蘇 濤

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

我國(guó)最新頒布的新能源汽車發(fā)展政策，明確規(guī)定：新生產(chǎn)的新能源汽車必須通過車載終端對(duì)車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到企業(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。電動(dòng)汽車作為新能源汽車的一種，是未來汽車發(fā)展的主流方向。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，對(duì)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控，有助于掌握車輛的運(yùn)行狀況和故障信息，提高電動(dòng)汽車運(yùn)行的安全性，同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集對(duì)電動(dòng)汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

文獻(xiàn)[2-3]提出基于GPRS無線通信技術(shù)和CAN總線技術(shù)的電動(dòng)汽車監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程傳輸。文獻(xiàn)[4]提出基于RFID，GPS和傳感器技術(shù)的物流車車載終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車輛識(shí)別、實(shí)時(shí)定位等功能。文獻(xiàn)[5]提出基于ARM平臺(tái)和嵌入式Android操作系統(tǒng)的車載終端，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間信息和能量的相互交互。文獻(xiàn)[6]介紹了基于北斗定位模塊和GPRS通信模塊的車載終端系統(tǒng)，同時(shí)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法提高系統(tǒng)的定位精度。

為滿足電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控中的信息交互需求，結(jié)合CAN總線、北斗定位、AES加密及4G通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車車載終端系統(tǒng)，用于純電動(dòng)汽車的智能化監(jiān)控管理。

1 車載終端系統(tǒng)原理

車載終端系統(tǒng)是車輛監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一[8]。車輛監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Vehicle monitoring system structure

根據(jù)車載終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流向，分析車載終端系統(tǒng)的工作原理如下：車載終端系統(tǒng)通過CAN通信模塊獲取車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，包括電機(jī)數(shù)據(jù)、電池?cái)?shù)據(jù)及故障信息等[9]；通過北斗定位模塊獲取車輛的定位數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議打包后加密，然后通過4G通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送到車載終端系統(tǒng)[10]，車載終端系統(tǒng)再通過CAN通信模塊將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制。

根據(jù)車載終端系統(tǒng)的工作原理，文中設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車的車載終端系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要組成模塊包括：

1）主控制器模塊 作為車載終端系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)車載終端系統(tǒng)功能的關(guān)鍵；將車載終端系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議打包加密后發(fā)送給無線通信模塊，同時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送來的控制指令。

2）4G通信模塊 建立車載終端系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信，實(shí)現(xiàn)車載終端系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心信息的交互。

3）北斗定位模塊 負(fù)責(zé)接收車輛的定位數(shù)據(jù)。

4）CAN通信模塊 與電動(dòng)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)相連接，負(fù)責(zé)采集車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息及向CAN總線上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。

圖2 車載終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of vehicle terminal system

2 車載終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊采用FreeScale MC9S12XE系列單片機(jī)中的MC9S12XEP100，用于接收車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、定位數(shù)據(jù)，并按照規(guī)定的協(xié)議重新打包數(shù)據(jù)后加密。此外，還用于控制4G通信模塊，完成相應(yīng)的發(fā)送、接收任務(wù)。

MC9S12XEP100單片機(jī)有64 kB的RAM，1 MB的 Flash，4 kB的 EEPROM，8路 SCI通信接口、3路SPI通信接口、2路IIC通訊接口、5路CAN通訊接口[11]。片上資源豐富可以滿足系統(tǒng)需求，同時(shí)其內(nèi)部集成了MSCAN控制器，便于系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2.2 CAN通信模塊

在電動(dòng)汽車中，電動(dòng)汽車各個(gè)控制器之間大多可以通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信息共享。因此，車載終端系統(tǒng)可以通過CAN總線獲取車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，并通過CAN總線向車載CAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。在此CAN總線通信采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，遵循CAN 2.0B規(guī)范。

CAN通信模塊的接口芯片選用TLE6250G。TLE6250G是英飛凌公司的、應(yīng)用于汽車高速數(shù)據(jù)傳輸CAN上的集成總線收發(fā)器。該芯片具有電磁兼容性好、信號(hào)傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)滿足IS011898標(biāo)準(zhǔn)。為了提高車載終端系統(tǒng)的抗干擾能力，將CAN引腳通過高速光耦6N137與總線收發(fā)器TLE6250G相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。

2.3 北斗定位模塊

車載終端系統(tǒng)通過北斗定位模塊獲取車輛的定位數(shù)據(jù)。在此選用和芯星通公司的UM220定位芯片。UM220是專門針對(duì)車輛監(jiān)控推出的定位芯片。UM220具有尺寸小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[12]。同時(shí)，芯片的外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無需外接CPU進(jìn)行控制。北斗定位模塊電路如圖3所示。單片機(jī)通過UART接口與模塊之間進(jìn)行通信，便于信息處理。

2.4 4G通信模塊

圖3 UM220模塊電路Fig.3 UM220 module circuit

4G通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)通信基礎(chǔ)。它實(shí)現(xiàn)了車載終端系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心無線通信，在此采用中興公司的4G通信模塊ME3760。該模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)上行速率可達(dá)10 Mb/s和下行速率可達(dá)150 Mb/s，傳輸速度快，滿足車載終端系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的需求。系統(tǒng)中的4G通信模塊通過異步串口與主控制器連接，通過AT指令控制模塊連接到因特網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線通訊功能。ME3760模塊的電路如圖4所示。

圖4 ME3760模塊電路Fig.4 ME3760 module circuit

3 車載終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序總體流程

車載終端系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)主程序和若干子程序。系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì)流程Fig.5 System overall program design flow chart

車載終端系統(tǒng)子程序主要包括以下8個(gè)部分：①初始化子程序 用于車載終端系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)串口初始化、變量初始化等；②4G模塊聯(lián)網(wǎng)子程序 為單片機(jī)向4G通信模塊發(fā)送AT指令建立與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)連接；③北斗定位數(shù)據(jù)接收子程序 用于讀取串口的北斗定位數(shù)據(jù)，提取系統(tǒng)所需的經(jīng)緯度、時(shí)間、速度數(shù)據(jù)，并保存在相應(yīng)的變量中；④CAN數(shù)據(jù)接收子程序 用于接收CAN總線上的車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，并保存在相應(yīng)的變量中；⑤CAN數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 用于轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控管理中心的控制指令到CAN總線上的指定節(jié)點(diǎn)；⑥數(shù)據(jù)打包子程序 按照規(guī)定的通信協(xié)議打包車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、定位數(shù)據(jù)；⑦AES加密子程序 用于將打包好的明文數(shù)據(jù)加密處理為密文數(shù)據(jù)；⑧數(shù)據(jù)發(fā)送子程序 用于將加密后的密文數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

3.2 CAN通信子程序

CAN通信子程序包括CAN數(shù)據(jù)接收子程序和CAN數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。車載終端系統(tǒng)接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送來的控制指令后，車載終端系統(tǒng)設(shè)置接收節(jié)點(diǎn)的ID，并將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上，CAN總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)CAN報(bào)文的ID判斷是否接收。CAN總線上節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)運(yùn)行信息發(fā)送到CAN總線上，車載終端系統(tǒng)根據(jù)ID判斷是否接收，車載終端系統(tǒng)CAN總線數(shù)據(jù)接收采用中斷方式。

3.3 北斗定位數(shù)據(jù)接收子程序

NMEA0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前GPS模塊輸出的語句都是NMEA0183格式，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也遵循這一世界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)[13]。系統(tǒng)中使用北斗推薦的定位信息語句，其語句格式為$BDRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，<11>*hh。其具體含義見表1。

表1 北斗推薦定位信息Tab.1 Beidou recommended positioning information

北斗定位數(shù)據(jù)接收子程序流程如圖6所示。首先對(duì)北斗模塊進(jìn)行初始化，然后讀取串口開始接收數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)幀是否為“$”，如果是則判斷接收的幀頭是否為$BDRMC，再判斷數(shù)據(jù)是否有效，若有效則提取所需要的數(shù)據(jù)。

圖6 北斗定位數(shù)據(jù)接收流程Fig.6 Beidou location data receiving process

3.4 AES加密子程序

AES（advanced encryption standaed）確定分組密碼Rijndael為其算法。該算法為對(duì)稱加密算法，加密的密鑰與解密的密鑰相同，AES算法的密鑰長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度可以被設(shè)計(jì)為128，192，256 bit[14]。AES算法在結(jié)構(gòu)上采用代替置換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成輪變換，結(jié)合了一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過多輪迭代后得到加密后的數(shù)據(jù)[15]。系統(tǒng)中，AES算法數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度均采用128 bit，其加密流程如圖7所示。

圖7 AES算法加密流程Fig.7 AES algorithm encryption flow chart

目前，現(xiàn)有的所有破譯方法對(duì)AES均無法構(gòu)成有效威脅，AES算法的安全性極強(qiáng)，同時(shí)其加密形式具有靈活簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。因此，車載終端系統(tǒng)采用AES算法用于4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞，有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.5 4G通信模塊子程序

4G通信模塊主要建立車載終端系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的無線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)兩者之間信息的交互。

車載終端系統(tǒng)將采集的車輛數(shù)據(jù)打包加密后，通過4G通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器，并接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送過來的控制指令。在整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，建立與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的TCP/IP連接及數(shù)據(jù)的上傳、接收非常重要。通過AT指令完成4G通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心無線網(wǎng)絡(luò)的連接、車輛數(shù)據(jù)的上傳、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心指令的接收，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中所涉及的主要AT指令見表2。

表2 AT指令Tab.2 AT command form

4 測(cè)試驗(yàn)證

所設(shè)計(jì)車載終端系統(tǒng)采集車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息、定位數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心客戶端顯示數(shù)據(jù)的解析結(jié)果；同時(shí)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送過來的控制指令并響應(yīng)指令。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的車載終端系統(tǒng)模擬測(cè)試如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)室中由一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，使用HTML+CSS+JavaScript設(shè)計(jì)開發(fā)遠(yuǎn)程客戶端，顯示數(shù)據(jù)的解析結(jié)果，并在室內(nèi)測(cè)試靜止?fàn)顟B(tài)下車載終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕皇褂昧硗庖慌_(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行CANTest軟件，并通過USB轉(zhuǎn)CAN模塊與車載終端系統(tǒng)連接，驗(yàn)證車載終端系統(tǒng)采集車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息及響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心控制指令的功能。測(cè)試結(jié)果顯示，該車載終端系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和定位數(shù)據(jù)的可靠傳輸，準(zhǔn)確響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心控制指令，等基本功能，實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心信息的交互。

圖8 電動(dòng)汽車車載終端系統(tǒng)的模擬測(cè)試Fig.8 Simulation test of vehicle terminal system of electric vehicle

5 結(jié)語

通過對(duì)CAN總線、北斗定位、AES加密及4G通信等技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車車載終端系統(tǒng)。其中，車載終端系統(tǒng)分別通過CAN通信模塊和北斗定位模塊獲取了車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和定位數(shù)據(jù)；通過4G通信模塊建立與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的無線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心信息的交互；通過使用AES加密算法對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｗ詈?，通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了該車載終端系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和定位數(shù)據(jù)可靠傳輸、準(zhǔn)確響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心指令等基本功能，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心信息的交互。所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車車載終端系統(tǒng)為車輛監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，可為電動(dòng)汽車的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)來源，有助于推動(dòng)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，該車載終端系統(tǒng)在車輛防盜報(bào)警中也起到一定的作用。

[1]中華人民共和國(guó)工業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)部.新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定[EB/OL].2017-01-16.http：//www.miit.gov.cn/n11 46285/n1146352/n3054355/n3057254/n3057264/c5462995/content.html.

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