吳 珂 程 莉 黃元峰

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205)

基于4G的汽車性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 珂 程 莉 黃元峰

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205)

隨著4G技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,為進(jìn)一步提高汽車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集效率,論文提出并設(shè)計(jì)了一種基于4G的汽車性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了OBD、4G無(wú)線通信模塊,將采集的車輛性能信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端,便于使用者實(shí)時(shí)掌握自己車輛的信息,為車輛維護(hù)、保養(yǎng)和安全提供充分的依據(jù)。根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性,設(shè)計(jì)了各個(gè)階段的數(shù)據(jù)傳輸流程,實(shí)現(xiàn)了汽車性能數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的基于4G的汽車遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)采集方法實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確,可為汽車遠(yuǎn)程故障診斷提供有效的數(shù)據(jù)支持。

4G網(wǎng)絡(luò); 數(shù)據(jù)傳輸; 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集

Class Number U467

1 引言

汽車作為一種高科技產(chǎn)品不斷朝著高智能化、高可靠性的方向發(fā)展,但汽車在運(yùn)行過(guò)程中,干擾比較復(fù)雜,而且汽車各個(gè)部件在設(shè)計(jì)時(shí)比較緊湊,車載端設(shè)備的安裝空間十分有限,所以如何有效地獲取到汽車的性能數(shù)據(jù)顯得尤為重要[1]。為了獲得汽車各方面的性能特性,需要設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集車輛的性能數(shù)據(jù)。

目前,車輛遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集常用的無(wú)線通信技術(shù)有Bluetooth 、WIFI和3G。利用手機(jī)Bluetooth來(lái)進(jìn)行車輛性能數(shù)據(jù)采集,需要在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端和車輛之間通過(guò)藍(lán)牙串口來(lái)傳輸車輛性能數(shù)據(jù),但Bluetooth抗干擾能力較弱、傳輸距離很短、信息安全低。因此,目前一般不采用Bluetooth技術(shù)來(lái)采集車輛的性能數(shù)據(jù)。而WIFI可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端與車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸,建網(wǎng)快,但需手動(dòng)輸入IP和端口來(lái)連接WIFI,數(shù)據(jù)延時(shí)長(zhǎng),且WIFI不能保證通訊服務(wù)質(zhì)量、易受到其他無(wú)線通信方式的影響,功耗較大。3G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率較快,可達(dá)到2 Mbps,但3G面臨著致命的缺點(diǎn)：移動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的空中接口不統(tǒng)一,容易造成通訊混亂[2]。

4G技術(shù)已成熟與普及,具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、成本低,網(wǎng)絡(luò)延時(shí)短,安全性能高、不受地理位置限制等優(yōu)點(diǎn)[3],本文利用4G技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)車輛性能數(shù)據(jù)穩(wěn)定的采集,能夠進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集的效率[4],具有較高的研發(fā)意義和實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)汽車模擬器和手機(jī)客戶端間的雙向通信,采集汽車性能數(shù)據(jù)及傳感器的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)主要包括OBD協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)主控模塊和4G模塊,采用STC15W4K48S4作為主控制器。

圖1中,OBD汽車模擬器可提供最貼近實(shí)車的數(shù)據(jù)模擬仿真效果,動(dòng)態(tài)模擬引擎參數(shù)。通過(guò)各種傳感器模塊的檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)車輛的異常報(bào)警。通過(guò)4G模塊可實(shí)現(xiàn)汽車模擬器和手機(jī)客戶端間的雙向通信。TFT-LCD和手機(jī)客戶端顯示采集到的汽車性能數(shù)據(jù)[5]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 STC控制單元的電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為電源電路、復(fù)位電路、通信接口電路以及觸摸液晶屏的主控單元,分別用來(lái)提供工作電壓、操作復(fù)位、信息通信、系統(tǒng)調(diào)試功能的硬件支持,是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心器件[6]。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了滿足使用要求,選定ST公司STC15W4K48S4增強(qiáng)型芯片作為MCU主芯片。STC15W4K48S4單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī),內(nèi)部集成2路PWM和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。該芯片同時(shí)提供了4 個(gè)UART,可滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中使用STM32F103 的 UART1 與ME909S-821芯片互聯(lián)、UART2 與 OBD 模塊互聯(lián)、UART3 與TFT-LCD互聯(lián)。STC單片機(jī)主芯片電路圖如圖2所示。

圖2 STC單片機(jī)的電路圖

圖2中,P1.0～P1.1口做輸入輸出引腳接OBD協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片,P3.0～P3.1控制4G模塊,P3.3為震動(dòng)傳感器輸出引腳,P3.6引腳控制紅外避障,P4.1控制紅外遙控傳感器,P4.2引腳連接蜂鳴器,P4.4接收溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

3.2 傳感器接口電路

圖3 傳感器接口電路圖

傳感器能將各種物理量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),傳感器接口電路可以使傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐贰般暯印?滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求。本設(shè)計(jì)中的傳感器接口電路如圖3所示,包括了震動(dòng)傳感器、紅外避障傳感器、紅外遙控傳感器和溫度傳感器等。紅外避障傳感器能在1.6m內(nèi)檢測(cè)到移動(dòng)人體,能在4m內(nèi)測(cè)量障礙物距離并在30cm內(nèi)避障,溫度傳感器檢測(cè)車內(nèi)環(huán)境溫度誤差控制在±2%RH,濕度±5%RH。傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)中斷的方式上傳給單片機(jī),傳感器在采集到數(shù)據(jù)后,傳感器自身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給單片機(jī)I/O引腳。避障、測(cè)溫濕度、震動(dòng)都作為單片機(jī)的中斷事件。

3.3 OBD協(xié)議轉(zhuǎn)換電路

OBD協(xié)議轉(zhuǎn)換電路可將車輛K線的串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)串口信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)串口來(lái)獲取。目前幾乎所有家用轎車都提供診斷接口,該接口采用J1962 的標(biāo)準(zhǔn)接口,如圖 4 所示。本設(shè)計(jì)中OBD協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片采用了DCAN103C,該芯片支持Can、ISO9141-2、SAEJ1850 等多種協(xié)議,能夠根據(jù)車輛 OBDII協(xié)議類型,自動(dòng)選擇相關(guān)協(xié)議通過(guò)OBD-16針接口與車輛的自診斷系統(tǒng)通信,其中CANH1接 OBD-16針接口的第6腳,CANL1接 OBD-16針接口的第14腳,來(lái)采集車輛內(nèi)部參數(shù)信息[7]。DCAN103C能迅速將汽車電控系統(tǒng)的各項(xiàng)傳感器數(shù)值轉(zhuǎn)換成UART 格式的數(shù)據(jù),從而可以很方便地將其接入到主芯片 MCU 的 UART2進(jìn)行發(fā)送和接收。OBDII 電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 J1962標(biāo)準(zhǔn)診斷接口

圖5 OBDII 電路設(shè)計(jì)圖

3.4 4G模塊電路

本設(shè)計(jì)使用基于ME909S-821 的4G無(wú)線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸,采用Mini PCIE封裝,提供最高下行150Mbps,上行50Mbps的傳輸速率,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,提供URAT接口,能夠很好的實(shí)現(xiàn)Internet與4G網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。該芯片是在4G技術(shù)應(yīng)用方案上首選的一代片上系統(tǒng),它能構(gòu)建強(qiáng)大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能,具備多種運(yùn)行模式,可適應(yīng)于超低功耗的系統(tǒng)且設(shè)計(jì)出來(lái)的硬件模塊體積小,非常適應(yīng)于本設(shè)計(jì)中的車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在該設(shè)計(jì)中主控模塊端配有一塊4G模塊,可將傳感器采集的信息無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端上。將4G模塊設(shè)置串口中斷,單片機(jī)串口P3.0/RXD、P3.1/TXD和4G模塊串口互連,溫濕度檢測(cè)、避障、報(bào)警 、震動(dòng)都對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷事件,當(dāng)手機(jī)客戶端中對(duì)應(yīng)功能圖標(biāo)被按下,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)觸發(fā)4G模塊的串口中斷,并通過(guò)串口發(fā)給主控單片機(jī)。單片機(jī)接收到命令執(zhí)行中斷事件,OBD請(qǐng)求數(shù)據(jù)信息,由此可以將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G發(fā)送到手機(jī)客戶端上[8]。4G模塊硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖6所示。

圖6 4G模塊電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 4G模塊的網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)發(fā)送流程

系統(tǒng)上電后,系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化,其中包括對(duì)模塊以及USIM卡狀態(tài)的檢測(cè)、波特率的設(shè)置等。在完成中斷、串口等硬件的初始化工作后使開發(fā)板進(jìn)入等待數(shù)據(jù)階段,向OBD請(qǐng)求數(shù)據(jù)信息,等待串口接收到完整的數(shù)據(jù)信息,采集車輛車速、轉(zhuǎn)速、空氣流量等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后,通過(guò)4G無(wú)線模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接,將采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。對(duì)ME909S-821的參數(shù)設(shè)定、TCP/IP 連接和數(shù)據(jù)傳送都是通過(guò) AT 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集終端首先需要建立一個(gè)有公網(wǎng)IP的TCP服務(wù)器,并設(shè)置好目的端口號(hào)。通過(guò)ME909S-821模塊根據(jù)服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址及相應(yīng)的端口號(hào),與之建立TCP連接,當(dāng)建立網(wǎng)絡(luò)連接成功后,開啟4G模塊的TCP數(shù)據(jù)透明傳輸模式[9]。所有從串口接收到的數(shù)據(jù)都通過(guò)串口經(jīng)過(guò)TCP鏈路直接發(fā)送出去,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個(gè)設(shè)備之間的透明雙向傳輸,滿足汽車數(shù)據(jù)采集終端與遠(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的需要。4G模塊的網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證本文開發(fā)的車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),利用開放的API開發(fā)工具樂(lè)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),利用模擬車載 OBD 模塊以及各傳感器產(chǎn)生實(shí)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、空氣流量等信息,經(jīng)由 OBD模塊處理后轉(zhuǎn)發(fā)到主控芯片,將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線通信模塊發(fā)送到云端服務(wù)器上,云端服務(wù)器上部署了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析等的數(shù)據(jù)庫(kù),最后通過(guò)電腦瀏覽器的形式或手機(jī)客戶端訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)[10],就可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的應(yīng)用。利用本文開發(fā)的車輛遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),駕駛者可以改變傳統(tǒng)的必到現(xiàn)場(chǎng)或等到保養(yǎng)日期才能獲知車輛的異常狀況,只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即可遠(yuǎn)程了解車輛目前的行車信息、有無(wú)故障情況等。

圖8為系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)圖,汽車模擬器通過(guò)OBD-16針接口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連接。

圖8 實(shí)物設(shè)計(jì)圖

圖9為歷史數(shù)據(jù)走勢(shì)圖。通過(guò)手機(jī)客戶端,將采集的數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)可隨時(shí)查詢和分析,可以查詢一段時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)走勢(shì)圖,一目了然地了解汽車性能數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。

圖9 歷史數(shù)據(jù)走勢(shì)圖

圖10為TFT-LCD屏顯示的實(shí)時(shí)車況數(shù)據(jù),所采集到的數(shù)據(jù)直觀清楚。

圖10 車輛性能數(shù)據(jù)

圖11為遠(yuǎn)程協(xié)助診斷界面,采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)云端服務(wù)器上部署的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映出當(dāng)時(shí)車輛實(shí)際工作狀況,為實(shí)現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程診斷提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

圖11 遠(yuǎn)程協(xié)助診斷

通過(guò)以上實(shí)測(cè)截圖和數(shù)據(jù)分析可以看出,手機(jī)終端能夠?qū)崟r(shí)的接收到來(lái)自車載端的數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析和顯示,測(cè)試結(jié)果非常滿意,達(dá)到了預(yù)想的設(shè)計(jì)效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用4G技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛性能數(shù)據(jù)的采集,實(shí)驗(yàn)表明,車輛性能數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。通過(guò)該系統(tǒng)駕駛者或者其家人可以輕松的在家通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)登入,實(shí)時(shí)的查看汽車的具體車況和運(yùn)行狀況,提高了汽車的可維護(hù)性和安全性[11]。

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Design and Implementation of an Automotive Performance Data Acquisition System Based on 4G

WU Ke CHENG Li HUANG Yuanfeng

(School of Electrical and Information Engineering,Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205)

With the development of 4G technology, in order to further improve the efficiency of the car remote data collection, an automotive performance data acquisition system based on the 4G is proposed and designed in this paper．The system integrates the OBD and 4G wireless communication module, which transmits the collecting vehicle performance information to the remote monitoring terminal by 4G network. It is convenient for the users to grasp the information of their own vehicles in real time, and provides a sufficient basis for vehicle maintenance, maintenance and security. According to the transmission characteristics of 4G networks, the various stages of data transfer process are designed, which achieves the remote collection of vehicle performance data. The results show that the remote diagnostic data acquisition method based on the 4G networks has advantages of high real-time and accurate data transmission,which can providing an effective data supports for remote diagnostics.

4G network, data transmission, remote data acquisition

2016年8月4日,

2016年9月25日

吳珂,女,碩士研究生,研究方向：控制理論與控制工程。程莉,女,碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向：無(wú)線通信系統(tǒng)、電磁波傳播、時(shí)差估計(jì)等。黃元峰,男,碩士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向：自動(dòng)控制理論應(yīng)用、液壓伺服控制、機(jī)電一體化等。

U467

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.02.037