汪玲燕 程耕國,2 鮑考明 程 驊 彭攀來

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1,湖北 武漢 430081;武漢科技大學(xué)冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心2,湖北 武漢 430081)

OBD物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)

汪玲燕1程耕國1,2鮑考明1程 驊1彭攀來1

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1,湖北 武漢 430081;武漢科技大學(xué)冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心2,湖北 武漢 430081)

車載診斷系統(tǒng)(OBD)在汽車領(lǐng)域越來越普及，目前市場上針對OBD的應(yīng)用也很廣泛。通過對新一代OBD的研究，提出并設(shè)計(jì)了一套基于OBD的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)OBD系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合RMI、GPRS和GPS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備與客戶端之間的遠(yuǎn)程通信與導(dǎo)航功能，再通過手機(jī)便捷的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)更智能。利用廣泛應(yīng)用的MVC和Hibernate技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的OBD系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)性能優(yōu)越、功能齊全、實(shí)用性強(qiáng)，能更好地結(jié)合設(shè)備服務(wù)，方便廣大車主，是物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)智能化發(fā)展的一大進(jìn)步，具有一定的市場前景。目前系統(tǒng)已投入到實(shí)際運(yùn)營當(dāng)中。

物聯(lián)網(wǎng) 自動控制系統(tǒng) 遠(yuǎn)程通信 智能化 車聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人們生活節(jié)奏的不斷加快，汽車慢慢地成為人們主要的代步工具。最初，車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostic,OBD)的誕生，是為了解決汽車尾氣排放而造成的大氣污染問題；現(xiàn)在，隨著科技的不斷進(jìn)步，OBD技術(shù)越來越成熟，經(jīng)過了一代、二代、乃至三代，已經(jīng)具備了故障診斷、實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)等一系列拓展功能[1]。而物聯(lián)網(wǎng)指的是利用互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)等各種通信技術(shù)把人和物聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物智能化管理的網(wǎng)絡(luò)[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的研究不斷成熟，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也逐漸增多。本系統(tǒng)就是在OBD的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將車載OBD系統(tǒng)與人交互、與網(wǎng)絡(luò)互連，實(shí)現(xiàn)車輛的監(jiān)控、維修、保養(yǎng)、遠(yuǎn)程控制等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的ITS(智能交通系統(tǒng))[3]。

近年來，隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的OBD系統(tǒng)和應(yīng)用層出不窮，但功能比較單一，大部分只局限于故障診斷這一方面，不能很好地與人交互。傳統(tǒng)的人機(jī)交互使用的是藍(lán)牙技術(shù)，如今，仍有不少系統(tǒng)使用藍(lán)牙技術(shù)，但藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互有個缺點(diǎn)，就是距離不能太遠(yuǎn)，這給使用者帶來了極大的不方便性。例如百合提努爾一文中使用的就是該技術(shù)[4]。意識到這點(diǎn)不足之后，本文研究了新一代OBD的特點(diǎn)，用物聯(lián)網(wǎng)的思維來思考問題，結(jié)合廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過GPRS和RMI技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線通信，設(shè)計(jì)了一種符合現(xiàn)代用戶使用習(xí)慣的OBD物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既結(jié)合了傳統(tǒng)系統(tǒng)的故障診斷功能，又與網(wǎng)絡(luò)互連、與人交互，初步實(shí)現(xiàn)了車輛智能化控制，是物聯(lián)網(wǎng)在車輛方面的一個很好的應(yīng)用[5]。這使得OBD的發(fā)展沒有局限于設(shè)備本身，反而提供了多元化的思路。車輛在未來將普及到家家戶戶，這樣的智能化控制系統(tǒng)給人們帶來了極大的便利。

1 OBD物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

OBD物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 OBD系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

從圖1可以看出，OBD終端安裝在車輛上，集合GPRS和GPS通信模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)，與網(wǎng)絡(luò)互連，實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時監(jiān)控和故障診斷；手機(jī)同樣通過無線網(wǎng)絡(luò)，與車交互，人通過手機(jī)客戶端來控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制。根據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將系統(tǒng)分為四個主要模塊，分別是車輛模塊、OBD設(shè)備模塊、用戶模塊和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊，如圖2所示。

圖2 OBD系統(tǒng)組成模塊

車輛模塊主要完成的是車輛的信息化登記與管理、與OBD設(shè)備的關(guān)聯(lián)以及硬件的準(zhǔn)備等功能，它是該系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。OBD設(shè)備模塊，集合了GPS和GPRS通信模塊，插上SIM卡，完成車輛的監(jiān)控、實(shí)時定位、故障檢測、上傳故障信息以及網(wǎng)絡(luò)互連等功能，它不僅是硬件基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互連的重要連接設(shè)備。用戶模塊包括應(yīng)用管理模塊，是對用戶的登記與管理以及向用戶提供各種各樣的增值服務(wù)，例如，語音導(dǎo)航、實(shí)時救援、車輛故障維修、消息提醒等更方便用戶的服務(wù)。它是該系統(tǒng)服務(wù)功能很好的體現(xiàn)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)模塊是將車輛信息、OBD信息以及監(jiān)測到的行車數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。當(dāng)出現(xiàn)問題時，專家根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以分析得出是車輛故障還是網(wǎng)絡(luò)故障，是否可以正常控制等故障[6]。這四個模塊既獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)分為硬件、手機(jī)和Web三大部分，本文從這幾個部分整體把握，重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

2 OBD物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件介紹

OBD物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是在OBD的基礎(chǔ)上控制車輛和監(jiān)控車輛，那么硬件基礎(chǔ)必定包含車輛和OBD設(shè)備。本系統(tǒng)采用的是DUOSEN的16PIN標(biāo)準(zhǔn)OBD。集合的GPRS模塊采用工業(yè)級無線模塊M660。GPS模塊采用NEO-6M模塊，外掛2 MB存儲器，可保存各項(xiàng)行車數(shù)據(jù)。OBD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 OBD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GPRS模塊主要采用工業(yè)級無線模塊M660，支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口，支持透明傳輸以及遠(yuǎn)程復(fù)位等功能，多重工作頻段可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)傳輸，滿足各種業(yè)務(wù)需求。GPS模塊采用U-BLOX NEO-6M模塊，平均熱啟動時間小于1 s，具有50通道，靈敏度高，定位誤差小，系統(tǒng)還可根據(jù)實(shí)際需求增加北斗模塊；傳感器采用ST公司的LIS3DH(x/y/z3軸傳感器)，支持2G/4G/8G/16G里程模式。這些模塊性能優(yōu)越、靈敏度高，因此，本系統(tǒng)采用它們來完成車輛位置的測量[1]。

3 OBD物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件介紹

3.1 協(xié)議的分類

設(shè)備終端與服務(wù)器之間的通信，是按照既定的協(xié)議，就像是通信的依據(jù)，彼此按照依據(jù)來發(fā)送信息。本系統(tǒng)在JT/T 808-2011的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體業(yè)務(wù)添加了相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并采用TCP或UDP的通信方式；當(dāng)通信鏈路出現(xiàn)異常時，設(shè)備終端還可以采用SMS方式進(jìn)行通信[11]。按照功能，本系統(tǒng)的協(xié)議可以分成十大類：終端管理類協(xié)議、位置報警類協(xié)議、信息類協(xié)議、電話類協(xié)議、車輛控制類協(xié)議、車輛管理類協(xié)議、信息采集類協(xié)議、多媒體類協(xié)議、通用數(shù)據(jù)傳輸類協(xié)議、加密類協(xié)議。各個協(xié)議根據(jù)功能不同，發(fā)送的消息也不同。

3.2 消息的發(fā)送

硬件與軟件之間的通信是通過消息來傳遞信息的。設(shè)備終端發(fā)送一系列消息，服務(wù)器以及手機(jī)識別出消息，根據(jù)消息的不同做出不同的反應(yīng)。消息結(jié)構(gòu)如圖4所示。每條消息由標(biāo)志位、消息頭、消息體和校驗(yàn)碼組成[11]。根據(jù)JT/T 808-20114.4.2，本系統(tǒng)標(biāo)志位采用Ox7e表示。若校驗(yàn)碼、消息頭以及消息體中出現(xiàn)了0x7e，那么就進(jìn)行轉(zhuǎn)義處理。

圖4 消息結(jié)構(gòu)

Fig.4 Structure of message

轉(zhuǎn)義處理過程如下。

發(fā)送消息時:消息封裝——>填充校驗(yàn)碼——>轉(zhuǎn)義；

接收消息時:轉(zhuǎn)義還原——>驗(yàn)證校驗(yàn)碼——>解析消息。

異常SMS消息的發(fā)送，根據(jù)JT/T 808-2011，采用PDU八位編碼方式。對于長度超過140 B的消息，應(yīng)按照GSM網(wǎng)絡(luò)的短信服務(wù)規(guī)范GSM 03.40進(jìn)行分包處理，然后再依次發(fā)送。

有發(fā)送，那么就有應(yīng)答。平臺發(fā)的消息和終端發(fā)的消息都應(yīng)該相互應(yīng)答，應(yīng)答分為通用應(yīng)答和專門應(yīng)答，由不同類型的協(xié)議決定。當(dāng)發(fā)送方等待應(yīng)答超時時，應(yīng)對消息進(jìn)行重發(fā)。應(yīng)答超時時間和重傳次數(shù)由平臺參數(shù)指定，每次重傳后的應(yīng)答超時時間計(jì)算如下式所示：

TN+1=TN(N+1)

(1)

式中:TN+1為重傳后的應(yīng)答超時時間；TN為前一次的應(yīng)答超時時間；N為重傳次數(shù)。

終端等待超時重發(fā)計(jì)算方法同理，不同的是，當(dāng)消息為報警消息時，若達(dá)到重傳次數(shù)，仍未應(yīng)答時，則對其進(jìn)行保存，下一次發(fā)送消息的時候優(yōu)先發(fā)送[11]。

3.3 軟件的介紹

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用目前廣泛應(yīng)用的Java與SpringMVC技術(shù)。Java是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，具有高效的可移植性、通用性、安全性等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣大開發(fā)人員的喜愛。由SpringMVC負(fù)責(zé)接收處理請求，通知業(yè)務(wù)類執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯并更新相應(yīng)視圖。而Hibernate則是一種對象關(guān)系映射框架，它對Java數(shù)據(jù)庫連接(Javadatabaseconnectivity，JDBC)進(jìn)行了非常輕量級的對象封裝，負(fù)責(zé)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)之間的交互，使得開發(fā)者可以面向?qū)ο蟮牟僮鲾?shù)據(jù)庫。三者的結(jié)合完成了表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)和數(shù)據(jù)訪問層(DAL)的交互，如圖5所示，使代碼結(jié)構(gòu)清晰、分工明確、層次分明[7]。

圖5 OBD系統(tǒng)三層架構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)的web.xml里，配置Spring MVC的servlet，自定義servlet.xml配置文件的位置和名稱(本系統(tǒng)命名為spring-mvc-context.xml)。之后再配置Spring Bean的配置文件所在目錄，由三個xml文件組成：applicationContext.xml、applicationSecurity.xml和infrastucture.xml。applicationContext.xml配置文件完成的是掃描Controller、定時執(zhí)行程序、國際化、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和文件上傳的功能。applicationSecurity.xml完成權(quán)限配置功能；infrastucture.xml完成數(shù)據(jù)源配置功能。最后，配置監(jiān)聽器和過濾器。

web.xml部分配置如下。

contextConfigLocation

classpath:/META-INF/spring/applicationContext.xml

classpath:/META-INF/spring/applicationSecurity.xml

classpath:/META-INF/spring/infrastructure.xml

15

……

contextConfigLocation

/WEB-INF/spring-mvc-context.xml

1

obd

/

之后是項(xiàng)目所需要的實(shí)體類、控制層、業(yè)務(wù)層和開發(fā)層。本OBD管理系統(tǒng)共有71個實(shí)體類，這些實(shí)體類是程序的基礎(chǔ)。如果一一編寫，費(fèi)時又費(fèi)力。Hibernate Tools是Eclipse中很強(qiáng)大的插件。它可以反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)庫生成實(shí)體類。本系統(tǒng)采用Hibernate Tools 3.4.0.CR1生成實(shí)體類。實(shí)體類包括它們的屬性、setName()和getName()方法?？刂茖哟a，即Controller層，使用@Controller標(biāo)記，類似于Struts的Action。Spring MVC這種基于注解的Controller，最大的好處就是不必繼承任何接口，只根據(jù)映射就可以選擇不同的請求方法。控制層開發(fā)完之后是業(yè)務(wù)層的開發(fā)。這里使用Dao層和Service層來實(shí)現(xiàn)上下業(yè)務(wù)的控制。Dao層繼承Hibernate封裝的BasicDao。Dao實(shí)現(xiàn)類注解成@Repository,完成與數(shù)據(jù)庫的連接。Service層是與Controller層和Dao層起連接作用的層，Service實(shí)現(xiàn)類通過寫入具體方法來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)通過Controller調(diào)用Service,再通過Service調(diào)用Dao[8-10]。

最后是表現(xiàn)層的開發(fā)，表現(xiàn)層即是管理系統(tǒng)與用戶交互的界面。這里分為兩個部分，分別是Web端和手機(jī)客戶端。手機(jī)客戶端主要作用是操作控制該OBD物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，起到實(shí)時監(jiān)測車輛的作用；Web端主要完成的是數(shù)據(jù)的管理和各種分析以及與用戶界面交互。本系統(tǒng)采用Java、JSP、Ajax、jQuery等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)層。

4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果及分析

4.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Web端用戶根據(jù)權(quán)限不同進(jìn)入不同界面，主要程序如下。

① 管理員端

② 用戶端

......

before="FILTER_SECURITY_INTERCEPTOR"ref="securityFilter"/>

基礎(chǔ)服務(wù)模塊目前增加了離用戶車輛最近加油站的查詢服務(wù)，主要程序如下。

@RequestMapping(value="/station/search", produces=MediaType.APPLICATION_JSON_VALUE)

@ResponseBody

publicInforstackJsonResponse searchFuelStation(Integer pageIndex, Integer pageSize, Double longitudeFrom, Double longitudeEnd, Double latitudeFrom, Double latitudeEnd, HttpServletRequest req){

try {

if(longitudeFrom == null) { throw new RuntimeMessageException("app.error.longitude.from.empty");}

if(longitudeEnd == null) { throw new RuntimeMessageException("app.error.longitude.end.empty");}

if(latitudeFrom == null) {

......

if(longitudeEnd-longitudeFrom > maxRange|| latitudeEnd-latitudeFrom > maxRange) { throw new RuntimeMessageException("app.error.over.range");}

if(pageIndex == null || pageSize == null) {

pageIndex = -1;

pageSize = -1;}

PaginationModel ret = null;

if(ServerUtil.getUserId() == null) { ret = new PaginationModel();

ret.setData(new ArrayList());

ret.setPageIndex(pageIndex);

ret.setPageSize(pageSize);

ret.setPageTotal(0);

ret.setRecordTotal(0);

}else{

PaginationModel pm = gasStationService.findInRange(pageIndex,pageSize,BigDecimal.valueOf(latitudeFrom), BigDecimal.valueOf(latitudeEnd), BigDecimal.valueOf(longitudeFrom),BigDecimal.valueOf(longitudeEnd));

ret =ServerUtil.copyBeans(pm, GasStationModel.class);}

......

returnServerUtil.buildErrorResponse();

}

此外，通過OBD的GPS模塊傳回數(shù)據(jù)，再結(jié)合RMI接口通信，解析數(shù)據(jù)，可以得到車輛的實(shí)時位置。

手機(jī)客戶端主要實(shí)現(xiàn)的是對該系統(tǒng)的控制以及對車輛的監(jiān)測。例如，用戶可以通過手機(jī)來開啟和關(guān)閉該系統(tǒng)，也可通過發(fā)送命令讓其對車進(jìn)行全面檢測。當(dāng)有故障出現(xiàn)時，設(shè)備通過無線通信模塊發(fā)送到手機(jī)，提醒車主故障信息等其他信息。當(dāng)車輛發(fā)生故障時，車主還可通過實(shí)時救援功能，來通知最近的救援隊(duì)伍來救援，OBD設(shè)備GPS模塊會將車輛的實(shí)時位置數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器并進(jìn)行保存。

4.2 系統(tǒng)的分析

目前，系統(tǒng)已經(jīng)投入到某地的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中。從運(yùn)行結(jié)果來看，這種系統(tǒng)維護(hù)方便、移植性高，用現(xiàn)代化的信息媒介和數(shù)字化的管理，已經(jīng)初步達(dá)到了用戶的需求，完成了車輛監(jiān)測的自動控制。與以往OBD系統(tǒng)相比，例如楊彬的OBDⅡ故障診斷系統(tǒng)[1]，都是在硬件的基礎(chǔ)上僅實(shí)現(xiàn)車輛的故障診斷，這里不僅實(shí)現(xiàn)了該功能，還添加了實(shí)時救援、語音導(dǎo)航、加油站查詢等一系列服務(wù)，更利用手機(jī)通過無線網(wǎng)自動控制該系統(tǒng)，實(shí)時保護(hù)車輛處于最好的狀態(tài)。當(dāng)車輛有故障時，OBD通信模塊會立即給手機(jī)發(fā)送報警信息，大大提高了車輛的智能化處理能力。但從結(jié)果來看，該系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)：當(dāng)數(shù)據(jù)量過大時，行車數(shù)據(jù)上傳有延遲，數(shù)據(jù)解析和處理稍顯不足，后期會考慮用云存儲解決該問題，符合現(xiàn)代數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。此外，也可在OBD模塊上增加其他的模塊，例如遠(yuǎn)程通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛與家的控制，這些都是有可能實(shí)現(xiàn)的。

5 結(jié)束語

以O(shè)BD聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)自動控制和Web交互三者結(jié)合的方式，初步實(shí)現(xiàn)了車輛聯(lián)網(wǎng)的智能化。手機(jī)可通過客戶端發(fā)送命令讓OBD系統(tǒng)開啟和關(guān)閉、監(jiān)測車輛和讀取數(shù)據(jù)，用戶可通過Web端查看數(shù)據(jù)和信息化管理設(shè)備、車輛，這在信息化的今天已經(jīng)相當(dāng)普遍了。通過手機(jī)來控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)測系統(tǒng)的智能化，是物聯(lián)網(wǎng)在車輛方面很好的應(yīng)用。隨著車輛數(shù)以萬計(jì)的增加，這樣的OBD物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對用戶來說，提供了便利性，必定會越來越普及，越來越智能，也為今后城市智能化行車系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)，這也是本文的意義所在。

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Research and Development of OBD IOT Control System

On-board diagnostics (OBD) is becoming increasingly popular in the automotive field; currently, the applications of OBD are also extensive on the market. Through the study on the new generation of OBD, the Internet of thing control system based on OBD is proposed and designed. On the basis of traditional OBD system, the system integrates the technologies of RMI, GPRS and GPS; and implements the remote communication and navigation functions between device and client, even realizes intellectualization through convenient control system of mobile phone. The system functions are implemented by adopting the widely applied MVC and Hibernate technologies. The experimental results show that comparing with traditional OBD system, this new system is superior in performance, with rich functions and strong practicability; it serves better for combining devices and facilitates the majority of owners; it is a major advance in intelligent development for Internet of things and Internet of vehicles, and possesses certain marketing prospect. At present, the system has been put into practical operation.

Internet of things Automatic control system Remote communication Intellectualization Internet of vehicles

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號：61304129)。

汪玲燕(1990-)，女，現(xiàn)為武漢科技大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事網(wǎng)絡(luò)自動控制化、基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用等的研究。

TP399

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505013

修改稿收到日期：2014-12-01。