翁才恩,　嚴世榕

(福州大學 機械工程及自動化學院,福建 福州　350116)

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基于智能手機的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

翁才恩,嚴世榕

(福州大學 機械工程及自動化學院,福建 福州350116)

摘要：隨著私家車和企事業(yè)單位車輛的增加,針對車輛的有效管理和調(diào)度,傳統(tǒng)的采用“車載終端+遠程服務(wù)器”的模式不夠人性化的問題,提出了采用“移動終端+遠程服務(wù)器”的模式。該系統(tǒng)通過智能手機連接安裝在車輛上的藍牙設(shè)備,利用手機的無線通信功能與遠程服務(wù)器連接,從而達到車輛定位監(jiān)控的目的。為解決實驗需要大量實際車輛進行測試的問題,該系統(tǒng)利用LabVIEW和藍牙串口設(shè)備搭建車輛仿真數(shù)據(jù)發(fā)送平臺,并進行了系統(tǒng)測試。研究結(jié)果表明,該系統(tǒng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)的丟失率低,并且發(fā)送接收數(shù)據(jù)的時間間隔基本在0.5秒以下,可以滿足車輛實時監(jiān)控的要求,同時開辟了一種無需實際車輛的服務(wù)器測試方法。

關(guān)鍵詞：智能交通; 車輛定位監(jiān)控; 智能手機; 服務(wù)器; 藍牙; OBD П

1引言

隨著智能手機的發(fā)展,其功能日益強大,滲透到各行各業(yè)當中,并起到了積極的效果。近幾年,利用智能手機與車載終端交互、乃至控制汽車的概念和產(chǎn)品實踐引起了業(yè)界的廣為關(guān)注,未來的汽車將更多地與智能手機、互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來,實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)。為了進一步增強車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的功能,國外多家車廠商發(fā)布了智能手機應(yīng)用。2012年9月,寶馬已經(jīng)將互聯(lián)駕駛科技全面引入中國豪華汽車市場,全部BMW車型都配備了第三代的iDrive系統(tǒng),目前BMW與蘋果合作,開發(fā)了多款APP應(yīng)用,使iDrive可以與iPhone連接,提供與車輛相關(guān)的車輛位置定位,離線導航等服務(wù)。日產(chǎn)公司也跟蘋果iPhone合作,實現(xiàn)車輛的遠程監(jiān)控。國內(nèi)對智能手機與汽車互聯(lián)也開展了積極的探索和應(yīng)用。廣汽傳祺推出的智慧傳祺系統(tǒng)使用手機實現(xiàn)車況顯示、遠程定位等。中興推出的“汽車智能診斷軟件”可以通過WLAN與手機相連,實現(xiàn)車輛故障的實時監(jiān)測[1]。因此,本文對車輛定位監(jiān)控采用“移動終端+遠程服務(wù)”模式具有一定的研究意義。

由于企事業(yè)單位的車輛不斷增加,使他們迫切希望提高車輛活動的效率和有效的管理。傳統(tǒng)的車輛定位監(jiān)控需要在車輛上安裝車載導航系統(tǒng),以及必須要求車輛管理人員在監(jiān)控中心的監(jiān)控終端前才可以對車輛進行監(jiān)控和車輛管理,并且這一套系統(tǒng)需要第三方來建立,費用昂貴,有隱私泄露的危險。因此,如果實現(xiàn)了手機定位監(jiān)控功能,不僅可以減低車輛安裝車載導航系統(tǒng)的成本,而且大大提高系統(tǒng)的靈活性、易用性和簡便性[2]。只需一架智能手機就能實現(xiàn)所有功能,并且每人都會攜帶智能手機,因此不會增加攜帶的設(shè)備。本系統(tǒng)可以利用臺式電腦作為服務(wù)器直接發(fā)布到外網(wǎng)上,自身建立一套運行系統(tǒng),不僅節(jié)約成本和保護隱私,而且能夠進行遠程車輛故障監(jiān)控,協(xié)助處理車輛故障問題。同時本文創(chuàng)新使用LabVIEW、串口和藍牙模塊的組合實現(xiàn)車輛運行數(shù)據(jù)仿真,并與智能手機藍牙連接,實現(xiàn)系統(tǒng)測試,克服了對實際車輛的需求。

本系統(tǒng)總體架構(gòu)和具體運行流程見圖1、圖2。車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)是集被監(jiān)控車輛、定位智能手機、監(jiān)控智能手機、互聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控中心、藍牙、OBDП傳輸協(xié)議、AGPS定位、4G3GGPRS無線寬帶通信、服務(wù)器、地理信息服務(wù)平臺等多項技術(shù)與一身的智能手機車輛定位及監(jiān)控系統(tǒng)。它是利用安裝在車輛OBDП接口上的藍牙設(shè)備與智能手機藍牙連接,從而接收來自車輛上的運行信息,以及利用智能手機自身的AGPS定位系統(tǒng)進行車輛定位,然后通過智能手機的4G3GGPRS無線寬帶通信將車輛運行信息和車輛定位信息傳輸?shù)椒?wù)器或監(jiān)控中心,服務(wù)器存儲車輛運行信息到數(shù)據(jù)庫以便日后查詢行車記錄,監(jiān)控中心或監(jiān)控手機端則可以根據(jù)接收到的信息進行GIS處理及顯示,確定監(jiān)控車輛的位置、運行狀況和異常狀況,更好的對車輛進行跟蹤、調(diào)度、管理和維修[3]。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1　Overall architecture of the system

圖2　系統(tǒng)運行流程圖Fig.2　Operation flow chart of the system

2車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

2.1車載藍牙設(shè)備

車載藍牙設(shè)備是通過該設(shè)備的OBDП接口與汽車的OBDП接口連接,實時獲取車輛運行信息,然后通過藍牙向手機端發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備見圖3。該設(shè)備的硬件主要包括OBDП接口、處理器MCU、藍牙通信模塊等[4]。

圖3　車載藍牙設(shè)備連接圖Fig.3　Connection diagram of car Bluetooth

OBDП接口為統(tǒng)一標準的16PIN腳的DLC診斷室,一般位于駕駛室,駕駛側(cè)表板下,其使用的通信協(xié)議基本有三種,分別為:1)ISO9141通訊協(xié)議電路,使用在所有歐洲汽車以及亞洲大多數(shù)國家的進口汽車上;2)SAEj1850VPW(可變的脈沖寬度調(diào)節(jié))通訊協(xié)議電路,使用在美國通用(GM)生產(chǎn)的轎車以及輕型載貨車上;3)SAEj1850PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))通訊協(xié)議電路,使用在福特(ford)汽車公司生產(chǎn)的汽車上。根據(jù)ISO15031-5標準,CAN(控制器局域網(wǎng))采用ISO15765-4標準[5]。因此,車載藍牙設(shè)備與該車接口定義必須相同。

因為目前市場上已經(jīng)有了該車載藍牙設(shè)備,所以該設(shè)備的實用性可以保證。本文利用LabVIEW、串口和藍牙模塊代替了車輛和車載藍牙設(shè)備,作為系統(tǒng)測試的車輛運行仿真平臺見圖4。通過電腦的LabVIEW與其自帶VISA的I/O串口的功能,進行數(shù)據(jù)發(fā)送平臺搭建,程序見圖5。利用USB串口線連接藍牙模塊和電腦USB,實現(xiàn)仿真平臺與智能手機數(shù)據(jù)傳輸。

2.2智能手機定位系統(tǒng)

隨著智能手機功能的快速發(fā)展,以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高,目前的智能手機硬件功能不斷更新,智能手機本身的AGPS定位精度,已經(jīng)符合車輛行駛定位精度要求。最新的智能手機所使用的定位技術(shù)是AGPS(AssistedGPS:輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)),它利用通訊基站信息來輔助GPS模塊進行定位,主要優(yōu)點為:

圖4　車輛運行仿真平臺Fig.4　Vehicle simulation platform

圖5　LabVIEW的程序框圖Fig.5　Program flowchart of the LabVIEW

1)有效彌補了使用GPS在有許多高大建筑、室內(nèi)、地下車庫和山洞等地方時,會存在定位精度不高或不能定位的盲區(qū)問題;

2)與純GPS和純基站定位相比,AGPS有更高的精度,一般精度在10米左右;

3)LBS基站定位是基于通訊運營商信號塔的定位方式,通過信號塔獲取到手機SIM卡的經(jīng)緯度信息,通過計算將該位置點并與電子地圖API進行對接顯示到地圖上面,達到定位的目的。同時LBS基站定位具有強制性,由基站定位服務(wù)器端主動向終端發(fā)起定位,在監(jiān)管類服務(wù)中起著重要作用[6]。

利用智能手機實現(xiàn)精確定位已經(jīng)有很多的相關(guān)技術(shù)研究[7-8]。同時本文引進地圖匹配技術(shù),使車輛定位精度大大提高。因此,利用智能手機作為汽車定位監(jiān)控調(diào)度的設(shè)備,不僅滿足定位精度要求,而且非常方便,容易攜帶,成本低。

2.3服務(wù)器端

本系統(tǒng)的服務(wù)器端采用兩臺服務(wù)器,它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器,數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用來存儲定位智能手機傳輸來的車輛運行信息和位置信息;應(yīng)用服務(wù)器用來根據(jù)車輛運行信息,監(jiān)控車輛異常信息并發(fā)出警告,以及根據(jù)車輛位置信息匹配地圖,進行位置顯示、跟蹤、管理和調(diào)度。由于管理車輛有限,本系統(tǒng)可以利用臺式電腦作為系統(tǒng)服務(wù)器使用,顯示了本系統(tǒng)能夠以最簡單的方式實現(xiàn)車輛監(jiān)控調(diào)度的目的。

本文實驗使用個人臺式電腦作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,進行數(shù)據(jù)的接收、存儲和發(fā)送。為了實現(xiàn)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和穩(wěn)定運行。首先到花生殼網(wǎng)站注冊賬號,獲取免費的域名,安裝新花生殼軟件,通過注冊的賬號進行登入,通過添加映射將本機作為外網(wǎng)訪問服務(wù)器地址,發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上,具體設(shè)置見圖6。外網(wǎng)通過輸入外網(wǎng)訪問地址就能訪問服務(wù)器系統(tǒng),即手機軟件編程中數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收只要加入該地址,就可以訪問服務(wù)器。為了使服務(wù)器端口IP不發(fā)生改變,本系統(tǒng)加入路由器使內(nèi)網(wǎng)IP不發(fā)生變化,這樣就能使外網(wǎng)訪問服務(wù)器地址時,不會因為內(nèi)網(wǎng)IP變化而找不到服務(wù)器。

圖6　花生殼外網(wǎng)映射設(shè)置Fig.6　Network mapping settings of the oray

3車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

3.1車載藍牙設(shè)備與智能手機軟件的實現(xiàn)

本系統(tǒng)通過STM32F103C8T6專用的燒寫器將程序?qū)懭雴纹瑱C,該程序主要是通過單片機接口獲取車輛上的OBDП設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù),然后進行重新編碼,再將新數(shù)據(jù)通過單片機串口傳輸?shù)剿{牙模塊,藍牙模塊再向外發(fā)送數(shù)據(jù)。其中單片機的編碼規(guī)則見圖7,前四位為防止數(shù)據(jù)丟失而加入的字母加數(shù)字的組合作為幀頭;之后的編碼為字母加單片機獲取的數(shù)據(jù)的組合,其中字母為標識碼,用途為使手機軟件能夠識別所傳輸字母之后的數(shù)據(jù)的含義,最后還有幀尾,為數(shù)據(jù)解碼結(jié)束。

圖7　數(shù)據(jù)的編碼方式Fig.7　Data encoding

藍牙模塊用AT指令設(shè)置其波特率為9600Bd/s,這是由于藍牙與智能手機藍牙連接的波特率為9600Bd/s。

車載藍牙設(shè)備只解讀OBDП中的有用數(shù)據(jù),為車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速度和故障碼。其中最主要的是車速和故障碼,車速用于了解該車的司機駕駛是否穩(wěn)定和超速違章駕駛等;故障碼用于發(fā)現(xiàn)車輛所存在的問題,同時遠程系統(tǒng)可以實時監(jiān)控車輛是否發(fā)生故障,幫助解決故障或者指導其到最近維修點進行維修。

SAEJ2010規(guī)定了一個5位標準故障代碼,在參考文獻[9]中已經(jīng)對故障碼的具體含義做出了解釋。

本文使用的智能手機為Android智能手機,因此使用Eclipse軟件進行Android軟件開發(fā),主要思想是:首先檢測手機藍牙設(shè)備是否開啟,如果未開啟,則開啟藍牙設(shè)備,如果開啟,則檢測車載藍牙設(shè)備,并進行密碼配對,綁定車載藍牙設(shè)備,見圖8;通過程序解碼車載藍牙設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,并且利用手機自身的GPS和基站進行定位。本文使用百度地圖開發(fā)包,因此需要到百度地圖LBS開放平臺,創(chuàng)建開發(fā)者密鑰,平臺會給你一個開發(fā)者密鑰,只有這樣程序才能加載百度地圖進行實時當前位置顯示。程序中使用doGet()方法將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器端,doGet()方法程序代碼見圖9。

圖8　手機藍牙搜索車載藍牙設(shè)備Fig.8　Mobile phone Bluetooth search car Bluetooth devices

圖9　doGet()方法程序代碼Fig.9　The program code of doGet()method

3.2服務(wù)器端軟件實現(xiàn)

本文實驗利用個人臺式電腦作為服務(wù)器,利用Myeclipse作為服務(wù)器編寫軟件,利用其插件Tomcat7.0進行服務(wù)器發(fā)布,其思想主要是:獲取并解碼手機軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,然后存入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)位置,數(shù)據(jù)庫ID分配見圖10;將獲取的數(shù)據(jù)進行處理可以在地圖上顯示車輛的運行信息和位置信息,也可以通過手機軟件獲取數(shù)據(jù)庫信息將其進行顯示,達到移動遠程監(jiān)控的目的。

圖10數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)ID分配
Fig.10Data ID assignment of the database

3.3定位監(jiān)控端軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的監(jiān)控端,使用HTML、PHP、MySQL和Apache制作網(wǎng)頁登入服務(wù)器,作為本系統(tǒng)客戶端登入,其中HTML作為靜態(tài)顯示界面,在HTML代碼中加入PHP作為動態(tài)數(shù)據(jù)庫讀取,獲取數(shù)據(jù)庫MySQL中存儲的車輛運行信息,顯示在網(wǎng)頁界面中,利用Apache實現(xiàn)網(wǎng)站發(fā)布,利用網(wǎng)站方式進行監(jiān)控不僅能在電腦上進行登入監(jiān)控調(diào)度,還能通過手機登入進行監(jiān)控調(diào)度,使用靈活、方便。

4實驗結(jié)果及分析

4.1系統(tǒng)壓力測試結(jié)果

服務(wù)器端壓力測試是系統(tǒng)性能測試的重中之重,Apache服務(wù)器測試中最常用的工具有JMeter和Apacheab,本文使用Apacheab進行服務(wù)器壓力測試,結(jié)果見表1。由表1可知,并發(fā)次數(shù)相同,請求次數(shù)越少,即處理任務(wù)越少服務(wù)器處理的速度越快;當請求次數(shù)相同,并發(fā)個數(shù)越少(即智能手機連接服務(wù)器個數(shù)越少),總耗時越少(即應(yīng)激性越好),但是每秒處理個數(shù)也越少(即性能方面有所下降)。對于本系統(tǒng)而言,即便連接數(shù)目較多時,服務(wù)器也能很好的實現(xiàn)其功能。

表1　服務(wù)器壓力測試結(jié)果Tab.1　Server stress test results

4.2系統(tǒng)通信性能實驗結(jié)果

采用智能手機軟件設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)目,服務(wù)器端記錄數(shù)據(jù)數(shù)目的方式,進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失率測試。在一定距離下,向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),測得數(shù)據(jù)丟失率見表2。由表可知本系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失率較低,數(shù)據(jù)傳輸可靠,滿足系統(tǒng)車輛監(jiān)控對數(shù)據(jù)量獲取的要求。

本系統(tǒng)的實時性測試是通過手機軟件編程,在程序數(shù)據(jù)發(fā)送接收的語句中設(shè)置探針的方式,將數(shù)據(jù)的發(fā)送接收時間間隔進行記錄并保存在手機中,數(shù)據(jù)發(fā)送接收時間間隔見圖11。從圖可

表2　數(shù)據(jù)丟失率Tab.2　Data error rate

以看出數(shù)據(jù)發(fā)送接收的時間基本在0.5秒以下,假設(shè)一輛汽車在城市里行駛一般速度都比較慢,速度為36km/h,也就是10m/s,延時誤差為5m;如果速度為72km/h,也就是20m/s,延時誤差是10m,這與GPS誤差相當,所以該系統(tǒng)的實時性很強,能夠保證對車輛進行實時監(jiān)控。

圖11　數(shù)據(jù)發(fā)送接收時間間隔Fig.11　The time interval of data sending and receive

5結(jié)束語

基于智能手機的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn),不僅能夠使用戶及時掌握車輛運行情況和故障狀態(tài),而且還能實時遠程監(jiān)控了解車輛運行狀況,進行遠程協(xié)助解決車輛故障,并進行車輛監(jiān)控、調(diào)度和管理。特別是該系統(tǒng)的實現(xiàn),使監(jiān)控人員只需通過移動智能手機就能進行遠程管理,大大提高了車輛的管理效率和速度。同時,仿真統(tǒng)測試實驗方法的創(chuàng)新,使本系統(tǒng)的實驗結(jié)果與實際結(jié)果符合度很高。下一步的工作是搭建專門的服務(wù)器,并將該系統(tǒng)安裝到實際車輛上進行實際測試和驗證。

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翁才恩男(1990-),福建沙縣人,碩士研究生,主要研究為車輛與運載工具的電子、安全與智能交通技術(shù)方面的研究。

嚴世榕男(1960-),福建福州人,教授,主要研究為車輛動力學與電子控制方面的研究。

中圖分類號：TP 39; TP 29

文獻標識碼：A

Design and Implementation of the Vehicle Positioning and Monitoring System Based on Smart Phone

WENG Caien,YAN Shirong

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)

Abstract：With the increasing of private cars and vehicles of enterprises and institutions,the mode of “mobile + remote server” is put forward to solve effective management and scheduling of vehicles,and that the traditional mode of “car terminal + remote server” is not humanization.The system is by using that smart phone connect with the Bluetooth device of installing on the vehicle,and then using that mobile wireless communication function connect with the remote server,so as to achieve the purpose of the vehicle positioning and monitoring.In order to solve the problems that test need a lot of the actual vehicle,the systems construct platform for vehicle simulation by using LabVIEW and Bluetooth serial port equipment,and has carried on the system test.The results indicate that the system has a low error rates to send and receive data,and the time interval is mainly under 0.5 seconds to send and receive data.The system can meet the requirements of vehicle real-time monitoring.At the same time,it is provided that the server method need not actual vehicle.

Key words：ITS (Intelligent Transportation System); vehicle positioning and monitoring; smart phone; server; Bluetooth; OBD П