耿黃政

摘要：新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)實(shí)時(shí)采集車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車的監(jiān)測和管理。車載終端通過車輛的OBD接口進(jìn)行采集，車載終端在遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)系統(tǒng)里面起著決定性的作用。闡述一種新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)車載終端的軟硬件設(shè)計(jì)，可以支持新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車的監(jiān)測和管理。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;車載終端;軟硬件設(shè)計(jì);云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.056

1 新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)架構(gòu)

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)主要由車載終端、云平臺(tái)、管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成。對(duì)于新能源汽車，車輛相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要由車載終端通過車輛的OBD接口進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)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(tái)。云平臺(tái)按照協(xié)議對(duì)上傳的數(shù)據(jù)字段進(jìn)行解析，將對(duì)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(chǔ)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(tái)的數(shù)據(jù)庫操作接口，直觀地將車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給管理人員。管理人員同時(shí)也能通過管理系統(tǒng)對(duì)聯(lián)網(wǎng)車輛進(jìn)行狀態(tài)查詢、車輛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、發(fā)送車輛遠(yuǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)程監(jiān)測云平臺(tái)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(yuǎn)程監(jiān)測云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)訪問遠(yuǎn)程監(jiān)測云平臺(tái)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(yuǎn)程指令。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)車載終端

車載終端的主要功用是實(shí)現(xiàn)車輛自組織網(wǎng)絡(luò)上承載的車輛信息與外界數(shù)據(jù)的交換，其能否準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集到車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將會(huì)極大地影響遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)。汽車上的各個(gè)功能及各種電子控制系統(tǒng)都是由諸多的電控單元（ Electronic Control Unit'

ECU）控制的，每個(gè)ECU都連接在車載總線上以實(shí)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(yùn)行的最普遍的系統(tǒng)總線之一，典型的配置允許多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)和500m的總線長度，并且能在多種不同的物理層上運(yùn)行。車載終端通過車輛OBD接口實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，采集各個(gè)ECU上的數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)管理系統(tǒng)發(fā)出遠(yuǎn)程指令時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制。

出于對(duì)功能性和成本的綜合考慮，車載終端采用的主控芯片數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力都有限，采集到的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)在車載終端內(nèi)部只完成組包的工作，以TCP/IP傳輸協(xié)議中的標(biāo)準(zhǔn)字段形式上傳到云平臺(tái)，交由云平臺(tái)后端進(jìn)行解析和處理。數(shù)據(jù)組包的發(fā)送周期需要滿足國標(biāo)規(guī)定的實(shí)效性要求，同時(shí)要考慮其工作模式和成本，在滿足功能的前提下盡可能壓縮其成本。

車載終端作為移動(dòng)終端，其工作環(huán)境隨車輛的運(yùn)行不斷發(fā)生變化。由于車載終端是主要通訊設(shè)備，必須有通訊網(wǎng)絡(luò)的加持，而不同的運(yùn)行環(huán)境難免存在無信號(hào)的情況。因此，車載終端須具備存儲(chǔ)本地存儲(chǔ)功能，在通訊條件被阻塞的情況下，將采集到的車輛數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)設(shè)備中，待通訊信號(hào)恢復(fù)后再向云平臺(tái)發(fā)送未上傳的數(shù)據(jù)包。車載終端的軟硬件設(shè)計(jì)決定了新能源汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)測能力。

2.1 車載終端硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)車載終端設(shè)計(jì)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(chǔ)模塊，電源模塊，加速識(shí)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(hào)的選用需要結(jié)合性能、可擴(kuò)展性、成本等方面進(jìn)行綜合考量。恩智浦公司（ NXP）推出的S32K系列微控制單元符合AEC-QIOO規(guī)范，是一款基于32位Arm Cortex-M4F和Cortex-MO+內(nèi)核的微控制單元，其具有可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，并集成ISO CAN FD、SSEc硬件安全、ASIL-B IS026262功能安全及超低功耗等性能。同時(shí)，其配套有完善、免費(fèi)的量產(chǎn)級(jí)軟件開發(fā)套件和S32 Design Studio IDE。因此，本文采用FS32K146作為車載終端的主控芯片。

CAN通信模塊承擔(dān)著車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與外界交換的任務(wù)，由于FS32K146已集成了LIN控制器以及CAN控制器，因此，只需要在此模塊中添加CAN收發(fā)器來轉(zhuǎn)換CAN總線與CAN控制器之間的電平。而對(duì)于LIN總線的通信，同樣預(yù)留了LIN收發(fā)器的接口，為后期進(jìn)行平臺(tái)功能的延伸，拓展類似遠(yuǎn)程開關(guān)車鎖、車窗、車燈等功能提供了可能。本文采用型號(hào)為TJA1027T的LIN收發(fā)器，以及德州儀器公司推出的型號(hào)為TCAN334G，具備CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率）的3.3V CAN收發(fā)器。其具有3.3V單電源運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)5 Mbps、較小的封裝尺寸等特點(diǎn)，并能在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作，符合對(duì)性能和可靠性的要求。

4G通信模塊和定位模塊采用的是上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司（ Quectel）推出的EC20 R2.1模塊。EC20 R2.1是一款帶有分集接收功能，支持五種制式和多種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接的無線通信模塊。同時(shí)，還能在特定的應(yīng)用場景為客戶端提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和語音功能。由于該模塊已集成GNSS功能，車載終端內(nèi)部就不需要額外加裝獨(dú)立的定位模塊，降低了電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。但EC20模塊的GNSS引擎在出廠設(shè)置下是默認(rèn)關(guān)閉的，需要在后臺(tái)使用AT指令將GPS信號(hào)輸出口打開，以激活其GNSS功能。

本地存儲(chǔ)模塊保證車載終端在無線網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)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(chǔ)介質(zhì)，與閃存FLASH、磁電存儲(chǔ)器RAM共同組成本地存儲(chǔ)模塊。若需要存儲(chǔ)新的類型數(shù)據(jù)或大體積數(shù)據(jù)，可更換大容量SD卡或者讀寫速率更快的閃存芯片。

車載終端從車輛OBD接口汲取電量，電源模塊不僅承擔(dān)電池電量的存儲(chǔ)，還要實(shí)現(xiàn)供電的降壓和穩(wěn)壓，以實(shí)現(xiàn)各模塊的穩(wěn)定供電。本文采用SGM4056、XC62IOB332MR、MP24943DN、MP2143四款電壓控制芯片，運(yùn)用二級(jí)降壓的模式，先將電壓降至5V，后降至3.8V和3.3V，為各元器件提供工作電壓。加速感知模塊采用的是MEMS公司推出的型號(hào)為GMA301的三軸數(shù)字加速度計(jì)，此款加速度計(jì)有±6 9的動(dòng)態(tài)感知范圍，彈性采樣率覆蓋于1- 100 Hz，符合車載終端的功能需求。

2.2 車載終端軟件設(shè)計(jì)

在完成車載終端硬件選型和各主要模塊電路設(shè)計(jì)之后，還需要結(jié)合各模塊間的通信協(xié)議對(duì)軟件程序進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)軟硬件的結(jié)合才能使車載終端的各項(xiàng)功能正常運(yùn)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(chǔ)模塊相關(guān)的軟件程序，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、本地存儲(chǔ)3個(gè)部分的功能。

數(shù)據(jù)采集部分的功能主要包含對(duì)車載CAN總線上承載的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，以及定位模塊生成數(shù)據(jù)的采集。車輛數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)過程，首先依靠對(duì)CAN控制器的初始化、配置寄存器等操作，搭建車載終端與CAN總線間的通信通道;之后根據(jù)在CAN2.OB協(xié)議基礎(chǔ)上定制的SAEJ1939協(xié)議中對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層方面的要求，通過向車載CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)幀請(qǐng)求，總線單元隨即發(fā)出帶有標(biāo)識(shí)符的遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，最后接收車輛各ECU返回的數(shù)據(jù)幀。

而對(duì)于車輛的定位數(shù)據(jù)采集，利用的是EC20芯片中內(nèi)置的GNSS功能。由于EC20無線通信模塊中的GNSS引擎是默認(rèn)關(guān)閉的，需要進(jìn)行使能操作才可以進(jìn)行功能激活，因此，首先需要在openwrt上利用AT指令后臺(tái)開啟GPS信號(hào)輸出口;之后將NMEA通訊協(xié)議作為軟件程序設(shè)計(jì)流程的參照依據(jù)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的程序編譯操作;對(duì)定位模塊進(jìn)行初始化即串口的初始化設(shè)置，開外部中斷等待數(shù)據(jù)的接收;當(dāng)接收到采集數(shù)據(jù)幀時(shí)，識(shí)別起始3個(gè)字符為$GN的幀，將其接收并存人緩存區(qū);在緩沖區(qū)中判斷是否為GPRMC精簡語句，通過驗(yàn)證則根據(jù)應(yīng)用的需要對(duì)其進(jìn)行解析，提取如時(shí)間、日期、速度、經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)信息;通過USB串口將采集的定位數(shù)據(jù)信息交由主控芯片，與采集的車輛相關(guān)數(shù)據(jù)共同完成組包。

數(shù)據(jù)上傳部分的程序主要負(fù)責(zé)將車載終端主控芯片組包好的車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的云平臺(tái)。依然使用AT指令完成EC20無線通信模塊的聯(lián)網(wǎng)，設(shè)置接收數(shù)據(jù)的服務(wù)器主機(jī)IP和端口號(hào)，搭建數(shù)據(jù)通信的橋梁，完成在云平臺(tái)服務(wù)器上的登錄操作以及與服務(wù)器的連接后，隨即按照TCP/IP協(xié)議要求將已組包的并存儲(chǔ)于SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)包發(fā)送至云平臺(tái);當(dāng)接收到服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)接收確認(rèn)信息時(shí)，斷開與平臺(tái)的連接，等待下次數(shù)據(jù)上傳。

由于不同運(yùn)行環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)狀況具有差異，車載終端會(huì)出現(xiàn)于云平臺(tái)服務(wù)器連接失敗的情況，進(jìn)而導(dǎo)致該時(shí)段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無法上傳，此時(shí)按照GB/T 32960中的要求，每間隔1 min重新嘗試連接及發(fā)送數(shù)據(jù)，連續(xù)重復(fù)3次無應(yīng)答或返回錯(cuò)誤值，間隔30 min后繼續(xù)重連直至完成補(bǔ)發(fā)，補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)在發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的空閑時(shí)間內(nèi)完成;當(dāng)出現(xiàn)3級(jí)報(bào)警時(shí)，上報(bào)故障發(fā)生時(shí)間點(diǎn)前后30 s的數(shù)據(jù)且信息采樣周期不大于1s，以補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)的形式發(fā)送。

本地存儲(chǔ)部分主要功能為數(shù)據(jù)包的備份與暫存。根據(jù)國標(biāo)要求，車載終端不僅需要將按照固定時(shí)間間隔采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)中，并保存7d，還需要將因網(wǎng)絡(luò)通信異常而未發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便后期補(bǔ)發(fā)。因此，本地存儲(chǔ)部分的主要軟件功能是Flash刷寫。由于SD卡是集成了管理系統(tǒng)的Nand Flash芯片多層疊加，且自帶了驅(qū)動(dòng)程序，其刷寫方法具有通用性。因此，本文不再對(duì)本地存儲(chǔ)的刷寫流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

車載終端的主要功用是實(shí)現(xiàn)車輛自組織網(wǎng)絡(luò)上承載的車輛信息與外界數(shù)據(jù)的交換，其能否準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集到車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，將會(huì)極大地影響遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)。車載終端的軟硬件設(shè)計(jì)決定了新能源汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)測能力。本文闡述的車載終端的軟硬件設(shè)計(jì)，在經(jīng)過了一系列的與遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)融合測試后，可以運(yùn)用于新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車的監(jiān)測和管理。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃世祥，黃宏成，楊松新.能源汽車遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].傳動(dòng)技術(shù)，2014 （4）： 31-36.

[2]王文揚(yáng)，陳正，陳祥威.新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)[J].汽車電器，2015（6）：5-9.