國珊珊，宋 欣，周 倩，宋占偉

(1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長春130012;2.吉林省啟明軟件園企業(yè)孵化有限公司結(jié)構(gòu)部，長春130117)

0 引 言

大數(shù)據(jù)時代，并不是充斥著冰冷的數(shù)據(jù)和算法，人的作用依然不容小視。大數(shù)據(jù)是一種資源，更是一種工具。它提供給人們認(rèn)識世界一種新的手段，對于擁有上下游長產(chǎn)業(yè)鏈的汽車行業(yè)而言，人們借以利用大數(shù)據(jù)發(fā)揮作用之處會更多［1－5］。然而，越來越多的高端汽車銷售服務(wù)中心也開始對龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對可能出現(xiàn)的零部件故障和隱患進(jìn)行及時處理。一方面有利于解決汽車安全隱患;另一方面將幫助汽車品質(zhì)的更新?lián)Q代，提升產(chǎn)品的設(shè)計與構(gòu)造水平。如福特公司便在硅谷開設(shè)了一間實驗室進(jìn)行汽車產(chǎn)品的改進(jìn)研發(fā)。為了提高汽車的質(zhì)量、減少燃油消耗、提升安全性能、減少排放量，福特公司收集了400多萬輛汽車的數(shù)據(jù)，包括汽車傳感器和遠(yuǎn)程應(yīng)用程序管理軟件。工程師根據(jù)所得的大量數(shù)據(jù)對汽車時速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及制動油壓等方面進(jìn)行分析，了解并掌握汽車在不同的道路和天氣狀況、以及其他因素影響下的行駛狀況。

然而，目前用于汽車上的數(shù)據(jù)采集以及通信系統(tǒng)主要是采用CAN(Controller Area Network)總線，其不具有遠(yuǎn)程通信的功能，數(shù)據(jù)傳輸受到地域和距離約束，因此，不利于汽車生產(chǎn)銷售服務(wù)中心對所售汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)的大量存儲和分析。而采用GPRS(General Packet Radio Service)技術(shù)可以很好地解決這一問題。該終端通過CAN總線獲取行駛固定里程數(shù)與發(fā)生故障時汽車各項狀態(tài)參數(shù)如汽車時速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、汽車行駛里程、冷卻水溫、制動油壓、機油油量、機油污染度、機油壓力和機油溫度等信息，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)信號將獲得的數(shù)據(jù)傳送給中心，實現(xiàn)中心對售出汽車大量數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)所得的數(shù)據(jù)分析汽車的各項性能。這對消除產(chǎn)品安全隱患，對產(chǎn)品進(jìn)行及時改進(jìn)有著重要的意義。此外，在汽車出現(xiàn)故障信息時，中心將接收到該終端發(fā)出的故障信息，同時遠(yuǎn)程控制汽車關(guān)閉發(fā)動機，使其停車，達(dá)到減小損失的目的。

1 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)的總體工作原理如圖1所示，包括GPRS車載移動終端、移動服務(wù)運營商提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)，Internet網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器和控制中心主機。

該車載終端的功能分為以下兩方面。

2)汽車生產(chǎn)銷售服務(wù)中心對汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集及對車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體工作原理圖Fig.1 The principle diagram of the monitoring system

該車載終端能實現(xiàn)中心對汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集及對車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。一方面，基于GPRS車載移動終端數(shù)據(jù)的收集和重組，并定時上傳汽車各項狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)幀，移動運營商的GPRS網(wǎng)絡(luò)收發(fā)信機接收這些數(shù)據(jù)，并按照數(shù)據(jù)幀所指定的IP地址以及端口號將所得數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)，最后到達(dá)相應(yīng)的中心控制主機。另一方面，中心的應(yīng)用程序也可以發(fā)送特定的數(shù)據(jù)幀給車載移動終端，這些信息通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳遞到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再由移動服務(wù)運營商的基站將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給車載移動終端。上述的兩個方面形成了一種數(shù)據(jù)交互的過程。該系統(tǒng)通過CAN總線與車輛通訊，在汽車行駛到固定的里程數(shù)時獲取車輛相關(guān)參數(shù)，在車輛發(fā)生故障時獲取故障代碼，通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取故障信息，并將故障信息通過LCD(Liquid Crystal Display)顯示模塊顯示，同時將以上兩種情況下獲取的數(shù)據(jù)通過上述車載終端與汽車生產(chǎn)銷售服務(wù)中心的數(shù)據(jù)交互過程，發(fā)送給中心。中心主要功能包括數(shù)據(jù)通訊、傳輸及存儲，數(shù)據(jù)回放及統(tǒng)計分析等。實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該車載監(jiān)控終端整體框架如圖2所示。

圖2 車載監(jiān)控終端框架圖Fig.2 The frame of vehicle monitoring terminal

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

該車載終端主要由CPU(Central Processing Unit)模塊、電源模塊、無線通訊模塊、LCD顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊組成。

電源模塊是保證整個硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，用于ARM(Acorn RISC Machine)處理器、GPRS模塊、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊提供各自所需要的電源電壓。輸入采用12 V或24 V車載電源，經(jīng)過電源濾波后，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換為3.8 V和3.3 V，其中3.3 V電源為CPU模塊供電，3.8 V電源為GPRS模塊供電。

CPU模塊是該車載移動終端的核心，將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響。主要考慮:終端處理能力、微處理器的速度、內(nèi)部寄存器、微處理器的外圍器件接口以及工作溫度等。在本系統(tǒng)中，CPU模塊包括處理器S3C6410、NandFlash、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)、時鐘晶振。NandFlash大小為256 MByte，不僅可用來固化操作系統(tǒng)內(nèi)核，而且可用來存放永久的注冊信息表［6］。該車載終端的CPU模塊用于按照協(xié)議解析接收CAN總線信息，然后再根據(jù)生產(chǎn)銷售服務(wù)中心的協(xié)議結(jié)構(gòu)重新打包數(shù)據(jù)。此外，CPU模塊用于對GPRS模塊和LCD模塊進(jìn)行控制，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和信息顯示等任務(wù)。

LCD模塊采用TFT(Thin Film Transistor)－LCD模塊作為終端的顯示設(shè)備，該液晶模塊的分辨率為240×320像素，可顯示262 144種色彩。

張滿春悻悻地從碼頭上回來，就對女人蘆玉兒說，我們得先藏著這孩子，你把他抱回娘家躲一躲吧。張滿春的女人照辦了。幾年以后，蘆玉兒發(fā)現(xiàn)這孩子越來越像張滿春，蘆玉兒才追問他這孩子到底是誰的。張滿春才實話實說，這孩子是我和沈小小的。蘆玉兒方才得知張滿春和沈小小那一段情事，聽后還有幾分感動。她也明白了她男人為啥要與鮮叫化子聯(lián)手設(shè)局暗算沈老七了。

CAN節(jié)點模塊:CAN節(jié)點模塊是一款對整車各電子控制裝置之間實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的智能電控設(shè)備，從而使整車實現(xiàn)車載電控裝置區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。該車載終端的CPU模塊經(jīng)由一個三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線與CAN總線控制器的交互，總線控制器利用兩根線(RXD，TXD)與CAN總線收發(fā)器通信，CAN總線收發(fā)器通過CAN_L以及CAN_H與總線網(wǎng)絡(luò)相連接，根據(jù)CAN總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。CAN收發(fā)器采用TJA1050，控制器采用SJA1000。SJA1000功能模塊如圖3所示，可將ARM處理器看成一個基本的IO 設(shè)備［7］。

圖3 SJA1000功能模塊圖Fig.3 The functional module chart of SJA1000

數(shù)據(jù)存儲模塊:該車載終端中，該模塊主要用來記錄汽車以往的故障信息并存儲車輛的故障代碼信息，以便查詢。

無線通訊模塊:無線通訊模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊實現(xiàn)，主要用于實現(xiàn)與生產(chǎn)銷售服務(wù)中心的數(shù)據(jù)傳輸功能，SIM900A模塊是一款尺寸緊湊，內(nèi)置TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)議棧的GSM/GPRS模塊，采用工業(yè)接口，支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令，低功耗實現(xiàn)語音、SMS(Short Message Service)、數(shù)據(jù)和傳真信息通信［8］。對于移動終端的應(yīng)用，主要需要以下功能管腳。

1)電源接口:為GPRS模塊提供電源，該GPRS模塊對電源穩(wěn)定性要求非常高，需要輸出特性好的穩(wěn)壓電源給GPRS模塊供電，所需電壓為3.8 V。

2)SIM卡接口引腳:管腳30、31、32、33用來連接SIM卡，構(gòu)成了SIM卡接口。

3)管腳11、12、13、14構(gòu)成了 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)接口，實現(xiàn)與CPU模塊的通信。

4)52管腳用于指示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，根據(jù)發(fā)光二極管閃爍頻率可以判斷手機卡是否在移動控制中心注冊［9，10］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

終端的軟件系統(tǒng)主要分為以下幾部分。

終端初始化程序:該部分用于初始化終端，如將GPRS登記到移動服務(wù)運營商的網(wǎng)絡(luò)、LCD顯示模塊啟動等。

CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收程序:該部分用來發(fā)送與接收CAN信息，在數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收前，先對數(shù)據(jù)幀格式做自定義的規(guī)約，以方便在程序中處理數(shù)據(jù)，為防止數(shù)據(jù)丟失采用高優(yōu)先級中斷方式。

CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)程序取出數(shù)據(jù)存儲區(qū)中將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，組成數(shù)據(jù)幀，并向幀頭寫入主機的ID地址，然后，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)中，發(fā)送程序在接收到主機的發(fā)送請求后，啟動發(fā)送命令。CAN控制器能自動完成數(shù)據(jù)從CAN控制器到總線的發(fā)送，以及從CAN總線讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到CAN控制器的接收緩沖區(qū)［11］。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息，并將獲取的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)。其中數(shù)據(jù)發(fā)送與接收子程序流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 發(fā)送子程序流程圖Fig.4 The flow chart of send program

圖5 接收子程序流程圖Fig.5 The flow chart of receive program

該車載終端通過CAN網(wǎng)絡(luò)和ECU(Electronic Control Unit)通訊，經(jīng)過解析，ECU上的數(shù)據(jù)格式如下。

頭幀 12字節(jié)數(shù)據(jù) 尾幀12個字節(jié)數(shù)據(jù)可分為:4個字節(jié)(故障的12大塊)8個字節(jié)(每個塊的細(xì)分)

12字節(jié)數(shù)據(jù)中前4個字節(jié)用于判斷故障的類型，主要的故障類型包括緩速裝置、變速器、發(fā)動機等。然而每種類型的故障又有不同狀況，所以前4個字節(jié)代表不同類型故障，后8個字節(jié)是對每個類故障的細(xì)分。

CAN通信模塊在通訊過程中所用到的主要函數(shù)如下:

CAN數(shù)據(jù)解包程序:該程序根據(jù)已接收CAN數(shù)據(jù)的協(xié)議，將各個信息解析并臨時存儲到相應(yīng)的變量中。

GPRS數(shù)據(jù)打包、發(fā)送程序:該部分程序根據(jù)生產(chǎn)銷售服務(wù)中心的請求按照其相應(yīng)的格式將數(shù)據(jù)重新打包，交給GPRS模塊上傳，并通過控制GPRS模塊發(fā)送。

通過GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用TCP/IP協(xié)議，遠(yuǎn)程通信采用socket通信方式，一個socket由一個IP地址和一個端口號唯一確定，客戶端在連接服務(wù)器時需要知道服務(wù)器的IP地址和端口號［12］。在建立連接的過程中，服務(wù)器先初始化socket，然后與端口綁定(bind)，并對端口進(jìn)行監(jiān)聽(listen)，調(diào)用accept阻塞，此時在等待客戶端連接。某時刻有客戶端初始化一個socket，然后連接服務(wù)器(connect)，如果連接成功，客戶端就與服務(wù)器建立了連接。客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請求(write)，服務(wù)器接收請求(read)并處理請求，然后將回應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉連接(close)，一次交互結(jié)束［13］。該設(shè)計中將車載終端看作客戶端，將監(jiān)控中心看作服務(wù)器端。

在車載終端主要通過串口對GPRS模塊寫AT指令控制數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程收發(fā)，AT指令是一種調(diào)制解調(diào)器的控制命令，是Attention的縮寫，幾乎對調(diào)制解調(diào)器的所有控制都是通過該指令集中的指令完成，常被稱為AT指令，而GPRS模塊相當(dāng)于一個采用GPRS無線鏈路的調(diào)制解調(diào)器，所以，AT指令同樣適用于GPRS模塊，通過AT指令可以完成GPRS模塊的接入點設(shè)置IP地址分配創(chuàng)建套接字等初始化過程以及汽車運行參數(shù)的發(fā)送和中心控制指令的接收等［14］。作為客戶端的車載終端GPRS模塊通信流程圖如圖6所示。

車載終端所用到的主要AT指令包括:

在本設(shè)計中將生產(chǎn)銷售服務(wù)中心當(dāng)作服務(wù)器端，其通信流程圖如圖7所示，服務(wù)器端所用到的主要函數(shù)包括:

圖6 車載終端發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖 Fig.6 The car terminal send data flow chart

圖7 服務(wù)中心程序流程圖Fig.7 The service center program flow chart

故障協(xié)議解析顯示程序:該應(yīng)用程序在接收到串口發(fā)送的信息后，對其中代表故障代碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過查詢數(shù)據(jù)庫的方式，獲得車輛的故障信息，故診斷過程中用到的主要函數(shù)如下:

4 汽車運動對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h2>

對于無線環(huán)境，車載終端的相對運動引起信號頻率的偏移稱為多普勒頻移［15］，與車載終端的運動速度成正比。這樣的頻率偏差可能會導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)時出現(xiàn)誤碼，當(dāng)GPRS車載終端以恒定速率V，在長度為S的路徑上運動時，接收到來自遠(yuǎn)端信號源S發(fā)出的信號如圖8所示。GPRS網(wǎng)絡(luò)信號從信號源R發(fā)出，當(dāng)車輛在端點A與端點B間移動時，車載終端的發(fā)送/接收距離差為Δ l，假設(shè)汽車在A、B兩點間的行駛時間為Δ t，則由圖8可得

這里θ是點A到點B與入射波的夾角。由于源端距離很遠(yuǎn)，可假設(shè)A、B處的θ是相同的。所以，由距離差造成的發(fā)送/接收信號相位變化值為

由相位偏差可得到多普勒頻移

由此可知，多普勒頻移與汽車運行的速度有關(guān)，車輛運行方向決定了Δ f的正負(fù)。我國GPRS通信網(wǎng)絡(luò)采用900 MHz的頻段，上行頻率:890～915 MHz(移動臺發(fā)，基站收)，下行頻率:935～960 MHz(基站發(fā)，移動臺收)，假設(shè)汽車的運行速度為50 km/h，當(dāng)汽車與GPRS網(wǎng)絡(luò)接收基站正對時頻移最大，此時多普勒頻移該頻率偏移在誤差允許范圍內(nèi)，所以汽車的運動對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的影響可以忽略。

圖8 多普勒頻移視圖Fig.8 Doppler frequency shift diagram

5 實驗結(jié)果

筆者在實驗室中通過計算機模擬汽車生產(chǎn)銷售服務(wù)中心，搭建了該監(jiān)控系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪\行穩(wěn)定性進(jìn)行了實驗驗證。圖9為筆者在基于Linux操作系統(tǒng)TCP傳輸協(xié)議的服務(wù)器端程序的運行結(jié)果，運行該程序能接收到作為客戶端的GPRS終端移動模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并輸出接收到數(shù)據(jù)包的個數(shù)。表1為數(shù)據(jù)傳輸過程中對丟包率進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果，以此反應(yīng)遠(yuǎn)程通信的可靠性。

表1 丟包率實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of frame loss rate

圖9 測試結(jié)果Fig.9 The test results

6 結(jié) 語

該終端可以完成以下功能，在行駛一定里程數(shù)和出現(xiàn)故障特征時將汽車狀態(tài)信息數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊中并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給汽車生產(chǎn)銷售服務(wù)中心，當(dāng)中心接收到故障信息時，向車載終端發(fā)送控制信號，達(dá)到先期預(yù)警或強制汽車發(fā)動機熄火。通過連接到Internet網(wǎng)絡(luò)上的計算機模擬中心，該終端模塊可以準(zhǔn)確可靠地將數(shù)據(jù)上傳到模擬中心，模擬中心也能準(zhǔn)確地向車載終端發(fā)送控制命令，完成兩者的交互。此外，該終端將故障代碼信息以數(shù)據(jù)庫形式存儲起來，該車載終端獲取ECU上的診斷信息后，查詢數(shù)據(jù)信息庫，然后將故障信息顯示在LCD上。并通過實驗測試和實際應(yīng)用證明了該系統(tǒng)的實用性和有效性。

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