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(chē)的社會(huì)保有量維持在一個(gè)較高的水平[1]，車(chē)輛狀態(tài)信息在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程定位及道路導(dǎo)航等需求逐漸增多[2-3]；汽車(chē)功能的增多和智能化水平的不斷提高致使車(chē)輛的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、精細(xì)，車(chē)輛狀態(tài)信息種類(lèi)繁多，對(duì)維修人員的技術(shù)要求越來(lái)越苛刻，對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備也提出了較高的要求。另一方面，道路安全評(píng)價(jià)對(duì)提高道路交通安全度尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017 年6月，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量突破3.04 億輛；2011～2017 年，全國(guó)每年約6 萬(wàn)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(chē)行駛過(guò)程中一些數(shù)據(jù)，從而更加主動(dòng)地對(duì)車(chē)輛進(jìn)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(diǎn)推廣示范領(lǐng)域之一[6]，其中車(chē)輛聯(lián)網(wǎng)是汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一[7]。車(chē)載診斷系統(tǒng)(on board diagnostics, OBD)是車(chē)輛聯(lián)網(wǎng)的重要部分，當(dāng)與車(chē)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(shí)，其隨時(shí)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(jìn)行車(chē)輛診斷，隨著汽車(chē)科技的發(fā)展和車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，OBD 的用戶(hù)逐漸從傳統(tǒng)汽車(chē)的服務(wù)專(zhuān)業(yè)人員轉(zhuǎn)向廣大車(chē)主[9]。雖然OBD 技術(shù)越來(lái)越成熟，具備了故障診斷、實(shí)時(shí)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(jī)交換功能并不完善[11]；同時(shí)，僅部分高端車(chē)配置有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，且還存在功能單一、體積大、普適性差等缺點(diǎn)。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套車(chē)輛在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其基于OBD 協(xié)議獲取車(chē)輛信息并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息在云端存儲(chǔ)。該系統(tǒng)不僅便于駕駛者與車(chē)輛管控人員實(shí)時(shí)了解車(chē)輛狀況，而且還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛行駛中的不良駕駛問(wèn)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(jì)方案

車(chē)聯(lián)網(wǎng)信息監(jiān)測(cè)模塊作為現(xiàn)有車(chē)輛功能基礎(chǔ)上一項(xiàng)簡(jiǎn)易、低廉的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，被逐漸擴(kuò)展適配應(yīng)用于整個(gè)車(chē)輛市場(chǎng)。對(duì)于車(chē)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)方面的需求，目前主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛異常信息并做出判斷；（2）對(duì)故障信息發(fā)出警告信號(hào)；（3）對(duì)車(chē)輛保養(yǎng)維護(hù)作出合理的建議；（4）能夠?qū)崟r(shí)的定位并具備防盜預(yù)警功能。

目前商品化的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備特定性強(qiáng)，只能用于部分車(chē)輛，無(wú)法做到設(shè)備通用化。本文所設(shè)計(jì)的車(chē)輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不僅可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，同時(shí)還將車(chē)輛的運(yùn)行狀況反饋給監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的檢測(cè)、管理、監(jiān)督功能的一體化。該系統(tǒng)由嵌入式監(jiān)測(cè)模塊、云端數(shù)據(jù)庫(kù)和管理平臺(tái)3 部分組成（圖1），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析及應(yīng)用等功能，其中監(jiān)測(cè)模塊用于車(chē)輛狀態(tài)信息流的獲取，云端數(shù)據(jù)庫(kù)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析，管理平臺(tái)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(chē)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(cè)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(cè)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(shí)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(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)此類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析；當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛發(fā)送的數(shù)據(jù)存在異常時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入故障識(shí)別程序，提取故障碼識(shí)別，判斷出車(chē)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(guò)K 線(xiàn)協(xié)議與CAN 總線(xiàn)協(xié)議讀取識(shí)別車(chē)輛的電子控制單元，達(dá)到對(duì)車(chē)輛狀態(tài)信息采集的目的。

GPS 定位模塊主要是采集車(chē)輛的位置信息，并通過(guò)串行接口將車(chē)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(shí)現(xiàn)車(chē)輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的車(chē)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(gè)通道，追蹤靈敏度高達(dá)-161 dBm，測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)5 Hz。此外，該模塊自帶陶瓷天線(xiàn)及MAXIM 公司20.5 dB 高增益LAN 芯片，搜星能力強(qiáng)；自帶可充電備用電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)；可通過(guò)串口進(jìn)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(diǎn)。定位模塊輸出TTL 電平，通過(guò)串行接口與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相連，具有很強(qiáng)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(jì)，雙工作頻段（GSM900/1800MHz），可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)、短信、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸、文本播報(bào)（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(mǎn)足各種不同的環(huán)境需求。SIM800A 模塊電源采用開(kāi)關(guān)電源模塊供電，電源利用效率高，支持USB 直接供電，同時(shí)帶電源使能引腳，可以控制模塊電源，起到很好的保護(hù)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(cè)，OBD 協(xié)議數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)類(lèi)型，車(chē)輛信息被準(zhǔn)確無(wú)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(shí)考慮噪聲、轉(zhuǎn)換效率等因素，模塊中采用LM2676 型開(kāi)關(guān)電源芯片輸出3.3 V電壓，采用LT1761型線(xiàn)性電源芯片輸出5 V電壓。通過(guò)開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)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(jì)

基于OBD 協(xié)議的車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括終端OBD 監(jiān)測(cè)程序和遠(yuǎn)程監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)（圖8）。終端OBD 監(jiān)測(cè)程序通過(guò)AT 指令讀取車(chē)輛內(nèi)部ECU 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、GPS 定位數(shù)據(jù)等，并將此類(lèi)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(yǔ)言設(shè)計(jì)的Web 網(wǎng)頁(yè)端來(lái)呈現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，用戶(hù)可同時(shí)用電腦和手機(jī)登錄相應(yīng)IP地址進(jìn)入網(wǎng)頁(yè)進(jìn)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(cè)程序

將診斷設(shè)備接入汽車(chē)DLC 接口，校驗(yàn)正確后，開(kāi)始判斷協(xié)議以便進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。終端OBD 監(jiān)測(cè)程序中，首先使用OBD Task( )初始化系統(tǒng)，打開(kāi) 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(guò)AT 指令讀取車(chē)輛內(nèi)部ECU 實(shí)時(shí)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(cuò)誤代碼進(jìn)行解析生成錯(cuò)誤代碼存儲(chǔ)并上傳至服務(wù)器。終端OBD 監(jiān)測(cè)程序如圖9 所示。

圖9 終端OBD 監(jiān)測(cè)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(jì)架構(gòu)（圖10）包含用戶(hù)層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層3 部分。用戶(hù)可通過(guò)專(zhuān)有的IP 地址登錄服務(wù)器終端，對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置及請(qǐng)求，從而查看車(chē)輛的狀況信息，包括GPS 定位信息、車(chē)輛電氣參數(shù)等。通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)、行車(chē)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(jìn)行相關(guān)操作。首先進(jìn)行初始化，設(shè)置GPRS 連接服務(wù)器，待連接穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)包的鑒權(quán)分析，最后建立通信鏈路，通過(guò)TCP連接到遠(yuǎn)端服務(wù)器，實(shí)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(cè)試與分析

為了檢測(cè)該系統(tǒng)能否正常地采集車(chē)輛數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(cè)設(shè)備連接車(chē)輛的DLC 接口，啟動(dòng)汽車(chē)，OBD 即可讀取車(chē)輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，OBD 診斷系統(tǒng)實(shí)物如圖12所示。

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

4.1 定位數(shù)據(jù)測(cè)試

攜帶測(cè)試設(shè)備繞著廣西科技大學(xué)東環(huán)校區(qū)一圈，實(shí)時(shí)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(dòng)，GPS 定位器實(shí)時(shí)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(guò)登錄IP 客戶(hù)端，即可在Web 網(wǎng)頁(yè)端查看設(shè)備所在位置和軌跡。測(cè)試設(shè)備的部分定位數(shù)據(jù)如表1 所示，測(cè)試設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13 所示。

表1 測(cè)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(cè)試

受限于實(shí)際條件，本實(shí)驗(yàn)在常溫下采用OBD 模擬器產(chǎn)生車(chē)輛的模擬信號(hào)，通過(guò)OBD 協(xié)議傳輸?shù)綔y(cè)試設(shè)備。OBD 模擬器通過(guò)指令的控制，可以輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、進(jìn)氣管壓力等與車(chē)輛相關(guān)的參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，實(shí)時(shí)更新OBD 模擬器輸出的車(chē)輛模擬信號(hào)，在監(jiān)測(cè)界面中可實(shí)時(shí)查看所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，包含常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、氣壓等，可根據(jù)需要隨時(shí)切換顯示內(nèi)容。此外，如果OBD 模擬器輸出信號(hào)存在異常情況，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)異常數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行診斷分析，并發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)。參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。

表2 測(cè)試車(chē)輛參數(shù)Tab.2 Test vehicle parameters

5 結(jié)語(yǔ)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的使用能夠帶動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷延伸，搭建汽車(chē)服務(wù)和交通安全的橋梁，促進(jìn)交通網(wǎng)絡(luò)的互通，提高資源的利用率，從而滿(mǎn)足汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種基于OBD 協(xié)議車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件算法，并設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，基于OBD 協(xié)議車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛相關(guān)信息的采集；一旦車(chē)輛出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)能迅速進(jìn)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(shí)時(shí)掌握車(chē)輛狀況，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的遠(yuǎn)程診斷。 該系統(tǒng)的出現(xiàn)改善了車(chē)輛在信息獲取方面存在的程序煩瑣、時(shí)間滯后等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其推廣應(yīng)用對(duì)車(chē)輛監(jiān)測(cè)和車(chē)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。