基于LabVIEW的汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仿真開發(fā)

張洪華，張小珍

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350008）

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)得以高速發(fā)展，已然成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。汽車的出現(xiàn)，極大的便利了人們的出行，但其安全問題也一直是國(guó)家、社會(huì)和國(guó)民所密切關(guān)注的現(xiàn)實(shí)問題。

對(duì)汽車安全的研究主要在主動(dòng)安全[1]和被動(dòng)安全[2]，分別從避免發(fā)生安全事故到發(fā)生安全事故后減輕事故后果兩方面考慮。

目前在汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究，如對(duì)新能源汽車鋰電池組溫度狀態(tài)進(jìn)行在線測(cè)試[3]；基于CAN總線的汽車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集研究[4]等。對(duì)汽車狀態(tài)的多參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的研究還較少，在此背景下，為響應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，故障預(yù)測(cè)及診斷、健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)等算法的不斷深入研究背景下開展基于虛擬儀器技術(shù)的汽車多狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯得很有意義。基于此基礎(chǔ)可以開展一系列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)汽車健康狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)與診斷等重要研究。

研究了一種基于虛擬儀器技術(shù)的汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能將車輛安全息息相關(guān)的胎壓、胎溫、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、尾氣等參數(shù)進(jìn)行全仿真生成并在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，利用LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)的監(jiān)測(cè)界面直觀生動(dòng)，易于操作。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)影響汽車健康狀態(tài)的評(píng)估參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)。影響汽車健康狀態(tài)的評(píng)估參數(shù)很多，本項(xiàng)目開發(fā)的系統(tǒng)旨在對(duì)汽車原有安全系統(tǒng)作一個(gè)補(bǔ)充，所以選取未在汽車本身電腦系統(tǒng)所普遍監(jiān)測(cè)且重要的參數(shù)，如各輪胎的胎壓、胎溫，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，尾氣參數(shù)作為本系統(tǒng)的主要在線監(jiān)測(cè)對(duì)象（依所監(jiān)測(cè)車輛實(shí)際情況與監(jiān)測(cè)目的需求不同，本系統(tǒng)可以靈活增加或減少監(jiān)測(cè)參數(shù)）。

由于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)象為隨時(shí)可能移動(dòng)的汽車，所以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸方式宜選用不受連接對(duì)象位置限制的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸；系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)終端要能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)汽車各項(xiàng)參數(shù)的狀態(tài)，以方便相關(guān)人員實(shí)時(shí)查看；系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)高效、直觀，系統(tǒng)應(yīng)具備安全性、穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性。

汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將汽車尾氣、胎溫、胎壓、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過無(wú)線網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接入、存儲(chǔ)和處理等加工，再傳輸至功能服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警，用戶系統(tǒng)是支撐用戶接入監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警服務(wù)的接口系統(tǒng)，主要為企業(yè)用戶，根據(jù)需要可增加政府監(jiān)管用戶。

圖1 汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的選擇與仿真生成

主要提出了一種對(duì)汽車參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警的系統(tǒng)，作為對(duì)現(xiàn)有汽車安全的一種補(bǔ)充。

汽車自身系統(tǒng)對(duì)各種重要參數(shù)進(jìn)行著監(jiān)測(cè)，其主要通過儀表板上的指示燈來(lái)顯示，最常見的如發(fā)動(dòng)機(jī)故障、機(jī)油不足或壓力過低、電瓶（蓄電池）及發(fā)電系統(tǒng)故障、ABS（防抱死）系統(tǒng)故障、制動(dòng)系統(tǒng)故障、安全帶是否系好、燃油不足、后尾箱蓋打開、引擎蓋打開、安全氣囊狀態(tài)、車門未關(guān)閉等。但是目前很多車輛還未配置各輪胎的溫度和壓力監(jiān)測(cè)，基本上所有車輛均未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和尾氣成分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。輪胎溫度和壓力對(duì)車輛的安全行駛至關(guān)重要，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在高速公路發(fā)生的交通事故中，由于輪胎原因引起的事故占45%以上，因輪胎原因?qū)е轮型緬佸^的占84.8%[5]。輪胎氣壓越高，其側(cè)偏剛度也愈大，輪胎氣壓要與車輛負(fù)荷相適應(yīng)，與胎溫適應(yīng)，輪胎氣壓對(duì)輪胎壽命有著重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，其部件眾多，由于各種因素疊加，其故障幾率很大，汽車自身系統(tǒng)已有其故障檢測(cè)與報(bào)警，但發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)可以由其工作中的振動(dòng)規(guī)律來(lái)體現(xiàn)，如果能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)集中監(jiān)測(cè)[6]，通過對(duì)其波形、幅值或頻譜分析，可以及早的發(fā)現(xiàn)其異常，在故障發(fā)生之前進(jìn)行檢修排除。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其運(yùn)行參數(shù)的變化很多都會(huì)通過對(duì)燃燒的影響直接反映在尾氣上[7]，所以通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的診斷。

基于以上分析，為了對(duì)車輛原有安全系統(tǒng)進(jìn)行有效補(bǔ)充，選取胎壓、胎溫、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、尾氣參數(shù)作為本開發(fā)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“參數(shù)數(shù)據(jù)生成器”實(shí)現(xiàn)對(duì)胎壓、胎溫、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、尾氣參數(shù)的模擬，主要有以下幾點(diǎn)理由：一是對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證監(jiān)測(cè)的可行性與監(jiān)測(cè)效果，可提高開發(fā)效率和減少開發(fā)成本；二是車輛一般處于安全、穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)際尾氣、胎壓、胎溫、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等參數(shù)異常情況很少發(fā)生且變化較小，這就給系統(tǒng)的異常情況監(jiān)測(cè)及全幅度變化的監(jiān)測(cè)效果檢測(cè)帶來(lái)很大的難度，但模擬數(shù)據(jù)可模擬出所有情況下的傳感數(shù)值且可調(diào)整變化幅度，很適合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的嚴(yán)酷測(cè)試。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)

通過選用合適的軟件，依據(jù)各參數(shù)特點(diǎn)編寫“參數(shù)數(shù)據(jù)生成器”，編寫狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序和歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)程序并進(jìn)行最終的調(diào)試，是本系統(tǒng)的核心。

4.1 需實(shí)現(xiàn)功能

汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備傳感數(shù)據(jù)采集，各參數(shù)閾值的設(shè)定以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和后續(xù)歷史數(shù)據(jù)查看的功能。

（1）傳感數(shù)據(jù)采集

在正式投入使用的情況下，系統(tǒng)應(yīng)可通過用戶系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的相應(yīng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，并將相應(yīng)傳感數(shù)據(jù)直觀顯示于狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)人員可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）閾值設(shè)定

有權(quán)限的監(jiān)測(cè)或管理人員可根據(jù)監(jiān)測(cè)要求設(shè)置不同參數(shù)的閾值，當(dāng)采集的相應(yīng)參數(shù)值超出設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)閾值報(bào)警，將異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。

（3）存儲(chǔ)與歷史數(shù)據(jù)查看

汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能將采集的數(shù)據(jù)信息捆綁時(shí)間信息進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，生成本地或云端數(shù)據(jù)文件，監(jiān)測(cè)人員通過本系統(tǒng)端便捷操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀查詢，可實(shí)現(xiàn)溯源分析以及后續(xù)的數(shù)據(jù)開發(fā)運(yùn)用。

4.2 開發(fā)環(huán)境選擇

LabVIEW目前被廣泛運(yùn)用于科研實(shí)驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[8]。LabVIEW可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的自行建立。利用它進(jìn)行原理研究、開發(fā)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)，可以極大地提高工作效率。基于LabVIEW在數(shù)據(jù)采集方面還具有很大的優(yōu)勢(shì)，本課題采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)的顯示這3部分的功能進(jìn)行汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的軟件開發(fā)。

5 仿真實(shí)例分析

5.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的愈加重視，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)也在提高，現(xiàn)行的國(guó)六汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、CO和懸浮顆粒等機(jī)動(dòng)車排放物的限制更為嚴(yán)苛。另外，通過汽車尾氣中的CO、碳?xì)浠衔?、O2、CO2等氣體的含量及變化，可以知道該汽車的相應(yīng)狀態(tài)及對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。一個(gè)調(diào)整好的閉環(huán)控制電控汽車的尾氣排放中[9]，CO應(yīng)低于0.5%，碳?xì)浠衔锏暮看蠹s為55~100ppm，O2的濃度應(yīng)該是1.0%~2.0%，CO2為13.8%~15.0%，依據(jù)這些要求，通過軟件設(shè)置友好的人機(jī)界面，有權(quán)限人員通過人機(jī)界面中的各參數(shù)閾值設(shè)定窗口即可方便進(jìn)行查看和設(shè)置。根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)了可供調(diào)用的汽車尾氣數(shù)據(jù)生成子程序，如圖2所示。胎壓、胎溫和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)生成子程序原理與此類似。

圖2 汽車尾氣數(shù)據(jù)生成子程序

對(duì)每種氣體根據(jù)閾值分別通過邏輯運(yùn)算設(shè)計(jì)得到1個(gè)通道的仿真數(shù)據(jù)，其仿真數(shù)據(jù)為隨機(jī)值，且大多在正常值范圍內(nèi)，通過適當(dāng)調(diào)整邏輯運(yùn)算可方便調(diào)整超閾值數(shù)字的大小及比例，以利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試。利用LabVIEW中子VI的形式，對(duì)每種“參數(shù)數(shù)據(jù)生成器”進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)，通過其前面板的顯示控件可以很容易的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)生成情況，在監(jiān)測(cè)程序中只需調(diào)用這些子VI即可。

5.2 汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)及效果

“數(shù)據(jù)生成器”子程序生成仿真數(shù)據(jù)，作為輸入端為主程序提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源，系統(tǒng)將帶時(shí)間戳的各參數(shù)通過不同波形圖表進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

通過“數(shù)組插入”將模擬數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間信息進(jìn)行捆綁，以電子表格形式寫入，通過目錄控件選擇存儲(chǔ)目錄及文件，最終實(shí)現(xiàn)帶時(shí)間信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。汽車尾氣監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)程序如圖3所示，其余參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)程序與此類似。

圖3 汽車尾氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序

在背板進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，在前面板中進(jìn)行顯示控件的設(shè)置和調(diào)整。為了將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)顯示界面和歷史數(shù)據(jù)界面在同一界面進(jìn)行較為合理的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)利用顯示卡控件，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)面板與歷史數(shù)據(jù)面板布置在不同頁(yè)面，通過切換顯示卡操作，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同界面的切換。其各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面如圖4所示（家用小車胎溫上、下限分別設(shè)為80℃和-5℃；胎壓上、下限分別設(shè)為0.28MPa和0.18MPa；發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的正常范圍數(shù)據(jù)主要依據(jù)該車輛平時(shí)使用時(shí)的正常范圍，在此系統(tǒng)先依據(jù)ISO2372中Ⅰ類A級(jí)，暫取上限值為0.71mm/s；尾氣中監(jiān)測(cè)類別及閾值設(shè)定按上文中要求進(jìn)行設(shè)定，有相應(yīng)權(quán)限人員可通過圖4右側(cè)界面對(duì)各參數(shù)上下限值進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置）。其監(jiān)測(cè)界面左側(cè)將所有參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，右側(cè)為系統(tǒng)存儲(chǔ)目錄、當(dāng)前實(shí)時(shí)值、報(bào)警情況、閾值設(shè)置等界面。

圖4 各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面

通過波形圖來(lái)呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，通過右側(cè)實(shí)時(shí)界面可直觀看到當(dāng)前各項(xiàng)監(jiān)測(cè)值與對(duì)應(yīng)的閾值，超閾值時(shí)閾值報(bào)警燈會(huì)亮起以提醒監(jiān)測(cè)人員注意。如測(cè)試數(shù)據(jù)尾氣中的CO2含量為13.45%，而正常值為13.8%~15%，系統(tǒng)觸發(fā)閾值警報(bào)，尾氣操作與顯示界面如圖5所示。

圖5 尾氣操作與顯示界面

5.3 歷史數(shù)據(jù)顯示

歷史數(shù)據(jù)界面與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)布局一致，分別顯示帶時(shí)間的胎溫、胎壓、各尾氣、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)等信息，如圖6所示。通過垂直滾動(dòng)條或鼠標(biāo)滾輪即可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的靈活查閱。

圖6 各參數(shù)歷史數(shù)據(jù)界面

6 結(jié)束語(yǔ)

研究了一種基于虛擬儀器的汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過程序生成了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能將數(shù)據(jù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的展現(xiàn)，各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線與當(dāng)前數(shù)值及歷史數(shù)值一一對(duì)應(yīng)。對(duì)超閾值時(shí)的異常情況也能通過監(jiān)測(cè)界面的閾值報(bào)警進(jìn)行及時(shí)的呈現(xiàn)。為后續(xù)的汽車安全研究（故障預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估等）提供了一種思路。