巫肇彬，張守峰，何為星，周 航，沈啟廣

（廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

0 引言

目前，汽車的社會保有量維持在一個較高的水平[1]，車輛狀態(tài)信息在線監(jiān)測、遠(yuǎn)程定位及道路導(dǎo)航等需求逐漸增多[2-3]；汽車功能的增多和智能化水平的不斷提高致使車輛的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、精細(xì)，車輛狀態(tài)信息種類繁多，對維修人員的技術(shù)要求越來越苛刻，對在線監(jiān)測設(shè)備也提出了較高的要求。另一方面，道路安全評價對提高道路交通安全度尤為重要。據(jù)統(tǒng)計，截至2017 年6月，全國機動車數(shù)量突破3.04 億輛；2011～2017 年，全國每年約6 萬人死于交通事故，其中由駕駛員認(rèn)知及行為決策失誤造成的交通事故約占80%[4]。因此，駕駛員也渴望了解自己的汽車行駛過程中一些數(shù)據(jù)，從而更加主動地對車輛進行管理[5]。

目前，交通領(lǐng)域已成為物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略技術(shù)產(chǎn)業(yè)重點推廣示范領(lǐng)域之一[6]，其中車輛聯(lián)網(wǎng)是汽車未來發(fā)展的趨勢之一[7]。車載診斷系統(tǒng)(on board diagnostics, OBD)是車輛聯(lián)網(wǎng)的重要部分，當(dāng)與車載控制系統(tǒng)有關(guān)的控制系統(tǒng)或相關(guān)電子部件有故障時，其隨時向駕駛者發(fā)出警告[8]。最初使用 OBD 的目的是輔助維修人員進行車輛診斷，隨著汽車科技的發(fā)展和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，OBD 的用戶逐漸從傳統(tǒng)汽車的服務(wù)專業(yè)人員轉(zhuǎn)向廣大車主[9]。雖然OBD 技術(shù)越來越成熟，具備了故障診斷、實時監(jiān)控及遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)等一系列拓展功能[10]，且各種各樣的OBD 技術(shù)層出不窮，但大多只局限于故障診斷這一方面，且人機交換功能并不完善[11]；同時，僅部分高端車配置有在線監(jiān)測設(shè)備，且還存在功能單一、體積大、普適性差等缺點。針對此類問題，本文設(shè)計了一套車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)，其基于OBD 協(xié)議獲取車輛信息并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實現(xiàn)車輛與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，最終實現(xiàn)車輛信息在云端存儲。該系統(tǒng)不僅便于駕駛者與車輛管控人員實時了解車輛狀況，而且還可及時發(fā)現(xiàn)車輛行駛中的不良駕駛問題，從而減少或避免交通事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

車聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)測模塊作為現(xiàn)有車輛功能基礎(chǔ)上一項簡易、低廉的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，被逐漸擴展適配應(yīng)用于整個車輛市場。對于車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方面的需求，目前主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）能夠及時發(fā)現(xiàn)車輛異常信息并做出判斷；（2）對故障信息發(fā)出警告信號；（3）對車輛保養(yǎng)維護作出合理的建議；（4）能夠?qū)崟r的定位并具備防盜預(yù)警功能。

目前商品化的在線監(jiān)測設(shè)備特定性強，只能用于部分車輛，無法做到設(shè)備通用化。本文所設(shè)計的車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不僅可實時遠(yuǎn)程監(jiān)測車輛運行狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，同時還將車輛的運行狀況反饋給監(jiān)控中心，以實現(xiàn)車輛的檢測、管理、監(jiān)督功能的一體化。該系統(tǒng)由嵌入式監(jiān)測模塊、云端數(shù)據(jù)庫和管理平臺3 部分組成（圖1），可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析及應(yīng)用等功能，其中監(jiān)測模塊用于車輛狀態(tài)信息流的獲取，云端數(shù)據(jù)庫用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲及分析，管理平臺負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 基于OBD 協(xié)議的車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the vehicle remote monitoring system based on OBD protocol

嵌入式監(jiān)測模塊主要由4 大模塊組成（圖2），分別為負(fù)責(zé)主控制中心的MCU 端、OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、GPS 定位模塊以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉PRS/GSM 模塊。

圖2 嵌入式監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the embedded monitoring module

主控制中心的MCU 端采用Cortex-M3 主控芯片，搭載微型嵌入式操作系統(tǒng)控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互，主要接收GPS 定位模塊、OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊傳輸回來的數(shù)據(jù)，并對此類數(shù)據(jù)進行處理分析；當(dāng)檢測到車輛發(fā)送的數(shù)據(jù)存在異常時，系統(tǒng)進入故障識別程序，提取故障碼識別，判斷出車輛發(fā)生故障的具體部位，并將此數(shù)據(jù)結(jié)合GPS 產(chǎn)生的定位信息構(gòu)建特定格式的數(shù)據(jù)包，由GPRS/GSM 通信協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端。

OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊搭載ELM327 轉(zhuǎn)換協(xié)議芯片，通過K 線協(xié)議與CAN 總線協(xié)議讀取識別車輛的電子控制單元，達到對車輛狀態(tài)信息采集的目的。

GPS 定位模塊主要是采集車輛的位置信息，并通過串行接口將車輛的位置信息發(fā)送給主控制中心的MCU 端。

GPRS/GSM 模塊主要將主控制中心MCU 端的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主控芯片采用低功耗、高效率的STM32 型芯片，搭載GPS 定位模塊、GPRS/GSM 通信模塊、OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.3 Block diagram of the system structure

2.1 GPS 定位模塊

GPS 定位模塊采用ATK-NEO-6M-V23 型模塊，此模塊核心采用UBLOX 公司NEO-6M 模組，具有50 個通道，追蹤靈敏度高達-161 dBm，測量輸出頻率最高可達5 Hz。此外，該模塊自帶陶瓷天線及MAXIM 公司20.5 dB 高增益LAN 芯片，搜星能力強；自帶可充電備用電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)；可通過串口進行各種參數(shù)設(shè)置，使用方便，體積小巧，性能優(yōu)異，具有高性能、低功耗的優(yōu)點。定位模塊輸出TTL 電平，通過串行接口與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相連，具有很強的兼容性。GPS 定位模塊電路如圖4 所示。

圖4 GPS 定位模塊電路Fig.4 Circuit of the GPS positioning module

2.2 GPRS/GSM 通信模塊

GPRS/GSM 通信模塊采用SIM800A 型模塊，其基于MT6261系列設(shè)計，雙工作頻段（GSM900/1800MHz），可以低功耗地實現(xiàn)語音通話、短信、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸、文本播報（TTS）和基站定位等功能；并搭配TCP，UDP，F(xiàn)TP 及PPP 等多種協(xié)議，使得AT（attention）命令能夠直接調(diào)用這些傳輸協(xié)議，靈活地滿足各種不同的環(huán)境需求。SIM800A 模塊電源采用開關(guān)電源模塊供電，電源利用效率高，支持USB 直接供電，同時帶電源使能引腳，可以控制模塊電源，起到很好的保護和抗干擾作用。圖5 示出SIM800A 模塊電路。

2.3 OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊采用ELM327 芯片，其支持所有OBD-II 自診斷系統(tǒng)及與其相兼容的通信協(xié)議檢測，OBD 協(xié)議數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)類型，車輛信息被準(zhǔn)確無誤地傳輸至CPU。圖6 示出OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊電路。

圖5 SIM800A 模塊電路Fig.5 Circuit of SIM800A module

圖6 OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊電路Fig.6 Circuit of the OBD protocol conversion module

2.4 電源轉(zhuǎn)換模塊

電源轉(zhuǎn)換模塊為芯片提供能量。根據(jù)芯片的電壓工作范圍選擇合適的電源芯片，同時考慮噪聲、轉(zhuǎn)換效率等因素，模塊中采用LM2676 型開關(guān)電源芯片輸出3.3 V電壓，采用LT1761型線性電源芯片輸出5 V電壓。通過開關(guān)電源和線性電源芯片的優(yōu)化組合，使系統(tǒng)的電源效率最大化。圖7 示出電源轉(zhuǎn)換模塊電路。

圖7 電源轉(zhuǎn)換模塊電路Fig.7 Circuit of the power conversion module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于OBD 協(xié)議的車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括終端OBD 監(jiān)測程序和遠(yuǎn)程監(jiān)控界面的設(shè)計（圖8）。終端OBD 監(jiān)測程序通過AT 指令讀取車輛內(nèi)部ECU 實時數(shù)據(jù)、GPS 定位數(shù)據(jù)等，并將此類數(shù)據(jù)融合成特定的數(shù)據(jù)包，經(jīng)由GPRS/GSM 通信協(xié)議傳至服務(wù)器。用C#語言設(shè)計的Web 網(wǎng)頁端來呈現(xiàn)車輛運行數(shù)據(jù)信息，用戶可同時用電腦和手機登錄相應(yīng)IP地址進入網(wǎng)頁進行查看。

圖8 系統(tǒng)軟件框架Fig.8 Framework of the system software

3.1 終端OBD 監(jiān)測程序

將診斷設(shè)備接入汽車DLC 接口，校驗正確后，開始判斷協(xié)議以便進行數(shù)據(jù)采集處理。終端OBD 監(jiān)測程序中，首先使用OBD Task( )初始化系統(tǒng)，打開 CAN接口并配置相應(yīng)的波特率和位數(shù)參數(shù)，初始化I/O 接口、傳輸函數(shù)和應(yīng)用層函數(shù)；然后通過AT 指令讀取車輛內(nèi)部ECU 實時數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的OBD 數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否異常；將正常數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，將錯誤代碼進行解析生成錯誤代碼存儲并上傳至服務(wù)器。終端OBD 監(jiān)測程序如圖9 所示。

圖9 終端OBD 監(jiān)測程序Fig.9 Terminal OBD monitor program

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控界面

系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計架構(gòu)（圖10）包含用戶層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層3 部分。用戶可通過專有的IP 地址登錄服務(wù)器終端，對所需要的數(shù)據(jù)進行設(shè)置及請求，從而查看車輛的狀況信息，包括GPS 定位信息、車輛電氣參數(shù)等。通過系統(tǒng)監(jiān)控界面可實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)、行車數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)等的管理。

圖10 監(jiān)控界面架構(gòu)Fig.10 Architecture of the monitor interface

3.3 GPRS/GSM 通信系統(tǒng)

GPRS/GSM 模塊使用AT 指令進行相關(guān)操作。首先進行初始化，設(shè)置GPRS 連接服務(wù)器，待連接穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)包的鑒權(quán)分析，最后建立通信鏈路，通過TCP連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器，實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)傳送。GPRS/GSM 通信流程如圖11 所示。

圖11 GPRS/GSM 通信流程Fig.11 GPRS/GSM communication flow

4 系統(tǒng)測試與分析

為了檢測該系統(tǒng)能否正常地采集車輛數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析判斷以實現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控，對所設(shè)計的系統(tǒng)進行測試。OBD 診斷系統(tǒng)設(shè)備包括GPS 定位模塊、GPRS/GSM 通信模塊及OBD 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。將連接好的整套OBD 檢測設(shè)備連接車輛的DLC 接口，啟動汽車，OBD 即可讀取車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，OBD 診斷系統(tǒng)實物如圖12所示。

圖12 OBD 診斷設(shè)備實物Fig.12 Physical OBD diagnostic device

4.1 定位數(shù)據(jù)測試

攜帶測試設(shè)備繞著廣西科技大學(xué)東環(huán)校區(qū)一圈，實時采集其定位數(shù)據(jù)并發(fā)送至終端服務(wù)器。隨著設(shè)備的移動，GPS 定位器實時地更新位置信息，并將位置信息打包，利用GPRS/GSM 通信協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器；通過登錄IP 客戶端，即可在Web 網(wǎng)頁端查看設(shè)備所在位置和軌跡。測試設(shè)備的部分定位數(shù)據(jù)如表1 所示，測試設(shè)備的運動軌跡如圖13 所示。

表1 測試設(shè)備部分定位數(shù)據(jù)Tab.1 Some location data of test device

圖13 定位數(shù)據(jù)軌跡Fig.13 Location data trajectory

4.2 參數(shù)測試

受限于實際條件，本實驗在常溫下采用OBD 模擬器產(chǎn)生車輛的模擬信號，通過OBD 協(xié)議傳輸?shù)綔y試設(shè)備。OBD 模擬器通過指令的控制，可以輸出發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、發(fā)動機溫度、進氣管壓力等與車輛相關(guān)的參數(shù)。在實驗的過程中，實時更新OBD 模擬器輸出的車輛模擬信號，在監(jiān)測界面中可實時查看所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，包含常見的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、發(fā)動機溫度、氣壓等，可根據(jù)需要隨時切換顯示內(nèi)容。此外，如果OBD 模擬器輸出信號存在異常情況，系統(tǒng)將會對異常數(shù)據(jù)代碼進行診斷分析，并發(fā)出相應(yīng)的警報。參數(shù)測試項目如表2所示。

表2 測試車輛參數(shù)Tab.2 Test vehicle parameters

5 結(jié)語

車聯(lián)網(wǎng)在線檢測系統(tǒng)的使用能夠帶動汽車產(chǎn)業(yè)鏈的不斷延伸，搭建汽車服務(wù)和交通安全的橋梁，促進交通網(wǎng)絡(luò)的互通，提高資源的利用率，從而滿足汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文設(shè)計了一種基于OBD 協(xié)議車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計方案，給出了硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件算法，并設(shè)計了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。實驗測試結(jié)果表明，基于OBD 協(xié)議車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛相關(guān)信息的采集；一旦車輛出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能迅速進行診斷并給出故障代碼，以便駕駛員及監(jiān)控中心工作人員實時掌握車輛狀況，實現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程診斷。 該系統(tǒng)的出現(xiàn)改善了車輛在信息獲取方面存在的程序煩瑣、時間滯后等問題，實現(xiàn)了車輛健康狀態(tài)的實時監(jiān)測，其推廣應(yīng)用對車輛監(jiān)測和車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有一定的意義。優(yōu)化算法、提高故障代碼診斷率將是下一步研究的重要內(nèi)容。