耿黃政　郭雄

摘要：新能源汽車遠程監(jiān)測平臺實時采集車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。設(shè)計開發(fā)的新能源汽車遠程監(jiān)測平臺主要包括車載終端軟硬件，由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)和服務(wù)端程序構(gòu)成的云平臺，由登錄模塊、車輛管理車機管理模塊、數(shù)據(jù)調(diào)用模塊組成的管理系統(tǒng)。開發(fā)一種新能源汽車遠程監(jiān)測平臺，針對新能源汽車的動力特性，采集并土傳諸如車輛狀態(tài)、充電狀態(tài)、車速、累計里程、總電壓、總電流、電池荷電狀態(tài)等車輛相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對新能源汽車的監(jiān)測和管理。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;遠程監(jiān)測平臺;設(shè)計;管理系統(tǒng)

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.019

1 新能源汽車遠程監(jiān)測平臺架構(gòu)

新能源汽車遠程監(jiān)測平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

對于新能源汽車，其主要狀態(tài)可劃分為行駛、駐車和駐車充電三種，由于其主要動力來源是動力電池，在行駛和駐車充電場景下的狀態(tài)數(shù)據(jù)都需要進行實時監(jiān)控。車輛相關(guān)實時數(shù)據(jù)主要由車載終端通過車輛的OBD接口進行采集，在車載終端內(nèi)部完成數(shù)據(jù)的組包。在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的情況下，通過外置的GPRS模塊，按照車載終端與遠程監(jiān)測平臺間的通信協(xié)議.將數(shù)據(jù)以字段的形式發(fā)送到云平臺。云平臺按照協(xié)議對上傳的數(shù)據(jù)字段進行解析，將對應(yīng)字段轉(zhuǎn)換為可讀的車輛數(shù)據(jù)信息，并交由MySQL數(shù)據(jù)庫存儲及管理，為后期大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供數(shù)據(jù)樣本。最終利用管理系統(tǒng)，通過云平臺的數(shù)據(jù)庫操作接口，直觀地將車輛的實時數(shù)據(jù)提供給管理人員。管理人員同時也能通過管理系統(tǒng)對聯(lián)網(wǎng)車輛進行狀態(tài)查詢、車輛數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、發(fā)送車輛遠程指令等操作。

車載終端與車輛之間的通信，通過與OBD接口的物理連接，從車載CAN總線上獲取車輛各個節(jié)點上的控制器相關(guān)數(shù)據(jù)及向控制器發(fā)送指令。車載終端與遠程監(jiān)測云平臺的連接采用的是4G通信技術(shù)及TCP/IP協(xié)議，車載終端通過外置的GPRS模塊與遠程監(jiān)測云平臺進行實時信息交互。管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)訪問遠程監(jiān)測云平臺的數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，或通過服務(wù)器向車輛發(fā)送遠程指令。

1.1 車載終端

車載終端的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)組包、數(shù)據(jù)包上傳、數(shù)據(jù)包解析、ECU通信、本地存儲、GPS定位。汽車上的各個功能及各種電子控制系統(tǒng)都是由諸多電控單元控制的，每個ECU都連接在車載總線上以實現(xiàn)車輛電氣組件之間的網(wǎng)聯(lián)。

CAN總線是最古老的多功能總線規(guī)范之一，也是正在運行的最普遍的系統(tǒng)總線之一，典型的配置允許多達1 10個節(jié)點和500 m的總線長度，并且能在多種不同的物理層上運行。車載終端通過車輛OBD接口實現(xiàn)與車載CAN總線的物理連接，并通過內(nèi)置的CAN通信模塊與ECU實現(xiàn)實時通信，采集各個ECU上的數(shù)據(jù)。另外，當管理系統(tǒng)發(fā)出遠程指令時，車載終端同樣通過逆向路徑向車輛相關(guān)ECU發(fā)送指令以實現(xiàn)對車輛的遠程控制。

1.1.1 車載終端硬件設(shè)計

根據(jù)對車載終端設(shè)計需求的分析可知，車載終端的硬件模塊組成可分為主控芯片、CAN通信模塊、4G通信模塊、定位模塊、本地存儲模塊、電源模塊、加速識別模塊。

主控芯片是車載終端硬件系統(tǒng)中最重要的一部分，其型號的選用需要結(jié)合性能、可擴展性、成本等方面進行綜合考量。CAN通信模塊承擔著車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與外界交換的任務(wù)。4G通信模塊和定位模塊采用的是上海移遠通信技術(shù)股份有限公司（ Quectel）推出的EC20 R2.1模塊。

本地存儲模塊保證車載終端在無線網(wǎng)絡(luò)阻塞時的采集數(shù)據(jù)不丟失，鑒于其數(shù)據(jù)包占用內(nèi)存體積并不大，采用8G容量的SD卡作為存儲介質(zhì)，與閃存FLASH、磁電存儲器RAM共同組成本地存儲模塊。車載終端從車輛OBD接口汲取電量，電源模塊存儲電池電量，實現(xiàn)各模塊的穩(wěn)定供電。加速感知模塊采用的是MEMS公司推出的型號為GMA301的三軸數(shù)字加速度計。

1.1.2 車載終端軟件設(shè)計

在完成車載終端硬件選型和各主要模塊電路設(shè)計之后，還需要結(jié)合各模塊間的通信協(xié)議對軟件程序進行編寫，實現(xiàn)軟硬件的結(jié)合才能使車載終端的各項功能正常運行。本文在Keil uVision4開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編寫及調(diào)試與CAN通信模塊、4G通信模塊、定位模塊、本地存儲模塊相關(guān)的軟件程序，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、本地存儲3部分功能。數(shù)據(jù)采集部分的功能主要包含對車載CAN總線上承載的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和定位模塊生成數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)上傳部分的程序主要負責將車載終端主控芯片組包好的車輛實時數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)測系統(tǒng)的云平臺。本地存儲部分主要功能為數(shù)據(jù)包的備份與暫存。

1.2 云平臺

1.2.1 云平臺功能

1.2.1.1 數(shù)據(jù)解析

云平臺按照車載終端采用的TCP/IP傳輸協(xié)議，將上傳到平臺的數(shù)據(jù)包對應(yīng)字段解析還原成可讀的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于車輛運行環(huán)境不斷變化，其定位信號和4G信號會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，部分實時監(jiān)測數(shù)據(jù)將無法做到實時上傳，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集出現(xiàn)錯誤與缺失。平臺必須剔除無效數(shù)據(jù)，并在接收到車載終端的補發(fā)數(shù)據(jù)后，實時整合數(shù)據(jù)，保證實時數(shù)據(jù)集在時間軸上的連續(xù)性和完整性。

1.2.1.3 數(shù)據(jù)庫管理

監(jiān)測車輛通過車載終端與云平臺連接后，即向云平臺不斷發(fā)送數(shù)據(jù)，隨著時間的積累，大量的上傳數(shù)據(jù)將會在概念上從實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闅v史數(shù)據(jù)。為了方便調(diào)用管理系統(tǒng)，云平臺須具有在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部將數(shù)據(jù)分區(qū)域劃分存儲的功能，例如實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的區(qū)分，車輛數(shù)據(jù)和車機數(shù)據(jù)的區(qū)分，采集數(shù)據(jù)和錄人數(shù)據(jù)的區(qū)分等。

1.2.1.4 提供操作接口

云平臺需要提供數(shù)據(jù)查詢接口給管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢及列表導(dǎo)出功能;提供數(shù)據(jù)庫操作接口，實現(xiàn)對車輛信息、車機信息的增刪查改功能;提供指令轉(zhuǎn)發(fā)接口，實現(xiàn)車輛遠程控制指令的發(fā)送及反饋功能;提供轉(zhuǎn)發(fā)接口，將平臺采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至國家公共平臺。

1.2.1.5 云平臺擴展接口

為了提高云平臺底層代碼的復(fù)用性，需要前期在云平臺的系統(tǒng)架構(gòu)中預(yù)置數(shù)據(jù)庫調(diào)用及擴展接口。由于新能源汽車車輛數(shù)據(jù)的監(jiān)測與采集是提供遠程服務(wù)的基礎(chǔ)，當需要開發(fā)新的車輛大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺時，僅需將遠程監(jiān)測云平臺部分作為提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的源頭，在此基礎(chǔ)上添加特定應(yīng)用場景下的功能擴展模塊及并行系統(tǒng)。此類以云平臺作為應(yīng)用系統(tǒng)的主干，對外提供擴展接口的方式，將大大提高平臺底層代碼的復(fù)用性，并盡可能減少新平臺的開發(fā)時間和成本。

1.2.2 云平臺總體設(shè)計

遠程監(jiān)測平臺的整體結(jié)構(gòu)分為操作系統(tǒng)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫及開發(fā)語言4個部分。Linux是一套免費開源類Unix操作系統(tǒng)，開源的優(yōu)點在于可以監(jiān)控數(shù)據(jù)運算及流向，因此也具備很高的安全性。同時，對于云平臺這種依賴共享資源集群的系統(tǒng)，需要虛擬化技術(shù)的支持，目前幾款比較出名的虛擬化軟件都是以Linux為內(nèi)核開發(fā)的，其優(yōu)越性也不言而喻。由于云平臺的主要功用在于接收實時上傳的車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及向車載終端發(fā)送遠程指令，同時考慮到大量車載終端接人以及高訪問量，獨立的單體結(jié)構(gòu)服務(wù)器無法滿足系統(tǒng)的需求，因此遠程監(jiān)測云平臺需要采用分布式的服務(wù)器集群來解決其高并發(fā)導(dǎo)致的算力不足問題。

考慮到現(xiàn)階段數(shù)據(jù)庫主要是存儲車輛的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，運用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以較好完成數(shù)據(jù)的高效管理。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的存儲邏輯是將數(shù)據(jù)預(yù)先進行人為分類，然后保存在不同的表單中，所以其查詢速度和應(yīng)用靈活性得到了保證。得益于其優(yōu)異的性能，且能與PHP和Apache搭配形成開源條件下的優(yōu)異開發(fā)環(huán)境，本文采用在Web應(yīng)用方面最好的開源關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用軟件MySQL作為遠程監(jiān)測云平臺的數(shù)據(jù)庫。

開發(fā)語言采用PHP、Go及JavaScript。PHP作為一種創(chuàng)建動態(tài)交互性站點的強有力的服務(wù)器端腳本語言，十分適合Web開發(fā)，且語言簡單、易上手，因此選用PHP語言作為云平臺及管系統(tǒng)主要架構(gòu)的編譯語言。

1.3 管理系統(tǒng)

1.3.1 管理系統(tǒng)功能介紹

1.3.1.1 監(jiān)控管理

對所有與云平臺連接的監(jiān)控車輛的定位信息和實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，在可視化界面中直觀展示當前車輛位于地圖上的定位，以及典型的新能源汽車實時數(shù)據(jù)。

1.3.1.2 故障告警

根據(jù)國標要求，當車輛出現(xiàn)運行故障時須上報故障信息，包括故障名稱、故障起止時間、持續(xù)時間等信息。

1.3.1.3 車輛管理

系統(tǒng)可監(jiān)測車輛及車機在平臺上的注冊及登錄、車輛基本信息的管理，以及與車載終端的綁定操作。

1.3.1.4 車機管理

系統(tǒng)可對車機的綁定狀態(tài)進行管理，對車載終端軟件升級包的管理及發(fā)送，以及查詢車機的原始數(shù)據(jù)。

1.3.1.5 數(shù)據(jù)查詢

通過輸入車輛車牌號或VIN碼，可查詢特定時段的車輛行駛記錄及充電記錄。

1.3.1.6統(tǒng)計報表

將各個車輛的實時數(shù)據(jù)進行匯總整理，以統(tǒng)計報表的形式呈現(xiàn)在用戶界面上，根據(jù)一段時間內(nèi)的里程、充電、故障等內(nèi)容的統(tǒng)計，對車輛和車機進行宏觀管理。

1.3.2 管理系統(tǒng)主要模塊開發(fā)

1.3.2.1 登錄模塊

客戶端登錄模塊是整個遠程監(jiān)測平臺管理系統(tǒng)的人口，在對平臺進行操作前，該模塊需要完成對管理人員或用戶的身份認證，并提供修改密碼功能選項。

1.3.2.2 車輛管理與車機管理模塊

車輛管理模塊和車機管理模塊共同完成對監(jiān)控車輛身份信息錄入以及車載終端與車輛的綁定操作，因此，在此對兩模塊進行并行設(shè)計。其操作邏輯設(shè)計如下：在車輛管理模塊下點擊“添加”按鈕到達車輛信息注冊界面，錄入車輛VIN碼、車牌號、車型車款等車輛身份信息，支持信息的增、刪、改;在車機管理模塊下點擊“添加”按鈕到達車機信息注冊界面，錄入車機編號、SIM卡號等車載終端身份信息，支持信息的增、刪、改;在未綁定車機模塊中，查找新注冊的未綁定車機號，點擊“綁定車輛”按鈕，查找新注冊車輛VIN碼或車牌號，選定后點擊“綁定”即可完成車輛與車載終端的綁定。以上操作的業(yè)務(wù)邏輯均為：管理系統(tǒng)客戶端首先向Server端發(fā)送增、刪、改及查詢的服務(wù)請求，后者響應(yīng)服務(wù)請求，更新或檢索數(shù)據(jù)庫，最后將結(jié)果返回到前端。

1.3.2.3 數(shù)據(jù)調(diào)用模塊

作為新能源汽車遠程監(jiān)測平臺管理系統(tǒng)，其核心是提供監(jiān)控車輛的實時數(shù)據(jù)查詢、展示、導(dǎo)出等功能，而實現(xiàn)這些功能的本質(zhì)就是對數(shù)據(jù)的調(diào)用。在對管理系統(tǒng)的需求分析中，將其功能設(shè)計為6個主要的功能，其中車監(jiān)控管理、故障告警、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計報表4個功能模塊，承擔了對監(jiān)控車輛實時數(shù)據(jù)查詢和展示的主要任務(wù)。鑒于數(shù)據(jù)調(diào)用功能的業(yè)務(wù)邏輯相同，僅在調(diào)用的數(shù)據(jù)類型及前端呈現(xiàn)方式上有區(qū)別，因此，對此4個功能模塊進行并行設(shè)計與開發(fā)。

2 遠程監(jiān)測平臺測試

按照系統(tǒng)測試流程對車載終端與新能源汽車遠程監(jiān)測平臺的聯(lián)合功能測試，結(jié)果表明車載終端能完成對車輛實時數(shù)據(jù)的采集，并在內(nèi)部組包后發(fā)送至遠程監(jiān)測平臺，同時在存儲模塊中進行數(shù)據(jù)的備份;登錄模塊能完成對登錄用戶身份信息的驗證;車輛管理模塊與車機管理模塊能夠完成設(shè)備身份信息的增、刪、改、查等操作，并能在模塊內(nèi)完成車輛與車機對應(yīng)身份信息的綁定;監(jiān)控管理模塊中，能實時顯示車輛當前的數(shù)據(jù)，并按照設(shè)置的刷新時限對界面上的數(shù)據(jù)進行更新，同時其定位數(shù)據(jù)能以標注的形式在百度地圖上顯示;故障告警模塊能及時顯示車輛報警等級，并上傳故障發(fā)生前后30 s內(nèi)的故障信息;數(shù)據(jù)查詢模塊內(nèi)能根據(jù)篩選條件，準確匹配到車輛的行駛記錄或充電記錄，且能導(dǎo)出當前的查詢數(shù)據(jù);統(tǒng)計報表模塊能以走勢圖和柱狀圖作為媒介，展示車輛以日、月為單位的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有表現(xiàn)層的測試結(jié)果，目前整體系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計開發(fā)了一套具有通用特性的新能源汽車遠程監(jiān)測平臺，該平臺可運用于以車輛實時數(shù)據(jù)監(jiān)測為基礎(chǔ)的新能源汽車服務(wù)管理系統(tǒng)，可以提升新能源汽車的監(jiān)控管理及遠程服務(wù)水平，不僅能加快提高用戶對新能源汽車的接受度，還能為廠商在生產(chǎn)制造及升級技術(shù)方面提供重要的指導(dǎo)，逐漸實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的“新四化”。