基于中移物聯(lián)網(wǎng)4G模組的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊寶男，劉金東，楊 兵

(西京學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710123)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量迅速增加，現(xiàn)代汽車技術(shù)的升級(jí)已經(jīng)進(jìn)入“車聯(lián)網(wǎng)”的智能時(shí)代，也就是將車輛融入物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，使車輛的使用更安全、更經(jīng)濟(jì)、更穩(wěn)定、更可靠[1-2]。當(dāng)車輛性能下降和有故障出現(xiàn)時(shí)就需要及時(shí)、快速、可靠地恢復(fù)和排除，由于車輛技術(shù)先進(jìn)和配置高檔，給維修技師帶來(lái)了較大困難[3]，因此需要在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中應(yīng)用車載智能終端診斷系統(tǒng)。

隨著遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的發(fā)展，車輛智能終端診斷系統(tǒng)接口與移動(dòng)App相結(jié)合的模式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)在智能聯(lián)網(wǎng)車輛中的應(yīng)用相對(duì)較少。通過(guò)移動(dòng)終端讀取車輛運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的故障云診斷，以較低的成本實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)智能聯(lián)網(wǎng)車輛的功能，降低智能聯(lián)網(wǎng)車輛的開(kāi)發(fā)成本，為智能聯(lián)網(wǎng)車輛的設(shè)計(jì)提供新的角度。

針對(duì)目前車輛在車輛狀態(tài)診斷等方面存在的不足，設(shè)計(jì)了一款具有車輛故障診斷、在線升級(jí)、定位等功能的車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3部分：車載終端、移動(dòng)App和云服務(wù)器。構(gòu)建了車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了車輛終端的總體框架。移動(dòng)App使用MQTT協(xié)議與車載終端和云服務(wù)器傳輸信息，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)文件，通過(guò)CAN總線升級(jí)第三方設(shè)備。

1 基于中移物聯(lián)網(wǎng)4G模組的車載智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)包括3部分：車載終端、移動(dòng)App和云服務(wù)器。車載設(shè)備由4G通信卡板與傳感器信息采集板卡組成，兩張板卡通過(guò)CAN協(xié)議進(jìn)行通信，這樣的設(shè)計(jì)是為了提供更大的兼容性，設(shè)計(jì)單獨(dú)的4G通信板卡可以通過(guò)CAN 給更多的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，每個(gè)車載終端都安裝物聯(lián)網(wǎng)卡，可以通過(guò)4G通信進(jìn)行車輛的相關(guān)參數(shù)傳輸，也可以在車輛更換了傳感器，缺少新傳感器的驅(qū)動(dòng)程序無(wú)法對(duì)新傳感器進(jìn)行識(shí)別時(shí)，把更新的固件程序掛載在云服務(wù)器上。通過(guò)App發(fā)送的相關(guān)指令對(duì)新的固件程序進(jìn)行在線燒寫(xiě)，并具有GPS定位的功能。當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)，車載終端負(fù)責(zé)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)向云服務(wù)器發(fā)送車輛位置信息、車輛故障信息等。云服務(wù)器負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。車主需要在自己的智能手機(jī)上安裝終端助手軟件，這樣就可以“形影不離”，隨時(shí)隨地監(jiān)控車輛狀態(tài)。

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

2 關(guān)鍵原理分析

2.1 CAN通信原理

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)[4]，它由BOSCH公司開(kāi)發(fā)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。近年來(lái)，因其具有高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)及振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

與具有時(shí)鐘信號(hào)的同步通信方式，如I2C，SPI等不同，CAN通信是一種僅使用CAN_High和CAN_Low信號(hào)線的異步通信，它們共同構(gòu)成一組差分信號(hào)線，以差分信號(hào)的形式進(jìn)行通信。

CAN物理層的形式主要有兩種，本文選用的CAN通信網(wǎng)絡(luò)是一種遵循ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的高速、短距離“閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)”，它的總線最大長(zhǎng)度為40 m，通信速度最高為1 Mbps，總線的每一端都需要一個(gè)120 Ω的電阻。

2.2 4G模組工作原理

4G物聯(lián)網(wǎng)模塊是將硬件配置加載到特定頻段，軟件適用于標(biāo)準(zhǔn)LTE協(xié)議，硬件軟件高寬比集成化模組化的一種商品的通稱。它具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)帶寬寬、通信方便等特點(diǎn)。硬件配置將射頻和基帶芯片集成在一塊PCB板上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中基帶信號(hào)的接收、發(fā)送和解決。4G物聯(lián)網(wǎng)模塊通過(guò)高速連接網(wǎng)絡(luò)將所有終端設(shè)備和機(jī)器設(shè)備運(yùn)行的業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)流程管理中心，按照管理方法監(jiān)控管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控智能終端的運(yùn)行情況，能夠及時(shí)檢查機(jī)器設(shè)備的常見(jiàn)故障。從運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)營(yíng)規(guī)模、服務(wù)項(xiàng)目及時(shí)性等方面提高效率。

3 軟件設(shè)計(jì)與流程

3.1 App程序設(shè)計(jì)

App背后的邏輯完全由Appinventor[5]編寫(xiě)，其程序流程如圖2所示，在程序編寫(xiě)過(guò)程中需要注意，在切換屏幕的時(shí)候MQTT客戶端會(huì)跟百度云服務(wù)器斷開(kāi)。

這是因?yàn)槊總€(gè)屏幕的MQTT控件的客戶端標(biāo)識(shí)一致，修改后恢復(fù)正常。為了避免整個(gè)程序一直在查詢是否有客戶端斷開(kāi)，造成系統(tǒng)響應(yīng)卡死，此時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)后臺(tái)線程來(lái)監(jiān)控服務(wù)器連接情況。

連接到服務(wù)器后，App需要訂閱相關(guān)主題才能接收到數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)有3個(gè)主題，分別是下位機(jī)用來(lái)上傳數(shù)據(jù)，App發(fā)布升級(jí)請(qǐng)求，下位機(jī)用來(lái)發(fā)布升級(jí)完成的信息。

在使用高德地圖定位時(shí)，當(dāng)服務(wù)器接收到NEMA格式的GPS數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)處理成高德地圖能識(shí)別的格式才能調(diào)用高德API接口函數(shù)。在高德地圖API的使用過(guò)程中，高德開(kāi)發(fā)者控制臺(tái)需要對(duì)應(yīng)用的SHA1碼和應(yīng)用包進(jìn)行填寫(xiě)，否則應(yīng)用無(wú)法使用。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 通信板卡程序設(shè)計(jì)

(1)通信板卡的數(shù)據(jù)通信程序。

另一方面,“一帶一路”背景下的高等教育國(guó)際化發(fā)展又面臨著一些新的問(wèn)題。如需進(jìn)一步深化課程教學(xué)的改革，將國(guó)際意識(shí)和能力的強(qiáng)化滲透到課程教學(xué)與科研當(dāng)中，將“一帶一路”國(guó)家和地區(qū)的有關(guān)情況作為應(yīng)用情景，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)和能力去分析和處理國(guó)際事務(wù)的能力。又如建立國(guó)際化的師資隊(duì)伍，引入國(guó)外師資力量，提升國(guó)內(nèi)教師的國(guó)際化視野等等。如何“吐故納新，中外結(jié)合”將會(huì)是我國(guó)高等教育改革的一大挑戰(zhàn)。

本次設(shè)計(jì)使用的是ML302 Cat.1模組中帶有定位功能的GNLM版本。使用衛(wèi)星定位和通信二合一模組，通常會(huì)比使用獨(dú)立的通信模組加衛(wèi)星定位模塊更加節(jié)省PCB的版面面積，減少電路的外圍元件。

本次連接服務(wù)器采用MQTT協(xié)議進(jìn)行連接。ML302內(nèi)置MQTT協(xié)議的適配，僅僅使用簡(jiǎn)單的AT指令就可完成與服務(wù)器之間的通信。模組首先要進(jìn)行開(kāi)機(jī)然后初始化配置。初始化完成后檢查SIM卡駐網(wǎng)情況等，與服務(wù)器之間的交互使用緩存模式。

當(dāng)服務(wù)器發(fā)布主題或者發(fā)送消息時(shí)，模組會(huì)有提示，檢測(cè)到相應(yīng)的提示后，通信板卡會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作或者任務(wù)。

通信板卡接收到CAN總線上傳輸過(guò)來(lái)的模擬數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。

下載是收到服務(wù)器的通知命令后，與服務(wù)器進(jìn)行一系列的握手認(rèn)證等操作，然后開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)下發(fā)和接收流程，升級(jí)包的內(nèi)容包含包頭、流水號(hào)、數(shù)據(jù)、單包CRC校驗(yàn)等，數(shù)據(jù)的大小為1 K。

(2)通信板卡的通過(guò)CAN的UDS。

通信板卡使用CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)ID進(jìn)行通信，每次通信傳輸為 8個(gè)字節(jié)。

通信板卡與數(shù)據(jù)板卡的信息交互：使用標(biāo)準(zhǔn) ID，每次傳輸 8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)0～255的范圍，一幀的報(bào)文數(shù)據(jù)就足夠本作品當(dāng)前演示的采集內(nèi)容交互。

通信板卡與數(shù)據(jù)板卡的刷寫(xiě)升級(jí)：參考UDS協(xié)議，使用0×10服務(wù)切換會(huì)話模式。使用0×27安全訪問(wèn)服務(wù)交換種子驗(yàn)證密鑰。使用0×34，0×36，0×37，0×31等服務(wù)完成請(qǐng)求下載、傳輸數(shù)據(jù)、請(qǐng)求傳輸退出。下載完所有字節(jié)后，用CRC校驗(yàn)本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。最后使用服?wù)0×11服務(wù)重啟完成升級(jí)。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集板卡程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集板卡的程序主要是對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其程序流程如圖3所示，通過(guò)數(shù)據(jù)采集板卡的STM32單片機(jī)的外部中斷對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行采集從而進(jìn)行計(jì)數(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板VCC接3.3 V，脈沖輸出的頻率為1 kHz左右，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)說(shuō)明書(shū)頻率除以4得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3 數(shù)據(jù)采集板卡程序流程

溫度傳感器DS18B20是通過(guò)1 wire協(xié)議進(jìn)行通信，且時(shí)序十分嚴(yán)格，由于溫度這種物理量變化緩慢，所以對(duì)DS18B20的讀取應(yīng)該有一定間隔，開(kāi)啟定時(shí)器對(duì)DS18B20間隔一定時(shí)間進(jìn)行讀取。

油量跟電壓的模擬是根據(jù)通過(guò)電位器，ADC對(duì)模擬的電量進(jìn)行采集，在做 ADC采集的時(shí)候應(yīng)該注意選擇采樣時(shí)間，如果采樣時(shí)間不合理，可能會(huì)產(chǎn)生較大的采樣誤差。ADC采樣需要給內(nèi)部電容較小的電容充電，當(dāng)外部阻抗(信號(hào)調(diào)理電路輸入到ADC引腳的輸出阻抗)較大時(shí)，電流相對(duì)較小，充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

根據(jù)實(shí)際判斷，ADC對(duì)電位器進(jìn)行采樣的周期最終選擇為55.5個(gè)周期。數(shù)據(jù)采集完成后，數(shù)據(jù)采集板通過(guò)CAN協(xié)議與通信板進(jìn)行通信。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送升級(jí)指令給數(shù)據(jù)采集板卡升級(jí)的時(shí)候，通信板卡下載數(shù)據(jù)板卡的升級(jí)包到flash，通信板卡向數(shù)據(jù)采集板卡發(fā)送相關(guān)命令，使數(shù)據(jù)板卡的MCU跳轉(zhuǎn)到提前分好的 BOOT區(qū)域，在BOOT區(qū)域的程序中通過(guò)CAN傳輸升級(jí)包的數(shù)據(jù)給單片機(jī)另外一塊新的flash區(qū)域，傳輸完畢后雙方會(huì)比對(duì)CRC的校驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)雙方的CRC校驗(yàn)結(jié)果均相等，說(shuō)明本次數(shù)據(jù)傳輸完整，可以進(jìn)行升級(jí)。

此時(shí)BOOT會(huì)清除需要升級(jí)的Flag標(biāo)志位，開(kāi)始將程序從存儲(chǔ)分區(qū)搬運(yùn)到啟動(dòng)分區(qū)，搬運(yùn)完成后BOOT會(huì)再次進(jìn)行CRC校驗(yàn)，確認(rèn)文件搬運(yùn)完整后會(huì)再次復(fù)位，此時(shí)BOOT會(huì)跳轉(zhuǎn)到新的程序運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能終端、云端與移動(dòng)用戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸與控制，具有應(yīng)用范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。該系統(tǒng)能有效地解決車輛故障無(wú)法及時(shí)處理的問(wèn)題，能有效地避免車輛故障造成的危害，讓車主更直接地了解車輛情況。