白婷婷

（山西大學，山西太原，030013）

智能車載系統(tǒng)的設(shè)計與研究

白婷婷

（山西大學，山西太原，030013）

隨著人們生活水平的提高，汽車成為了很多家庭的代步工具，而汽車的安全性、便利性也成為人們衡量當代汽車檔次的重要標準。伴隨著電子技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，汽車智能化也是大勢所趨?，F(xiàn)在的車載系統(tǒng)也越來越完善，可以實現(xiàn)導航、防盜等功能。本文以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合了GPRS通信技術(shù)、百度開放云平臺等構(gòu)建了一個車載智能管理平臺。

GPRS通信；OBD；百度開放云

0 引言

目前主流車載系統(tǒng)大部分采用嵌入式技術(shù)，具有較強的實時性、良好的交互性等特點，用戶還可以根據(jù)需要定制不同的車載系統(tǒng)以滿足自身的需求，例如：進階的導航系統(tǒng)可以及時推送路面信息，人們在出發(fā)前，就可以掌握相關(guān)的道路信息，同時云端會推送最佳路線，避開擁堵路段；高階的自動駕駛系統(tǒng)可以自動識別道路標線標志符，自動判斷周圍環(huán)境，在有人監(jiān)護的前提下實現(xiàn)跟車巡航，自動變道等基本功能。在眾多需求中，人們對車輛的行駛信息、道路信息預警提示功能尤為在意。本設(shè)計中的智能車載系統(tǒng)結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及傳感技術(shù)，很好的滿足了以上兩個需求，使用戶可以更全面的了解車輛信息以及路況信息。

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計中車載智能系統(tǒng)是眾多技術(shù)的結(jié)合，涉及到不同領(lǐng)域，主要包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大數(shù)據(jù)分析，自動控制，車載電子系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，車主可以擺脫空間的限制，隨時了解行車環(huán)境信息以及車輛的狀態(tài)參數(shù)，構(gòu)建出了一種便捷、安全、舒適的用車環(huán)境。

圖1 智能車載系統(tǒng)框圖

從邏輯上劃分，本設(shè)計由兩個子系統(tǒng)構(gòu)成：用戶網(wǎng)絡(luò)訪問端和控制采集終端構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)訪問端包含百度開放云平臺和Android終端應用軟件兩個部分，Android手機用戶可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問百度開放云的數(shù)據(jù)信息，百度開放云可以通過APP推送消息給手機用戶?？刂撇杉K端由采集單元、ARM控制單元、車載終端、GPRS模塊組成?？刂撇杉K端實現(xiàn)的功能是采集車輛以及路面信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過ARM控制板分析處理后部分信息在車載終端顯示，部分信息通過GPRS模塊傳送到百度開放云。

2 系統(tǒng)功能

本設(shè)計中智能車載系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：

功能一：路面擁堵信息的實時共享

Car A在行駛到擁堵路段時，車輛行駛速度會明顯下降，ARM處理器會從車輛的OBD接口讀取到速度信息，同時GPS接收器也會標記出行車緩慢路段的地理坐標信息，并將這一坐標信息傳輸?shù)紸RM處理器，經(jīng)過分許處理后數(shù)據(jù)信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至百度開放云。在同一時間段，同一路段，有眾多和Car A行車環(huán)境相同的車輛，如果它們也安裝了本系統(tǒng)，也會將自身采集到的信息上傳到云端。在云端，眾多車輛上傳的路面信息在此匯總，通過大數(shù)據(jù)分析，綜合判斷擁堵路段的詳細地理位置以及擁堵程度。Android手機用戶通過GPRS網(wǎng)絡(luò)提前訪問該路面情況，合理規(guī)劃路線。

功能二 車輛診斷

車載智能終端可以通過OBD讀取到汽車的胎壓，油耗，空調(diào)溫度，車窗狀態(tài)等信息。這些數(shù)據(jù)將被匯總到云端進行用戶駕駛習慣的數(shù)據(jù)分析，車輛健康狀態(tài)的跟蹤，為用戶提供定制的保養(yǎng)方案，駕駛習慣的改進建議等。

功能三，天氣的偵測與預警

車載智能系統(tǒng)可以讀取到雨量傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過GPS接收器標記地理坐標，數(shù)據(jù)匯總到云端，經(jīng)過綜合分析，推送到可能經(jīng)過此路段的后方車輛。在高速公路上，道路天氣預警功能尤其重要。

功能四，智能交通燈

此功能是利用無線的方式將交通信號燈數(shù)據(jù)和車輛運營數(shù)據(jù)來進行交換。通過服務器由TTS交通技術(shù)服務運行，將信息送至汽車，這對于經(jīng)常闖紅燈來說是個天大的好消息，駕駛員可以在車內(nèi)的車載系統(tǒng)終端讀取紅綠燈切換的倒數(shù)時間。當信號燈為紅燈時，儀表板上的數(shù)字會提醒駕駛員剎車。除此之外，導航系統(tǒng)負責監(jiān)控紅綠燈計時，將司機導向更快捷的路線。并且，導航系統(tǒng)也會建議加速和遇到綠燈時的行駛速度，減少停車和重啟汽車的次數(shù)。

3 硬件總體設(shè)計

本設(shè)計中以S3C2440作為為整個系統(tǒng)的MCU，是整個車載系統(tǒng)的中心控制部分，其主要功能是負責與車輛路面信息采集系統(tǒng)模塊、GPRS 通信模塊等進行通訊，并將車輛路面信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行處理傳送到百度開放云平臺存儲。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要分為四個部分：車輛與路面信息采集系統(tǒng)、車載智能控制器、智能車載系統(tǒng)終端設(shè)備、用戶訪問端。

車輛與路面信息采集系統(tǒng)部分：包括雨雪天氣測試模塊、OBD系統(tǒng)參數(shù)采集模塊及其接口電路、GPS定位模塊三個部分，分別通過RS232、USB以及RS232總線與車載智能控制器通信。

車載智能控制器部分：包括三星公司的型號為S3C2440的ARM 處理器以及其外圍電路、GPRS 通訊模塊及其接口電路。

車載系統(tǒng)終端設(shè)備：OBD系統(tǒng)采集的車輛信息，例如油耗、胎壓、發(fā)動機狀況可以在車載系統(tǒng)終端的LCD顯示屏上顯示。

用戶訪問端：用戶可以通過訪問百度開放云平臺，以獲取最新的路面信息；當汽車有失竊的可能性以及工作狀態(tài)不正常的情況時，百度開放云可以通過APP推送給用戶手機。

4 硬件各模塊設(shè)計

4.1 車輛路面信息采集系統(tǒng)

4.1.1 雨雪傳感器。雨雪傳感器是利用雨水的導電特性，采用先進檢測電路，檢測是否有雨雪的儀器，具有反應靈敏、測量精度高等特點。其采用表面柵形電極感應外界雨雪情況，當外界為雨雪天氣時，導電特性會發(fā)生改變，測量值傳送給內(nèi)部的智能微處理器。此外，雨雪傳感器內(nèi)置自動加熱裝置可排除雨雪附著的干擾，保障系統(tǒng)的正常運行。

4.1.2 GPS收發(fā)器。GPS（global positioning system）是美國于20世紀70年代開始研制的新一代全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。因為本系統(tǒng)中對位置的精度要求比較高，因此在選取GPS接收器時，要選取能夠處理所有可見的GPS衛(wèi)星，高性能的全視野（all in view）衛(wèi)星跟蹤接收器，這樣得到的導航數(shù)據(jù)可以不受監(jiān)控的衛(wèi)星數(shù)較少時所產(chǎn)生的位置跳躍的影響，定位精度高。

4.1.3 OBD（On-Board Diagnostic）全稱為車載診斷系統(tǒng)，其主要作用是隨時監(jiān)控發(fā)動機的運行狀況和尾氣后處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其包含的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：引擎每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM）、冷卻液溫度、燃料系統(tǒng)狀態(tài)、車速、短期燃料情況等其他數(shù)據(jù)。本設(shè)計中從OBD系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)送至處理器進行分析計算。OBD接口為一個標準的16針診斷接口，不能與MCU連接，需要經(jīng)過一個接口轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為USB接口與S3C2440處理器通信。

4.2 車載智能控制器

針對系統(tǒng)需要完成的設(shè)計任務和方案，考慮經(jīng)濟效益、穩(wěn)定性等因素選用以下硬件：

(1)MCU采用S3C2440開發(fā)板，用于主控模塊的開發(fā)。

(2)S3C2440的外圍電路模塊：包括電源管理、以及SDRAM、Flash 等數(shù)據(jù)及程序存儲設(shè)備。

(3)GPRS通信模塊及其外圍電路：GPRS模塊用于百度開放云平臺與S3C2440之間的通信。本系統(tǒng)選用的是MC55 GPRS無線通信模塊，其外圍電路設(shè)計主要完成了MC55模塊的供電，數(shù)據(jù)傳送、模塊啟動和關(guān)閉及工作模式指示等部分的電路設(shè)計。

4.2.1 S3C2440及外圍電路。主控制板的CPU采用S3C2440處理器，它是基于Samsung ARM9嵌入式處理器，采用了流行的32位ARM體系結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)MMU,AMBA BUS和Hardvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。

S3C2440有著豐富的外部資源，除了電源、時鐘源、復位電路等必要配置外，具有2M Bytes Flash、8M Bytes SDRAM ，作為為系統(tǒng)數(shù)據(jù)、程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的存儲和運行提供存儲空間，此外還具有USB接口等。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

4.2.2 GPRS通信模塊。MC55是推出的新一代無線通信GPRS 模塊，具有50個引腳作為應用接口，這些接口包括：電源接口、串行接口、音頻接口、SIM卡接口、控制信號接口等部分，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(Short Message Service)和傳真。MC55模塊內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，由指令控制很容易得接入網(wǎng)絡(luò)。并且MC55集射頻和基帶電路于一體，支持 GSM 07．05 和 GSM 07．07所定義的AT 命令集的指令，因此可以直接使用AT命令實現(xiàn) GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務。其工作原理為：前端的采集站S3C2440微處理器通過AT指令對GPRS Modem進行撥號，反饋應答后形成GPRS信道。GPRS終端由控制模塊、TCP/IP模塊和無線發(fā)送模塊實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

控制模塊通過AT指令初始化GPRS無線模塊，獲得IP地址后附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，與百度開放云之間建立連接；S3C2440通過串口RS232經(jīng)過控制模塊向TCP/IP模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，進過GPRS無線模塊向百度開放云收發(fā)數(shù)據(jù)或指令。

4.3 車載系統(tǒng)終端設(shè)備

圖3 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)終端結(jié)構(gòu)圖

S3C2440具有LCD 接口，帶有LCD顯示屏，可以將此屏作為車載系統(tǒng)終端顯示部分。OBD系統(tǒng)采集的部分車輛信息（例如油耗、胎壓、發(fā)動機狀況）經(jīng)過S3C2440處理后可以直接在其LCD屏幕上顯示。

4.4 百度開放云平臺

百度開放云平臺百度公司推出的面向開發(fā)者的應用平臺，在本文中為了實現(xiàn)Android手機用戶通過GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問連接，同時存儲以ARM為核心的車載智能控制器采集的車輛、路面信息數(shù)據(jù)。S3C2440通過GPRS模塊與百度開放云平臺通信，傳送車輛、路面信息數(shù)據(jù)到百度服務平臺的數(shù)據(jù)庫中。在百度開放云平臺中，應用百度應用引擎部署用戶訪問的 Web 服務器和信息存儲的數(shù)據(jù)庫， 應用百度服務平臺的云推送功能實現(xiàn) Android 移動終端消息推送服務，在云服務端與客戶端之間建立穩(wěn)定、可靠的長連接來提供實時推送消息的服務。百度云推送目前支持通知、透傳消息及富媒體三種消息的推送；支持自定義功能，更可能地滿足開發(fā)者的需求。

[1]王藝.基于GPRS的嵌入式智能家庭控制器設(shè)計[D].南京航空航天大學，2007

[2]沈連豐，宋鐵成等編著．嵌入式系統(tǒng)及其開發(fā)應用[M]．電子工業(yè)出版社，2005

[3]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與linux驅(qū)動程序開發(fā)[M]．北京航空航天出版社，2006

2.3 變壓器參數(shù)辨識試驗驗證

選取三相雙繞組解法飽和變壓器模型，對EMTP仿真技術(shù)進行利用，將變壓器參數(shù)設(shè)置為：的額定電壓，的原、副邊側(cè)繞組電阻漏電感參數(shù)。每周波進行400點的采樣，在進行參數(shù)辨識時利用遞推最小二乘算法。圖一為變壓器繞組漏感參數(shù)辨識曲線，參數(shù)辨識結(jié)果如圖一。

進行漏感參數(shù)辨識中利用遞推最小二乘算法，可以在實際真值附近收斂近200個數(shù)據(jù)點，使辨識結(jié)果的誤差在1%之內(nèi)。由于參數(shù)的估計值在數(shù)據(jù)點收斂工作結(jié)束后會趨于穩(wěn)定，不會存在震動情況的發(fā)生，對算法可靠性的提高具有保護作用。

結(jié)論：由仿真試驗結(jié)果可知，基于等值回路平衡方程的變壓器保護原理基本是正確的，保護原理的動作速度比常規(guī)的差動原理要快很多，具備一定的可行性。本文從基于等值回路平衡方程的變壓器保護原理分析、變壓器漏感參數(shù)辨識和驗證兩方面進行探討，對變壓器繞組漏電感參數(shù)進行在線辨識的遞推最小二乘法的算法，在變壓器繞組匝間短路的保護動作的靈敏性可以得到有效提高。基于等值回路平衡方程的變壓器保護原理的提出，證明了變壓器保護在沒有勵磁涌流的影響下，能夠?qū)ψ儔浩鲀?nèi)部出現(xiàn)的故障進行快速可靠的判斷。

參考文獻

[1]郝治國,張保會,褚云龍,段建東,李朋,張前鋒.基于等值回路平衡方程的變壓器保護原理[J].中國電機工程學報,2006,10:67-72.

[2]鄧祥力,王傳啟,張哲.基于回路平衡方程和勵磁電感的特高壓變壓器保護[J].中國電機工程學報,2012,01:147-153+6.

[3]王媛,焦彥軍,金晶,馬葉芝.基于等值回路方程的變壓器保護判據(jù)的研究[J].電力科學與工程,2012,06:26-32+38.

[4]穆志軍,張志強,魏燕,栗君,袁桂華,張瑞芳.對多種新型變壓器保護原理的研究[J].電氣應用,2009,04:30-33+46.

Design and research of intelligent vehicle system

Bai Tingting
（Shanxi University,Taiyuan Shanxi,030013)

With the improvement of people's living standards,the automobile has become the tool of ride instead of walk of a lot of families,and vehicle safety,convenience has become people measure the important standard of contemporary automotive grade.Along with the development of electronic technology,sensor technology,network technology,automotive intelligence is the trend.Now the vehicle system is also more and more perfect,can achieve navigation,anti-theft and other functions.In this paper,based on embedded system,combined with GPRS communication technology,Baidu open cloud platform to build a vehicle intelligent management platform.

GPRS communication；OBD；Baidu open cloud