韓丹，車前

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遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在汽車運(yùn)轉(zhuǎn)中的應(yīng)用*

韓丹1，車前2

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于組合導(dǎo)航和4G通信的汽車運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由車載數(shù)據(jù)采集終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成。車載終端實(shí)時(shí)采集參數(shù)，將信息利用EC20通信模塊定時(shí)傳送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心對(duì)上傳的信息進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器之間的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用前景。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

引言

汽車運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)是自動(dòng)駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)的積累可以為自動(dòng)駕駛算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛技術(shù)必要前提。

隨著眾多研究機(jī)構(gòu)和各大汽車廠商的加大對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的投入，自動(dòng)駕駛汽車必將成為下一代汽車的標(biāo)準(zhǔn)。云計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施的成熟為車聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛提供了重要保障。借助車聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)對(duì)汽車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以積累大量的汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的積累對(duì)自動(dòng)駕駛算法的優(yōu)化至關(guān)重要。

雖然國(guó)內(nèi)外在車聯(lián)網(wǎng)和汽車數(shù)據(jù)采集方面進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作，但是專門針對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的汽車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)研究并不多見。因此，借助車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)一套專門針對(duì)自動(dòng)駕駛的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于獲取人類駕駛習(xí)慣優(yōu)化自動(dòng)駕駛算法具有較大的意義。

目前自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究主要集中在對(duì)路面狀態(tài)的獲取和分析，然而，而自動(dòng)駕駛算法的安全可靠運(yùn)行離不開對(duì)汽車的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本研究的先進(jìn)性在于實(shí)現(xiàn)汽車基本運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以方便實(shí)現(xiàn)大量部署，為自動(dòng)駕駛技術(shù)研究提供大量數(shù)據(jù)積累。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示，由車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心兩部分組成。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

車載端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用Firefly開源主板ROC-RK3328 -CC作為主控制器，各模塊功能的實(shí)現(xiàn)以及獲取收據(jù)后的處理都是有主控制器進(jìn)行實(shí)施，車輛運(yùn)行參數(shù)由主控制器通過CAN總線從汽車OBD接口讀取。車輛姿態(tài)和位置參數(shù)通過組合導(dǎo)航模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過UART接口發(fā)送給主控制器。主控制器通過4GLTE通信模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通信

遠(yuǎn)程通信通過EC20無線模塊實(shí)現(xiàn)，4G模塊可以實(shí)現(xiàn)包括無線上網(wǎng)和GPS信號(hào)測(cè)量的功能，通過4G模塊中插入專用的SIM卡即可實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2 車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由：組合導(dǎo)航模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊組成，硬件框圖如圖2所示。

圖2 車載終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 組合導(dǎo)航模塊

本次設(shè)計(jì)中側(cè)重點(diǎn)在于汽車基本運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，SINS系統(tǒng)一方面可以采集車輛姿態(tài)數(shù)據(jù)，另一方面與GPS相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位功能，而GPS廣泛的應(yīng)用于汽車的監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航及定位上。因此本系統(tǒng)采用GPS/SINS組合導(dǎo)航模塊。

采集模塊需要采集駕駛?cè)笋{駛汽車這一動(dòng)態(tài)過程中的汽車姿態(tài)信息，包括：車速、油門大小、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、離合器狀態(tài)、剎車狀態(tài)、方向盤狀態(tài)和汽車姿態(tài)等，還需要完成數(shù)據(jù)的更新和實(shí)時(shí)上傳。

在這一過程要做到對(duì)數(shù)據(jù)的初級(jí)濾波和對(duì)系統(tǒng)電源信號(hào)的安全隔離，以及在網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)不能及時(shí)上傳數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)功能。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

不同傳感器輸出的信號(hào)存在較大差異，為實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的匯總，設(shè)計(jì)開發(fā)針對(duì)不同傳感器的信號(hào)采集和處理裝置，采集所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理得到汽車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

由于需要采集的目標(biāo)參數(shù)存在較大差異，有溫度參數(shù)、轉(zhuǎn)速參數(shù)、位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)四類，因此需要選擇不同類型的傳感器。傳感器類型不同，其輸出的信號(hào)也存在較大差異，有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)又包括I2C總線信號(hào)和PWM信號(hào)，因此針對(duì)不同信號(hào)需要專門開發(fā)傳感器信號(hào)處理裝置，來實(shí)現(xiàn)所有需求信號(hào)的采集和整理，最后得到需要測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.3 通信模塊

通信模塊實(shí)現(xiàn)與Web服務(wù)器的通信。采用移動(dòng)4G通信模塊，遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)可以通過4G無線GPRS通信實(shí)現(xiàn)，通過4G模塊中插入專用的SIM卡即可實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。

可利用公網(wǎng)IP服務(wù)器獲得固定IP地址和存儲(chǔ)空間，采集模塊和服務(wù)器的通信擬采用TCP協(xié)議，并設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信。在服務(wù)器上安裝MySQL數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)庫管理程序?qū)Σ杉母鞣N傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心

由于需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，本地存儲(chǔ)不便于最終數(shù)據(jù)的獲取和分析，因此需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程通信。在服務(wù)器上進(jìn)行程序開發(fā)，設(shè)計(jì)應(yīng)用層通信協(xié)議和用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)通信裝置與遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)通信，開發(fā)遠(yuǎn)程服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

服務(wù)器端設(shè)計(jì)主要由后臺(tái)程序設(shè)計(jì)和前端界面設(shè)計(jì)兩部分組成。主要功能是：車輛位置實(shí)時(shí)檢測(cè)、車輛運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和歷史分析等。車載端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳回汽車當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端利用傳感器傳回的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)汽車運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

后臺(tái)程序設(shè)計(jì)：如圖3所示，主要包括MQTT服務(wù)器搭建，MySQL數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，MQTT數(shù)據(jù)幀分析和數(shù)據(jù)庫寫入程序設(shè)計(jì)。

前端界面設(shè)計(jì)：如圖4所示，該設(shè)計(jì)采用PHP語言編寫網(wǎng)頁界面程序。目的是設(shè)計(jì)一個(gè)直觀地可控平臺(tái)界面。包括車速、油門大小、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、離合器狀態(tài)、剎車狀態(tài)、方向盤狀態(tài)和汽車姿態(tài)等一系列的實(shí)時(shí)顯示，能夠準(zhǔn)確的得到車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 后臺(tái)程序流程圖

圖4 前端界面設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端通過對(duì)車速、油門大小、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、離合器狀態(tài)、剎車狀態(tài)、方向盤狀態(tài)和汽車姿態(tài)等一系列信息的監(jiān)測(cè)，直觀顯示在監(jiān)測(cè)界面，可實(shí)時(shí)了解汽車運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的變化情況。同時(shí)通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，可獲取人類駕駛習(xí)慣，對(duì)優(yōu)化自動(dòng)駕駛提供數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種汽車運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)方便，另外云服務(wù)器具有極好的彈性，可以滿足不同計(jì)算和存儲(chǔ)的需求，因此本系統(tǒng)非常便于大規(guī)模部署。由于每臺(tái)裝置均會(huì)實(shí)時(shí)獲取大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的積累可以為后續(xù)的人類駕駛模型的建立和汽車自動(dòng)駕駛算法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1] 王傲博.汽車遠(yuǎn)程控制及無線通信在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].汽車應(yīng)用技術(shù),2019（04）.

[2] 吳海波.純電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2018.

[3] 晏雙鶴.汽車運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)——車載系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].重慶交通大學(xué),2009.4.

[4] 楊志剛,王險(xiǎn)峰,張環(huán)等.汽車運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[J].交通信息與安全,2010.

Application of Remote Real-time Monitoring System for Vehicle Operation*

Han Dan1, Che Qian2

（1.Shaanxi Polytechnic Institute,College of automobile engineering, Shaanxi Xianyang 712000; 2.Shaanxi Heavy-duty Automobile Co., LtD, Shaanxi Xi'an 710200）

This paper designs wireless monitoring system of vehicle running status based on integrated navigation and 4G communication. The system consists of vehicle data acquisition terminal and remote data center. The vehicle terminal collects real-time parameters, and sends the information to the remote data center by EC20 communication module. The remote data center analyses and stores the uploaded information to realize the real-time monitoring. Using MQTT protocol to realize the communication with the server of the data center, and real-time monitoring of automobile running state. This system is reasonable in design, stable in operation and has good application prospects.

remote monitoring; data acquisition;running state

U462

A

1671-7988(2019)09-44-03

U462

A

1671-7988(2019)09-44-03

韓丹（1991-），女，碩士，助教，就職于陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，主要從事汽車電子技術(shù)方面的研究。

院級(jí)科研計(jì)劃項(xiàng)目（ZK18-21）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.013