蘇 濤

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

我國最新頒布的新能源汽車發(fā)展政策，明確規(guī)定：新生產(chǎn)的新能源汽車必須通過車載終端對車輛實時數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到企業(yè)平臺，實現(xiàn)對車輛的遠程監(jiān)控[1]。電動汽車作為新能源汽車的一種，是未來汽車發(fā)展的主流方向。對于電動汽車來說，對車輛運行數(shù)據(jù)的監(jiān)控，有助于掌握車輛的運行狀況和故障信息，提高電動汽車運行的安全性，同時運行數(shù)據(jù)的采集對電動汽車的優(yōu)化設計具有重要的意義。

文獻[2-3]提出基于GPRS無線通信技術和CAN總線技術的電動汽車監(jiān)控終端，實現(xiàn)了對電動汽車運行數(shù)據(jù)的采集和遠程傳輸。文獻[4]提出基于RFID，GPS和傳感器技術的物流車車載終端系統(tǒng)，實現(xiàn)了車輛識別、實時定位等功能。文獻[5]提出基于ARM平臺和嵌入式Android操作系統(tǒng)的車載終端，實現(xiàn)了電動汽車與電網(wǎng)之間信息和能量的相互交互。文獻[6]介紹了基于北斗定位模塊和GPRS通信模塊的車載終端系統(tǒng)，同時采用擴展卡爾曼濾波算法提高系統(tǒng)的定位精度。

為滿足電動汽車遠程監(jiān)控中的信息交互需求，結合CAN總線、北斗定位、AES加密及4G通信等技術，設計了電動汽車車載終端系統(tǒng)，用于純電動汽車的智能化監(jiān)控管理。

1 車載終端系統(tǒng)原理

車載終端系統(tǒng)是車輛監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一[8]。車輛監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 車輛監(jiān)控系統(tǒng)結構Fig.1 Vehicle monitoring system structure

根據(jù)車載終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流向，分析車載終端系統(tǒng)的工作原理如下：車載終端系統(tǒng)通過CAN通信模塊獲取車輛的實時運行信息，包括電機數(shù)據(jù)、電池數(shù)據(jù)及故障信息等[9]；通過北斗定位模塊獲取車輛的定位數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議打包后加密，然后通過4G通信模塊發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)測。遠程監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡將控制指令發(fā)送到車載終端系統(tǒng)[10]，車載終端系統(tǒng)再通過CAN通信模塊將控制指令轉發(fā)到CAN總線上的節(jié)點，實現(xiàn)對車輛的遠程控制。

根據(jù)車載終端系統(tǒng)的工作原理，文中設計了電動汽車的車載終端系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示，其主要組成模塊包括：

1）主控制器模塊 作為車載終端系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)車載終端系統(tǒng)功能的關鍵；將車載終端系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議打包加密后發(fā)送給無線通信模塊，同時響應遠程監(jiān)控中心發(fā)送來的控制指令。

2）4G通信模塊 建立車載終端系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心的通信，實現(xiàn)車載終端系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心信息的交互。

3）北斗定位模塊 負責接收車輛的定位數(shù)據(jù)。

4）CAN通信模塊 與電動汽車CAN網(wǎng)絡相連接，負責采集車輛實時運行信息及向CAN總線上的節(jié)點發(fā)送控制指令。

圖2 車載終端系統(tǒng)硬件結構Fig.2 Hardware structure of vehicle terminal system

2 車載終端硬件設計

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊采用FreeScale MC9S12XE系列單片機中的MC9S12XEP100，用于接收車輛實時運行信息、定位數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定的協(xié)議重新打包數(shù)據(jù)后加密。此外，還用于控制4G通信模塊，完成相應的發(fā)送、接收任務。

MC9S12XEP100單片機有64 kB的RAM，1 MB的 Flash，4 kB的 EEPROM，8路 SCI通信接口、3路SPI通信接口、2路IIC通訊接口、5路CAN通訊接口[11]。片上資源豐富可以滿足系統(tǒng)需求，同時其內(nèi)部集成了MSCAN控制器，便于系統(tǒng)的硬件設計。

2.2 CAN通信模塊

在電動汽車中，電動汽車各個控制器之間大多可以通過CAN總線實現(xiàn)信息共享。因此，車載終端系統(tǒng)可以通過CAN總線獲取車輛的實時運行信息，并通過CAN總線向車載CAN網(wǎng)絡中的節(jié)點發(fā)送控制指令。在此CAN總線通信采用標準幀格式，遵循CAN 2.0B規(guī)范。

CAN通信模塊的接口芯片選用TLE6250G。TLE6250G是英飛凌公司的、應用于汽車高速數(shù)據(jù)傳輸CAN上的集成總線收發(fā)器。該芯片具有電磁兼容性好、信號傳輸速率高等優(yōu)點，其設計滿足IS011898標準。為了提高車載終端系統(tǒng)的抗干擾能力，將CAN引腳通過高速光耦6N137與總線收發(fā)器TLE6250G相連，實現(xiàn)信號的隔離。

2.3 北斗定位模塊

車載終端系統(tǒng)通過北斗定位模塊獲取車輛的定位數(shù)據(jù)。在此選用和芯星通公司的UM220定位芯片。UM220是專門針對車輛監(jiān)控推出的定位芯片。UM220具有尺寸小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點[12]。同時，芯片的外圍電路設計簡單，無需外接CPU進行控制。北斗定位模塊電路如圖3所示。單片機通過UART接口與模塊之間進行通信，便于信息處理。

2.4 4G通信模塊

圖3 UM220模塊電路Fig.3 UM220 module circuit

4G通信模塊是整個系統(tǒng)通信基礎。它實現(xiàn)了車載終端系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心無線通信，在此采用中興公司的4G通信模塊ME3760。該模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，功能強大，數(shù)據(jù)傳輸服務上行速率可達10 Mb/s和下行速率可達150 Mb/s，傳輸速度快，滿足車載終端系統(tǒng)對實時性和可靠性的需求。系統(tǒng)中的4G通信模塊通過異步串口與主控制器連接，通過AT指令控制模塊連接到因特網(wǎng)，實現(xiàn)無線通訊功能。ME3760模塊的電路如圖4所示。

圖4 ME3760模塊電路Fig.4 ME3760 module circuit

3 車載終端軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序總體流程

車載終端系統(tǒng)軟件結構包括一個主程序和若干子程序。系統(tǒng)的總體程序設計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的總體程序設計流程Fig.5 System overall program design flow chart

車載終端系統(tǒng)子程序主要包括以下8個部分：①初始化子程序 用于車載終端系統(tǒng)初始化，包括單片機串口初始化、變量初始化等；②4G模塊聯(lián)網(wǎng)子程序 為單片機向4G通信模塊發(fā)送AT指令建立與遠程監(jiān)控中心的網(wǎng)絡連接；③北斗定位數(shù)據(jù)接收子程序 用于讀取串口的北斗定位數(shù)據(jù)，提取系統(tǒng)所需的經(jīng)緯度、時間、速度數(shù)據(jù)，并保存在相應的變量中；④CAN數(shù)據(jù)接收子程序 用于接收CAN總線上的車輛實時運行信息，并保存在相應的變量中；⑤CAN數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 用于轉發(fā)監(jiān)控管理中心的控制指令到CAN總線上的指定節(jié)點；⑥數(shù)據(jù)打包子程序 按照規(guī)定的通信協(xié)議打包車輛的實時運行信息、定位數(shù)據(jù)；⑦AES加密子程序 用于將打包好的明文數(shù)據(jù)加密處理為密文數(shù)據(jù)；⑧數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 用于將加密后的密文數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。

3.2 CAN通信子程序

CAN通信子程序包括CAN數(shù)據(jù)接收子程序和CAN數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。車載終端系統(tǒng)接收到遠程監(jiān)控中心發(fā)送來的控制指令后，車載終端系統(tǒng)設置接收節(jié)點的ID，并將控制指令轉發(fā)到CAN總線上，CAN總線上的各個節(jié)點根據(jù)CAN報文的ID判斷是否接收。CAN總線上節(jié)點將實時運行信息發(fā)送到CAN總線上，車載終端系統(tǒng)根據(jù)ID判斷是否接收，車載終端系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)接收采用中斷方式。

3.3 北斗定位數(shù)據(jù)接收子程序

NMEA0183是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設備制定的標準格式。目前GPS模塊輸出的語句都是NMEA0183格式，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)也遵循這一世界公認的標準[13]。系統(tǒng)中使用北斗推薦的定位信息語句，其語句格式為$BDRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，<11>*hh。其具體含義見表1。

表1 北斗推薦定位信息Tab.1 Beidou recommended positioning information

北斗定位數(shù)據(jù)接收子程序流程如圖6所示。首先對北斗模塊進行初始化，然后讀取串口開始接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)幀是否為“$”，如果是則判斷接收的幀頭是否為$BDRMC，再判斷數(shù)據(jù)是否有效，若有效則提取所需要的數(shù)據(jù)。

圖6 北斗定位數(shù)據(jù)接收流程Fig.6 Beidou location data receiving process

3.4 AES加密子程序

AES（advanced encryption standaed）確定分組密碼Rijndael為其算法。該算法為對稱加密算法，加密的密鑰與解密的密鑰相同，AES算法的密鑰長度和數(shù)據(jù)塊的長度可以被設計為128，192，256 bit[14]。AES算法在結構上采用代替置換網(wǎng)絡構成輪變換，結合了一系列數(shù)學運算，通過多輪迭代后得到加密后的數(shù)據(jù)[15]。系統(tǒng)中，AES算法數(shù)據(jù)塊長度和密鑰長度均采用128 bit，其加密流程如圖7所示。

圖7 AES算法加密流程Fig.7 AES algorithm encryption flow chart

目前，現(xiàn)有的所有破譯方法對AES均無法構成有效威脅，AES算法的安全性極強，同時其加密形式具有靈活簡單的特點。因此，車載終端系統(tǒng)采用AES算法用于4G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳遞，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.5 4G通信模塊子程序

4G通信模塊主要建立車載終端系統(tǒng)與遠程監(jiān)控中心的無線網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)兩者之間信息的交互。

車載終端系統(tǒng)將采集的車輛數(shù)據(jù)打包加密后，通過4G通信模塊發(fā)送到遠程監(jiān)控中心服務器，并接收遠程監(jiān)控中心發(fā)送過來的控制指令。在整個系統(tǒng)軟件的設計中，建立與遠程監(jiān)控中心的TCP/IP連接及數(shù)據(jù)的上傳、接收非常重要。通過AT指令完成4G通信與遠程監(jiān)控中心無線網(wǎng)絡的連接、車輛數(shù)據(jù)的上傳、遠程監(jiān)控中心指令的接收，系統(tǒng)軟件設計中所涉及的主要AT指令見表2。

表2 AT指令Tab.2 AT command form

4 測試驗證

所設計車載終端系統(tǒng)采集車輛的實時運行信息、定位數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控中心，并在遠程監(jiān)控中心客戶端顯示數(shù)據(jù)的解析結果；同時接收遠程監(jiān)控中心發(fā)送過來的控制指令并響應指令。

在實驗室環(huán)境下進行的車載終端系統(tǒng)模擬測試如圖8所示。在實驗室中由一臺計算機模擬遠程監(jiān)控中心，使用HTML+CSS+JavaScript設計開發(fā)遠程客戶端，顯示數(shù)據(jù)的解析結果，并在室內(nèi)測試靜止狀態(tài)下車載終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；使用另外一臺計算機運行CANTest軟件，并通過USB轉CAN模塊與車載終端系統(tǒng)連接，驗證車載終端系統(tǒng)采集車輛實時運行信息及響應遠程監(jiān)控中心控制指令的功能。測試結果顯示，該車載終端系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛實時運行信息和定位數(shù)據(jù)的可靠傳輸，準確響應遠程監(jiān)控中心控制指令，等基本功能，實現(xiàn)了與遠程監(jiān)控中心信息的交互。

圖8 電動汽車車載終端系統(tǒng)的模擬測試Fig.8 Simulation test of vehicle terminal system of electric vehicle

5 結語

通過對CAN總線、北斗定位、AES加密及4G通信等技術的研究，設計了一種電動汽車車載終端系統(tǒng)。其中，車載終端系統(tǒng)分別通過CAN通信模塊和北斗定位模塊獲取了車輛的實時運行信息和定位數(shù)據(jù)；通過4G通信模塊建立與遠程監(jiān)控中心的無線網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心信息的交互；通過使用AES加密算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｗ詈?，通過實驗室模擬試驗，驗證了該車載終端系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛實時運行信息和定位數(shù)據(jù)可靠傳輸、準確響應遠程監(jiān)控中心指令等基本功能，實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心信息的交互。所設計的電動汽車車載終端系統(tǒng)為車輛監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，可為電動汽車的進一步優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)來源，有助于推動電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，該車載終端系統(tǒng)在車輛防盜報警中也起到一定的作用。

[1]中華人民共和國工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)部.新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準入管理規(guī)定[EB/OL].2017-01-16.http：//www.miit.gov.cn/n11 46285/n1146352/n3054355/n3057254/n3057264/c5462995/content.html.

[2]周新宇，姜久春，牛利勇，等.基于GPRS的純電動汽車遠程監(jiān)控終端研究與設計[J].電測與儀表，2013，50（11）：96-101.

[3]劉楊，程勇，紀少波，等.基于GPRS與CAN總線的純電動汽車無線監(jiān)測平臺的開發(fā)[J].山東大學學報：工學版，2011，41（6）：109-114.

[4]Li H，Zhou Y，Wan C.A smart context-aware-oriented vehicle terminal system in logistics transportation[C]//International ICST Conference on Communications and Networking in China.IEEE，2013：493-497.

[5]儲毅，趙明宇.適用于電動汽車與電網(wǎng)互動的智能車載終端的設計[J].制造業(yè)自動化，2013，35（1）：59-62.

[6]Li W，Bai M，Lu R，et al.The design of high accuracy differential positioning vehicle terminal based on BeiDou Navigation System[C]//Advanced Information Management，Communicates，Electronic and Automation Control Conference.IEEE，2017：881-886.

[7]林勇，馮英峰，楊玲.基于GPRS的智能控制電子門鎖系統(tǒng)設計[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2015，38（7）：897-900.

[8]惠曉威，劉彥每.基于GPS/GPRS的物流車載終端系統(tǒng)設計[J].計算機應用與軟件，2015，32（6）：80-82.

[9]李晃.基于ARM的電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究[D].武漢：武漢理工大學，2015.

[10]余紅珍，伍永豪，周鳳麗.基于μC/OS-Ⅱ的車載終端系統(tǒng)設計[J].計算機應用與軟件，2013，30（2）：324-327.

[11]韓愛國，王萌.基于MC9S12XEP100的純電動物流車整車控制器設計[J].自動化與儀表，2017，32（9）：20-23.

[12]周曉，鄭定超，方玖琳，等.基于UM220的北斗接收機及WEB終端設計[J].計算機測量與控制，2016，24（3）：238-240.

[13]康昊，譚秋林，秦麗，等.基于GPS的車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2013，21（9）：2406-2408.

[14]張小梅.AES算法在ARM核嵌入式系統(tǒng)上的優(yōu)化實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件，2012，29（5）：285-288.

[15]Kumar A，Kumar M，Balramudu P.Implementation of AES algorithm using VHDL[C]//2017 International Conference on Computing Methodologies and Communication.2017：732-737.