8]。

圖2 開發(fā)板資源圖

為連接更多的外部模塊，STM32F103芯片部分引腳是有雙重功能的，部分雙重功能使用跳線帽選擇實(shí)現(xiàn)，這特點(diǎn)在編寫程序需要注意，特別是把SWD接口功能引腳做為模塊功能引腳時(shí)需要注意關(guān)閉芯片的JTAG和SWD功能。

STM32F103集成多個(gè)通信接口，包括5個(gè)UART、CAN通信等。開發(fā)板充分利用STM32F103性能，集成了多種形式的通信方法，包括RS 232串口通信、RS 485通信、CAN通信、紅外接收解碼、WiFi通信、2.4G無線通信、藍(lán)牙通信等，并擴(kuò)展了GSM（電話短信）模塊和GPS模塊。RS 232和RS 485在設(shè)備應(yīng)用中非常普遍，開發(fā)板提供1路RS 232（DB9連接器）和1路RS 485接口。

3 RS 485串口GPRS模塊實(shí)驗(yàn)說明

串口GPRS模塊共有4種工作模式：網(wǎng)絡(luò)透傳模式、HTTPD模式、短信透傳模式和UDC模式。串口模塊原理圖如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)透傳模式下，用戶的串口設(shè)備可以通過本模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)上指定的服務(wù)器，示意圖如圖4所示。模塊也可以接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)至串口設(shè)備[9-12]。

圖3 串口GPRS模塊

圖4 網(wǎng)絡(luò)透傳模式

完成設(shè)置后，待模塊啟動(dòng)后，等待模塊連接到網(wǎng)絡(luò)后向模塊的串口發(fā)送數(shù)據(jù)，模塊會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送至的測試服務(wù)器121.4.170.27上。從服務(wù)器端向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，模塊接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至串口端。

4 開發(fā)板定義OBD數(shù)據(jù)流

在Web顯示界面上，乘用車和商用車的數(shù)據(jù)流分別為ISO15031-5和SAE1939-71.這些協(xié)議定義的數(shù)據(jù)流分別有一百多項(xiàng)和幾百項(xiàng)，為了正確顯示，需要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行規(guī)定。數(shù)據(jù)流通常一頁顯示不到10項(xiàng)數(shù)據(jù)流，這樣不到10項(xiàng)的內(nèi)容更新間隔只有2 s。OBD診斷協(xié)議，按照?qǐng)?zhí)行程度以及定義的完整性分成了4類：

第一類：執(zhí)行程度最高，有完整的物理層到應(yīng)用層定義，且乘用車不執(zhí)行這類協(xié)議不允許銷售，它們是排放協(xié)議（Emission-Related）。

第二類：只在大部分商用車和農(nóng)用機(jī)械上使用，執(zhí)行程度不算高，有完整的物理層到應(yīng)用層定義，但是應(yīng)用層并不強(qiáng)制執(zhí)行，車廠可以根據(jù)自己實(shí)際情況定義自己的應(yīng)用層。

第三類：不管乘用車還是商用車都有用這個(gè)協(xié)議，定義完整物理層到會(huì)話層，但是最上層的應(yīng)用層只定義了一部分，并且定義的這部分還允許車廠選擇執(zhí)行。這就是UDS協(xié)議，即 “統(tǒng)一診斷服務(wù)協(xié)議”。協(xié)議名稱為ISO14229。

第四類：物理層到會(huì)話層，基本按照相關(guān)ISO或者SAE定義進(jìn)行，但是應(yīng)用層完全車廠自行定義。

5 服務(wù)器程序

服務(wù)器程序由3部分組成，分別是Windows Service程序、SQL Server數(shù)據(jù)庫和 ASP.NET 程序。Windows Service程序負(fù)責(zé)接收來自開發(fā)板和RS 485串口GPRS模塊的TCP數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于SQL Server數(shù)據(jù)庫中。SQL Server 數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫文件和表格，存儲(chǔ)來自開發(fā)板和RS 485串口GPRS模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和記錄歷史數(shù)據(jù)。ASP.NET程序是一個(gè)Web程序，部署于IIS服務(wù)器中，作為顯示網(wǎng)站。

6 OBD模擬器

OBD模擬器是可仿真SAEJ1939商用車協(xié)議，包括故障碼、數(shù)據(jù)流、版本信息車架號(hào)等。標(biāo)配程序執(zhí)行應(yīng)用層協(xié)議SAEJ1939-71。由于很多整車廠并不按照SAE組織的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議執(zhí)行，而是添加了自定義協(xié)議。OBD硬件如圖5所示。

圖5 OBD一覽圖

圖5中：A為OBD母口，是OBD通信接口；B為白色4pin端子，其為SWD燒寫端口；C為DC端子，是電源輸入端子，可接入24 V和12 V電源適配器；D為電源開關(guān)，圖中所示為打開狀態(tài)；E為USB D口，其通過USB配線連接計(jì)算機(jī)。

本設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)智能終端測試頁面如圖6所示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以通過改變OBD模擬器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)商用車和乘用車的協(xié)議轉(zhuǎn)換。測試網(wǎng)址為http：//121.4.170.27/login.aspx，賬號(hào)及密碼為dzu，123456。

圖6 網(wǎng)頁測試頁面

7 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)智能終端系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為核心控制器，OBD模擬器和串口GPRS模塊作為數(shù)據(jù)的輸入與輸出，并通過Windows Service程序，SQL Server數(shù)據(jù)庫和 ASP.NET 程序組成的服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁頁面的處理。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分具有良好的協(xié)調(diào)性，支持多種診斷協(xié)議，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸具有良好實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。