李亞倫，徐 健，柳 偉，楊世春

（1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191；2.上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

電動汽車遠程監(jiān)控與服務系統(tǒng)開發(fā)*

李亞倫1，徐 健1，柳 偉2，楊世春1

（1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 100191；2.上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

針對電動汽車設計了遠程監(jiān)控與服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集和無線遠程數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了車輛運行參數(shù)的實時上傳與存儲。車載控制器完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，服務器按照模型對象對數(shù)據(jù)進行存儲、分析與處理，客戶端為用戶提供監(jiān)控和命令視圖，實現(xiàn)車輛的監(jiān)控功能。服務器通過對運行數(shù)據(jù)進行分析處理獲取車輛服務信息并發(fā)送給車載終端控制器，實現(xiàn)車輛的遠程服務功能。該系統(tǒng)在長城A0級小型城市純電動轎車試驗樣車上測試，具有良好的實用性及穩(wěn)定性。

遠程監(jiān)控；遠程服務；車載控制器；服務器；客戶端

0 引言

電動汽車作為一種以清潔能源為動力的汽車，正處于產(chǎn)業(yè)的導入期[1]。實時、充分掌握電動汽車關鍵部件的運行參數(shù)和故障狀態(tài)成為其示范運行和推廣過程中的重要環(huán)節(jié)，這些數(shù)據(jù)為政府、汽車廠商以及用戶對電動汽車的評價與維護提供了重要依據(jù)。

近年來，針對電動汽車的遠程監(jiān)控系統(tǒng)被大量研究。天津大學開展了基于GPRS和Internet的電動汽車示范運行無線遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究，提出了示范運行過程中遠程監(jiān)控系統(tǒng)的一種解決方案[2]。吉林大學和同濟大學則針對多輛電動汽車規(guī)模示范運行過程中的遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計，并在實際運行過程中取得了良好的效果[3，4]。

本文對電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的架構和技術方案進行了詳細闡述和優(yōu)化設計。一方面提出了電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的可行技術方案；另一方面，基于對車輛運行參數(shù)的分析處理，實現(xiàn)了面向駕駛員的遠程服務系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)基本架構和工作原理

1.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構

系統(tǒng)由安裝在電動汽車上的遠程監(jiān)控車載終端、運行在數(shù)據(jù)中心的服務器以及運行在個人PC上的遠程監(jiān)控客戶端三部分組成。圖1表示了本系統(tǒng)的拓撲結(jié)構。

遠程監(jiān)控車載終端實現(xiàn)對電動汽車的位置、速度、動力系統(tǒng)狀態(tài)等信息的采集，并將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心對車載終端上傳的數(shù)據(jù)進行存儲和處理。遠程監(jiān)控車載終端和客戶端對服務器進行訪問，為用戶和駕駛員提供信息查詢和顯示。遠程監(jiān)控客戶端與數(shù)據(jù)中心之間、車載終端和客戶端之間均應實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)功能并確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構

1.2 數(shù)據(jù)通信與傳輸

為確保信息的快速獲取和高效傳輸，討論和制定了數(shù)據(jù)采集、傳輸使用的通信網(wǎng)絡和通信協(xié)議，最終確定采用基于CAN網(wǎng)絡和CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)采集機制，以及基于WCDMA網(wǎng)絡和TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸機制。

CAN是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡，具有高性能、高可靠性和高實時性的特點，在汽車通信網(wǎng)絡中得到廣泛應用[5]。通過CAN網(wǎng)絡獲取電動汽車的運行參數(shù)和故障信息，能保障數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。在電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用了CAN通信的方式采集車輛的運行信息。

現(xiàn)行的無線通信網(wǎng)絡主要包括WiFi網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡。WiFi由于其傳輸距離短、覆蓋率不高，在車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)中并不適用。3G網(wǎng)絡是新一代的蜂窩通信技術，其通信速率高于 GPRS，且覆蓋率高，更適用于遠程無線數(shù)據(jù)傳輸[6]。本系統(tǒng)采用 3G網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。

1.3 車載終端設計

車載終端需要實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和面向車輛的服務信息獲取。通過CAN網(wǎng)絡和GPS模塊采集電動汽車運行信息上傳至服務器，同時通過無線網(wǎng)絡從服務器獲取輔助駕駛信息，如車輛剩余里程、剩余電量等。另一方面，車載終端還需要實現(xiàn)面向服務中心的設置功能。通過接收來自服務器的指令，實現(xiàn)了服務器對車載終端的控制，從而改變車載終端的運行狀態(tài)，如改變數(shù)據(jù)上傳的速率、發(fā)出故障狀態(tài)提醒等。

根據(jù)車載終端的功能需求，設計出車載終端基本架構如圖2所示。在本系統(tǒng)中，選擇Infineon XC2000系列單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，該芯片具有高速處理性能以及豐富的硬件接口和軟件功能，成本較低，適用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)[7]。選擇SIMCOM SIM5320E作為系統(tǒng)通信芯片，該芯片嵌入有 TCP/IP協(xié)議[8]，節(jié)省了微處理器的時間和空間資源[9]。SIM5320E通過天線與服務器進行通信，通過GPS模塊獲取位置信息。CAN模塊用于讀取車輛狀態(tài)，F(xiàn)lash模塊用于存儲程序與數(shù)據(jù)。通過各模塊之間的協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)車載終端的功能。

圖2 車載終端基本架構圖

1.4 服務器架構設計

服務器的系統(tǒng)架構應當達到安全性、可靠性、可定制性、可拓展性、可維護性[10]。選擇 Linux+Apache+PHP+ MySQL作為服務器系統(tǒng)的軟件架構。服務器在整個系統(tǒng)中起到中轉(zhuǎn)和存儲數(shù)據(jù)的作用，服務器接收車載終端和客戶端軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進行分析處理。服務器軟件應該具備3個功能模塊：存儲模塊、解碼模塊和數(shù)據(jù)接口模塊。

存儲模塊的設計架構如圖3。其中存儲引擎負責調(diào)度程序中各模塊的運行，變量信息采集器負責將服務器獲取的信息存儲于變量隊列中，存儲配置文件負責配置項目的工程信息。解碼模塊將數(shù)據(jù)包按照遠程監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議解析成實際物理量。數(shù)據(jù)接口模塊通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸接口接收各種數(shù)據(jù)源包，通過組合、拆解的方式組成待解碼數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)接口采用配置文件導入系統(tǒng)的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。

圖3 服務器存儲模塊設計架構

2 電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)

在系統(tǒng)已有架構的基礎上，開發(fā)出遠程監(jiān)控客戶端，為用戶提供了電動汽車參數(shù)實時顯示、故障信息預警和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，實現(xiàn)了對電動汽車實時運行情況的監(jiān)控。

服務器和客戶端之間的架構方式主要有B/S架構和 C/S架構[11]。本系統(tǒng)為典型的 B/S架構的系統(tǒng)，客戶端直接向服務器進行數(shù)據(jù)請求，并將數(shù)據(jù)顯示給用戶。但在本系統(tǒng)的車輛定位功能中，需要實現(xiàn)地圖信息系統(tǒng)。如果使用B/S結(jié)構的地圖信息系統(tǒng)，用戶需要使用專門的商業(yè)軟件進行交互，價格昂貴。隨著到網(wǎng)絡技術的發(fā)展，可以使用 Google Maps、百度地圖等實現(xiàn) WebGIS，將系統(tǒng)成本大大降低。因而地理信息系統(tǒng)采用C/S架構。運行參數(shù)顯示功能使用B/S結(jié)構實現(xiàn)，地圖功能使用C/S結(jié)構實現(xiàn)，整個系統(tǒng)為C/S、B/S的混合結(jié)構。

圖4所示為遠程監(jiān)控客戶端定位界面。本系統(tǒng)客戶端軟件開發(fā)采用了基于 Eclipse RCP的架構，底層使用JAVA語言開發(fā)[12]。RCP是基于 Eclipse的插件開發(fā)和運行機制，其提供的界面控件實現(xiàn)了本監(jiān)控系統(tǒng)的界面應用。遠程監(jiān)控客戶端實現(xiàn)了車輛的管理功能、實時信息的查看功能、車輛定位功能、軌跡回放功能、分析圖表功能、設置菜單功能、文件功能等。

圖4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端定位界面

3 電動汽車遠程服務系統(tǒng)

電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)采集的車輛運行數(shù)據(jù)被存儲至服務器中。通過面向?qū)ο蠛湍Ｐ偷臄?shù)據(jù)存儲，提取表征電動汽車運行狀態(tài)的特征參數(shù)，可以獲取更多的電動汽車運行信息。在本系統(tǒng)中，通過電動汽車的歷史數(shù)據(jù)和當前運行狀況，提取出當前電量下電動汽車的續(xù)駛里程，并將該信息發(fā)送至車載終端，實現(xiàn)了電動汽車的遠程服務。

位置模型存儲車輛所在位置的精度、緯度、海拔等信息，得到車輛路況的特征參數(shù)。電池模型存儲了電池的電壓、電流、容量、SOC等信息，得到車輛的剩余電量信息。電機模型存儲了電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息，得到動力電機能量消耗的特征參數(shù)。車輛模型存儲了車速、踏板位置、附件（空調(diào)等）運行狀況，得到車輛運行狀況參數(shù)。

電池模型的特征參數(shù)與電池存儲電能正相關，而其他各模型的特征參數(shù)與車輛單位里程能量消耗率負相關。以 e1，e2…en表征各模型參數(shù)，電動汽車的續(xù)駛里程y通過式(1)線性擬合得出：

式中函數(shù)f為各特征參數(shù)與續(xù)駛里程之間的擬合函數(shù)。隨著電動汽車行駛里程的增加，數(shù)據(jù)樣本量增大，擬合函數(shù)的精確性得到提升，從而使遠程服務系統(tǒng)能夠估計當前狀況下汽車的剩余續(xù)駛里程。

4 功能測試與試驗

為檢驗系統(tǒng)功能，該遠程監(jiān)控與服務系統(tǒng)被安裝在長城A0級小型城市純電動轎車試驗樣車上，分別對該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性進行了測試。

用戶通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端界面獲取車輛的位置和各部件運行狀態(tài)參數(shù)，如圖5所示。

圖5 遠程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端運行界面

為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確性，對實際車速和系統(tǒng)采集車速信息進行對比，如圖6所示。在60 min的采集時間內(nèi)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)保持一致，僅在10 min時刻，由于 GPS信號較弱產(chǎn)生了數(shù)據(jù)偏差，數(shù)據(jù)偏差在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)準確性滿足遠程監(jiān)控系統(tǒng)需求。

圖6 遠程監(jiān)控系統(tǒng)車速數(shù)據(jù)準確性對比圖

圖7 遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時性對比圖

為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性，對單輛和多輛電動汽車的數(shù)據(jù)傳輸時間進行測試，延時時間隨測試時間變化規(guī)律如圖7。增加車輛數(shù)目并未使系統(tǒng)延時時間增長，系統(tǒng)延時時間小于 2 s，符合遠程監(jiān)控系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

本文設計了電動汽車遠程監(jiān)控與服務系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)架構的設計，實現(xiàn)了電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)傳輸。通過合理設計遠程監(jiān)控客戶端，實現(xiàn)了對車輛運行軌跡、運行參數(shù)、故障信息的查詢與監(jiān)測。通過基于模型的數(shù)據(jù)存儲與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車的遠程服務。在測試過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了電動汽車的遠程監(jiān)控和服務功能。

[1]趙韓，姜建滿.國內(nèi)外電動汽車標準現(xiàn)狀與發(fā)展[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2011，34(7)：961.

[2]謝輝，肖斌，郝明德，等.電動汽車示范運行無線遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)研究[J].汽車工程，2006，28(8)：734.

[3]陳燕虹，沈帥，劉宏偉，等.多輛電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉林大學學報(工學版)，2013，43(2)：285.

[4]張新豐，沈勇，宋謌，等.面向規(guī)模示范運營的新能源汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].汽車工程，2012，34(5)：470.

[5]王歡.電動汽車TTCAN總線技術研究[D].北京：中國科學院研究生院，2006.

[6]陳巖，董潔，唐輝.3G網(wǎng)絡不同制式的比較與運營分析[J].信息技術與標準化，2007(12)：30.

[7]Infineon Technology.User manual of XC27x7x derivatives[Z]，2011.

[8]焦繼業(yè).單片機嵌入式 TCP_IP協(xié)議的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安科技大學，2003.

[9]SimCom.SIM5320_EVB kit_user guide[Z].SIMCom，2011.

[10]明媚，焦麗梅.面向應用的數(shù)據(jù)庫服務器性能優(yōu)化方法研究[J].計算機工程與應用，2004(34)：178.

[11]曲曉濤，楊家軍，師海峰.客戶/服務器數(shù)據(jù)庫結(jié)構及其訪問機制[J].計算機工程與應用，1999(3)：87-90.

[12]高恒國，羅克露，雷劍.Eclipse平臺架構技術分析及基于RCP的應用研究[J].計算機與信息技術，2006(5).

Development of remote monitoring and serving system for electric vehicle

Li Yalun1，Xu Jian1，Liu Wei2，Yang Shichun1
(1.School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Shanghai Volkswagen Co.Ltd，Shanghai 201805，China)

The remote monitoring and serving system is designed for electric vehicle.The system realizes the uploading and storage of the vehicle real-time operating data,which based on data collection and remote wireless data transmission.The vehicle-mounted controller collects and sends data,the server stores,analyzes,deals with the data,while the client provides a vision for the user.As a result,the vehicle′s monitoring function is realized.Through the data analyzing,the server acquires the vehicle serving information，and sends the information to the vehicle-mounted controller.Thus,the remote serving function is realized.The system was tested on a A0-level urban car produced by Great Wall company,and performed well with practicability and stability.

remote monitoring；remote serving；vehicle-mounted controller；server；client

U461.8

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.008

李亞倫，徐健，柳偉，等.電動汽車遠程監(jiān)控與服務系統(tǒng)開發(fā)[J].電子技術應用，2016，42(12)：34-36，40.

英文引用格式：Li Yalun，Xu Jian，Liu Wei，et al.Development of remote monitoring and serving system for electric vehicle[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：34-36，40.

2016-06-21）

李亞倫（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：電動汽車遠程監(jiān)控。

徐?。?992-），女，碩士研究生，主要研究方向：電動汽車遠程監(jiān)控。

柳偉（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電動汽車遠程監(jiān)控。

國家高技術研究發(fā)展計劃（2012AA111202）