湯春球,鄧飛宇,曾豪杰

(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷更新進步，大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]由“萬物互聯(lián)”的概念中衍生而來。作為實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)，車輛狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測日益興起。Zaldivar較早地將Android智能手機用于車輛狀態(tài)監(jiān)測[2]，從而驗證了Android手機用于車輛狀態(tài)監(jiān)測的可行性。目前市面上已存在基于OBD(on-board diagnostics)系統(tǒng)的手機APP，但大多數(shù)都只能利用手機藍(lán)牙，通過OBD系統(tǒng)讀取車輛的基本信息并在移動端顯示，并沒有實現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)測，并且對于數(shù)據(jù)的處理較淺。

筆者設(shè)計了一種基于Android的車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合OBD系統(tǒng)、藍(lán)牙通信、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)了對車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)測，同時利用服務(wù)器中存儲的數(shù)據(jù)對車輛油耗、駕駛員駕駛行為作出分析和評估，對車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有著積極意義。

1 系統(tǒng)概述

筆者所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)由車、ELM327、Android移動客戶端、遠(yuǎn)端服務(wù)器、Web前端5個部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ELM327藍(lán)牙適配器通過汽車上的16針OBD接口安裝在汽車上，Android移動客戶端(即Android智能手機)通過藍(lán)牙與ELM327建立連接，進而以ELM327作為橋梁與車輛OBDⅡ進行交互。Android客戶端通過發(fā)送不同的指令來獲取車輛ECU(electronic control unit)中儲存的車輛狀態(tài)信息，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、空氣流量、節(jié)氣門位置及DTC(diagnostic trouble code)故障碼等信息?？蛻舳薃PP會結(jié)合手機自身的GPS(global positioning system)、陀螺儀等傳感器對獲取到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理和分析，繼而將車輛的實時狀態(tài)信息通過可視化界面展示給駕駛員；同時，客戶端APP會通過無線網(wǎng)絡(luò)以HTTP請求的方式與遠(yuǎn)端服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，以完成數(shù)據(jù)上傳、查詢歷史軌跡等操作。服務(wù)器布置在云端，它作為數(shù)據(jù)的處理和存儲中心，同時服務(wù)于Android客戶端和Web客戶端(瀏覽器)。遠(yuǎn)程人員可以通過Web瀏覽器與服務(wù)器進行交互，從而查詢車輛的實時狀態(tài)信息，進而完成對車輛的實時監(jiān)測。

2 OBD-Ⅱ系統(tǒng)

OBD是目前絕大多數(shù)汽車都配備的車載診斷系統(tǒng)，當(dāng)前最新的標(biāo)準(zhǔn)為OBD-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)[3]，該標(biāo)準(zhǔn)具有統(tǒng)一的16針接口，以及統(tǒng)一的診斷指令。

2.1 OBD-Ⅱ診斷模式

目前，支持OBD-Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議有很多，由于采用的標(biāo)準(zhǔn)是相同的，因此對于用戶而言無論是數(shù)據(jù)的傳輸模式還是診斷模式都是通用的。OBD-Ⅱ系統(tǒng)的診斷模式有9種，如表1所示，其中最常用的就是模式1和模式3。

表1 OBD-Ⅱ系統(tǒng)的診斷模式

在診斷模式中，診斷指令由模式編號和PID(parameter identification)組成，模式編號為01到09，分別對應(yīng)9種診斷模式，而PID在不同的模式下會有不同的定義，以模式1為例，其部分常見PID如表2所示。若要獲取車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速，則發(fā)送“010C”指令給ELM327藍(lán)牙適配器即可，其中“01”代表診斷模式為模式1，“0C”代表PID。ELM327藍(lán)牙適配器接收到“010C”指令后會與車輛CAN網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互，進而將響應(yīng)數(shù)據(jù)返回給Android客戶端，以“010C”指令為例，返回的數(shù)據(jù)格式為“410CXXXX”，其中“410C”表示為“010C”請求下的返回數(shù)據(jù)，后兩個字節(jié)“XXXX”為發(fā)動機轉(zhuǎn)速的十六進制表示值，按照公式解析后便可得到車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。

表2 模式1下部分常見PID及其解析公式

2.2 故障碼

在OBD-Ⅱ系統(tǒng)中，模式3主要用來請求排放相關(guān)的動力系統(tǒng)診斷故障碼(DTC)，用戶可以利用故障碼對車輛故障進行診斷。一般情況下，用戶會先發(fā)送“0101”指令來獲取車輛故障碼的個數(shù)，若故障碼個數(shù)大于0，則發(fā)送“03”指令來獲取故障碼值。

故障碼由5個字符組成，其中前兩位是一個字母和一個數(shù)字的組合符，后3位是數(shù)字。字母數(shù)字組合為B0-B3、C0-C3、P0-P3、U0-U3，分別對應(yīng)車身、底盤、動力系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信。每個故障碼對應(yīng)一個車輛的故障，如“P0131”表示O2傳感器電路電壓低。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

獲取OBD數(shù)據(jù)，首先要建立Android客戶端與ELM327藍(lán)牙適配器之間的藍(lán)牙連接。Android SDK中對開發(fā)者提供有操作藍(lán)牙設(shè)備的API，開發(fā)者只需要調(diào)用相應(yīng)API便可操作本機的藍(lán)牙設(shè)備[4]。本系統(tǒng)采用經(jīng)典藍(lán)牙，Android端作為客戶端，使用ELM327(服務(wù)端)的MAC地址發(fā)起連接，從而獲得BluetoothSocket套接字，進而與OBD系統(tǒng)進行藍(lán)牙數(shù)據(jù)交互。

數(shù)據(jù)獲取的流程如下：①移動端發(fā)送AT指令，初始化設(shè)置ELM327[5]；②發(fā)送OBD指令，查詢車輛OBD系統(tǒng)所支持的PID；③根據(jù)第二步的PID，發(fā)送對應(yīng)的OBD指令，從而獲取OBD數(shù)據(jù)；④移動端將數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解析處理，之后通過HTTP請求的方式打包上傳至服務(wù)器，并存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的核心就在于，采集車輛OBD數(shù)據(jù)，并通過Android移動端、服務(wù)器、Web前端、數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行處理，以此實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

3.1 車輛動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

Android移動端將獲取到的OBD數(shù)據(jù)在本地按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進行解析，并將處理過的數(shù)據(jù)打包上傳至服務(wù)器。同時移動端會利用EventBus[6]事件發(fā)布/訂閱框架，將解析后的數(shù)據(jù)從子線程傳遞給UI主線程進行UI顯示，將引擎負(fù)荷、冷卻液溫度、燃油壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示給車主，供其參考。除此之外，Web前端以移動端上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的實時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)以網(wǎng)頁的形式展示給遠(yuǎn)端人員，以供其對車輛進行遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。

系統(tǒng)對某些OBD數(shù)據(jù)設(shè)置閾值，以此對駕駛員的不規(guī)范駕駛或車輛異常狀態(tài)做出預(yù)警提示。如將冷卻液溫度的閾值設(shè)置為100 ℃，若超過閾值，則系統(tǒng)會給出“冷卻液溫度過高”的預(yù)警提示；將發(fā)動機運行時間的閾值設(shè)置為4小時，若超過閾值，則系統(tǒng)會給出“疲勞駕駛”的預(yù)警提示。除此之外，系統(tǒng)Web前端會利用Echarts[7]繪制發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等數(shù)據(jù)的變化曲線圖，用以監(jiān)測車輛狀態(tài)的變化情況。

3.2 故障診斷

系統(tǒng)讀取儲存在車輛ECU中的故障碼，并利用自定義的TroubleCodes類來定位故障碼所對應(yīng)的故障原因，提高車主或維修人員的維修效率。除此之外，維修完畢后，可通過移動端發(fā)送“04”指令來消除車輛的故障碼和熄滅故障指示燈。

3.3 結(jié)合萬有特性的油耗分析

車輛的瞬時油耗可以通過OBD指令“015E”直接獲取，然而并不是所有的汽車都支持PID“5E”，若不支持則需要利用已知的數(shù)據(jù)進行計算得到瞬時油耗。首先要獲取車速(簡寫V，PID為0D，單位為km/h)和進氣空氣流量(簡寫MAF，PID為10，單位為g/s)，計算過程如下：

(1)計算單位時間內(nèi)發(fā)動機所耗燃油質(zhì)量FCPS(fuel consumptionper second)：

FCPS=MAF/AF

(1)

(2)計算發(fā)動機的燃油消耗率EFR(engine fuel rate)：

EFR=(FCPS×3 600)/(ρ×1 000)=

(MAF×3.6)/(AF×ρ)

(2)

(3)計算發(fā)動機百公里油耗FCPHK(fuel consumptionper hundred kilometers)：

FCPHK=(EFR×100)/V=

(MAF×360)/(AF×V×ρ)

(3)

式中:AF為空燃比，在理想狀態(tài)下，每燃燒一克燃油需要14.7克的空氣；ρ為汽油密度，通常為0.70-0.78 g/cm3。

發(fā)動機萬有特性曲線是具有多參數(shù)的特性曲線[8]，其橫坐標(biāo)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為扭矩或平均有效壓力，圖中畫出許多等油耗率曲線和等功率曲線，可以直觀地反映出車輛的經(jīng)濟性隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化關(guān)系，其中油耗率最小的等油耗率曲線區(qū)域稱為經(jīng)濟區(qū)。在萬有特性曲線中，點越高，對應(yīng)的發(fā)動機負(fù)荷率越大，而在一般情況下，發(fā)動機的負(fù)荷率越小，油耗就越高。這是因為汽油機的負(fù)荷是由節(jié)氣門來調(diào)節(jié)的，節(jié)氣門開啟度越小，活塞下拉時所要克服外界大氣壓力做的功就越多，這會大大消耗能量，因此油耗便會上升?；谏鲜鋈f有特性的特點，系統(tǒng)可以將獲取的OBD數(shù)據(jù)中的發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、引擎負(fù)荷，與萬有特性曲線中的經(jīng)濟區(qū)的工作轉(zhuǎn)速和扭矩進行對比，引導(dǎo)駕駛員在條件(包括外界路況、駕駛技術(shù)等條件)允許的情況下，盡可能將車輛發(fā)動機的工作狀態(tài)控制在經(jīng)濟區(qū)的范圍內(nèi)。這樣不僅可以保證發(fā)動機在一個良好的工作狀態(tài)下，以延長發(fā)動機的壽命，而且可以減少油耗，從而獲得更好的燃油經(jīng)濟性和汽車動力性。

3.4 駕駛習(xí)慣評估

云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中存儲著大量的與車輛相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，如OBD數(shù)據(jù)、車輛位置信息、Android移動端的傳感器采集到的信息(如加速度)等狀態(tài)數(shù)據(jù)[9]。服務(wù)器可以選取某一車輛在某一時間段的狀態(tài)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理分析，從而得到該車輛駕駛員的駕駛習(xí)慣，進而對其進行評估，以此輔助駕駛員在駕駛過程中保持良好的駕駛習(xí)慣。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)，可得到的駕駛習(xí)慣評估標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下幾個：

(1)急加速、急剎車。系統(tǒng)可以通過傳感器或計算速度變化率得到加速度來判斷駕駛員是否進行了急加速或急剎車操作。設(shè)置加速度大于3 m/s2時為急加速操作，加速度小于-10 m/s2時為急剎車操作，系統(tǒng)可以分別統(tǒng)計某一時間段內(nèi)駕駛員進行急加速操作和急剎車操作的次數(shù)，并分別設(shè)置閾值。若急加速操作的次數(shù)超過閾值則說明該駕駛員急加速操作的次數(shù)過多；若急剎車操作的次數(shù)超過閾值則說明該駕駛員急剎車操作的次數(shù)過多。頻繁的急加速操作，不僅會加劇發(fā)動機內(nèi)部零件的磨損，而且會影響車輛行駛的穩(wěn)定性，同時會加大燃油的消耗；頻繁的急剎車操作，不僅會對剎車裝置造成損害，以致其壽命降低，而且會加劇輪胎的磨損，同時會給車上人員帶來極差的體驗。因此，無論是急加速，還是急剎車，都是不良的駕駛習(xí)慣。

(2)加速踏板位置變化。Android移動端可以通過OBD系統(tǒng)直接采集到車輛的加速踏板位置信息(PID為49)，若OBD系統(tǒng)不支持PID“49”，也可以通過獲取絕對節(jié)氣門位置(PID為11)來間接反應(yīng)加速踏板位置。通過計算某一時間段內(nèi)加速踏板位置的平均變化幅度來判斷該時間段內(nèi)車輛加速踏板位置變化的大小。對平均變化幅度設(shè)置閾值為10%，若超過閾值，則說明加速踏板位置變化大，反映出駕駛員不能很好地控制加速踏板、平穩(wěn)給油，從而影響到車輛行駛的平穩(wěn)性，是一種不良的駕駛習(xí)慣。

(3)油耗控制。系統(tǒng)可以獲取到某一時間段內(nèi)從OBD系統(tǒng)采集到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息，結(jié)合發(fā)動機的萬有特性曲線，統(tǒng)計車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速處在經(jīng)濟區(qū)轉(zhuǎn)速區(qū)間的時長，并計算其與該時間段總時長的時間占比。對時間占比設(shè)置閾值，若小于閾值，則說明駕駛員在駕駛汽車的過程中，并不能很好地將汽車的行駛狀態(tài)控制在經(jīng)濟區(qū)范圍內(nèi)，這樣會增加燃油消耗和尾氣排放量，是一種不良的駕駛習(xí)慣。

(4)疲勞駕駛時間。根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》規(guī)定，連續(xù)駕車超過4 h，即為疲勞駕駛。疲勞駕駛會嚴(yán)重影響駕駛員對車輛的控制，是造成交通事故的主要原因之一。系統(tǒng)會根據(jù)從OBD系統(tǒng)采集到的發(fā)動機運行時間來判斷駕駛員是否疲勞駕駛及疲勞駕駛的時間，以此來評估駕駛員是否規(guī)范駕駛。

(5)故障駕駛距離。Android移動端可以通過OBD系統(tǒng)直接采集到車輛在故障燈亮起后行駛的距離(PID為21)，優(yōu)秀的駕駛員在車輛出現(xiàn)故障后，會盡可能早地處理，避免發(fā)生事故。因此可以通過車輛在故障燈亮起后行駛的距離，對駕駛員的駕駛習(xí)慣做出評估。

根據(jù)以上5個評估標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合云端服務(wù)器中的大量數(shù)據(jù)，對駕駛員的駕駛習(xí)慣做出評估，同時可以生成評估報告推送至用戶的Android移動端，以供駕駛員逐步糾正不良的駕駛習(xí)慣。

4 Android移動端部分UI展示

用戶登錄移動端APP并通過藍(lán)牙連接車輛后，可以在“參數(shù)”界面查看車輛當(dāng)前的狀態(tài)信息，如圖2所示。普通用戶可以查看“普通參數(shù)”中的數(shù)據(jù)了解所駕車輛的當(dāng)前狀態(tài)。如，通過油耗曲線中實際油耗曲線與理想油耗曲線的差距，判斷車輛當(dāng)前的油耗經(jīng)濟性；通過故障碼判斷車輛當(dāng)前存在的故障等。專業(yè)人員可以查看“專業(yè)參數(shù)”中的專業(yè)車輛狀態(tài)參數(shù)，如引擎負(fù)荷、空氣傳感器流量、絕對節(jié)氣門位置等，對車輛狀態(tài)從專業(yè)角度進行更為全面的了解。

圖2 移動端“參數(shù)”界面

用戶可以從個人信息界面進入駕駛習(xí)慣評估界面，Android客戶端會根據(jù)選擇的時間向服務(wù)器發(fā)送請求，并根據(jù)響應(yīng)生成評估報告，效果如圖3所示。

圖3 駕駛習(xí)慣評估實現(xiàn)效果

5 結(jié)論

利用Android智能手機與車輛OBD系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器中，以實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷，實現(xiàn)了車-手機-電腦的一體化，同時，結(jié)合萬有特性對車輛的油耗進行分析。以服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存儲的大量車輛狀態(tài)信息為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)進行處理后，可按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對駕駛員的駕駛習(xí)慣進行評估。