劉景鋒, 沈 駿, 李炎亮

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

近年來,遠程監(jiān)控系統(tǒng)在多領(lǐng)域中大量使用,在諸如公共場所、工業(yè)生產(chǎn)和貨物運輸?shù)确矫嫫鸬街匾饔肹1-3].重型車輛作為物流運輸行業(yè)的主力,根據(jù)《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》法規(guī)要求,車輛運行時需將發(fā)動機運行數(shù)據(jù)、車輛位置和排放后處理系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到國家監(jiān)控平臺進行實時監(jiān)控.法規(guī)規(guī)定重型車輛柴油發(fā)動機必須安裝柴油機顆粒捕集器(Diesel Particulate Fitter,DPF),以降低排放顆粒物,其中DPF的工作溫度是重要的監(jiān)控指標(biāo)[4-5].因此有必要對重型車輛遠程監(jiān)控進行研究.

重型車輛上安裝多個電控單元(Electronic Control Unit,ECU)控制車輛運行,現(xiàn)階段對ECU中信息采集的方法有離線和在線兩種方式.離線設(shè)備連接到車載診斷系統(tǒng)(On Board Diagnostics,OBD)標(biāo)準(zhǔn)診斷接口,采集到的數(shù)據(jù)可通過藍牙(Bluetooth)等方式傳輸?shù)絺€人計算機(PC)或手機的上位機中[6-7],從而完成對車輛的診斷.離線設(shè)備因受地理限制,無法實時對車輛進行監(jiān)控,故通過車載終端連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進行在線監(jiān)控的方式可有效解決地理對車輛監(jiān)控的限制,管理者在移動端即可實現(xiàn)在線監(jiān)控車輛狀態(tài)[8-9].在車載終端使用網(wǎng)絡(luò)時需要監(jiān)控者與被監(jiān)控車輛雙方進行身份認(rèn)證,劉佼等[10]設(shè)計關(guān)于車載軟硬件完整性的診斷通信協(xié)議以提高監(jiān)控車輛的安全性,在獲取車輛運行大數(shù)據(jù)后可完成車輛調(diào)控.目前,市場上滴滴等網(wǎng)約車企業(yè)有海量的車輛接入其服務(wù)端,趙愛心等[11-12]學(xué)者利用滴滴大數(shù)據(jù)開展了預(yù)測車輛行程時間,分析道路情況等相關(guān)研究.

針對以上問題,本文提出一種可遠程監(jiān)控重型車輛的車載系統(tǒng),該系統(tǒng)集成診斷、GPS定位、圖像監(jiān)控以及4G通信等模塊,是一款能夠自動采集車輛位置信息和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的車載終端,采集的數(shù)據(jù)經(jīng)分類處理后傳輸至云端服務(wù)器用以實現(xiàn)對車輛運行狀態(tài)的在線監(jiān)控.

1 監(jiān)控系統(tǒng)概述

本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)的收集、處理計算和傳輸?shù)攘鞒?車載終端安裝固定在車輛上,可以定時或者實時地從車輛OBD接口讀取控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)總線上的數(shù)據(jù),并與云服務(wù)器建立端到端通信,車載終端將數(shù)據(jù)解析處理后傳輸至遠程監(jiān)控中心,遠程監(jiān)控中心提供數(shù)據(jù)存儲以及其他服務(wù),用戶經(jīng)過授權(quán)后可通過電腦或者手機登陸監(jiān)控中心,實時查看監(jiān)控數(shù)據(jù)以掌控車輛運行狀態(tài),還可以遠程控制車載終端.監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Monitoring system architecture

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)車載終端硬件部分由主控芯片、OBD數(shù)據(jù)采集模塊、GPS定位模塊、圖像采集模塊和4G無線通信模塊等5部分組成.主控芯片通過數(shù)據(jù)總線與其他模塊連接可完成板級通信功能.目前,主控芯片可選擇STM32、FPGA和i.MX6UL等系列的芯片[13],考慮到需要傳輸大量數(shù)據(jù),故選擇性能較好的、恩智浦公司的i.MX6UL芯片.該芯片主頻可以達到528 MHz,能滿足系統(tǒng)對處理速度的要求.車載終端可通過OBD接口與車輛連接,4G天線和GPS天線可提高相關(guān)模塊的信號質(zhì)量,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 車載終端硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of vehicle terminal

2.1 電源模塊設(shè)計

車載終端連接車輛OBD接口的4號和16號陣腳進行取電,重型車輛多采用24 V電源供電,故需通過LM22676電源芯片降壓才可以對車載終端進行穩(wěn)定供電.車載終端各模塊工作電壓不同,車輛電源經(jīng)電源芯片降壓后可獲得3.3和5.0 V兩種工作電壓,電源模塊的電路原理如圖3所示.

圖3 電源模塊設(shè)計圖Fig.3 Design diagram of power supply module

2.2 CAN通信模塊設(shè)計

主控芯片集成了兼容2.0 A/B規(guī)范的FlexCAN接口,配合型號為TJA1050的專用CAN收發(fā)器芯片,可與ECU進行標(biāo)準(zhǔn)消息幀和擴展消息幀的CAN通信.CAN芯片由5 V穩(wěn)壓直流電進行供電,其與主控芯片通過異步收發(fā)傳輸器(UART)完成數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)功能.CAN通信模塊電路設(shè)計,如圖4所示.

圖4 CAN通信模塊電路設(shè)計圖Fig.4 Circuit design of CAN communication module

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件

3.1 CAN通信軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)完成的車輛數(shù)據(jù)傳輸包括車載終端與ECU的通信以及車載終端與遠程服務(wù)中心的通信.通信過程須遵循一定方式才可以保證數(shù)據(jù)的可信度和完整性,監(jiān)控系統(tǒng)通信流程如圖5所示.

圖5 通信流程圖Fig.5 Communication flow chart

車載終端與ECU之間的通信遵循CAN2.0B協(xié)議,通過在終端集成ISO14229[14]診斷協(xié)議后實現(xiàn)與ECU的CAN統(tǒng)一診斷通信能力.診斷協(xié)議中規(guī)定CAN報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、循環(huán)冗余校驗(CRC)以及幀結(jié)束等6部分.終端按照約定格式向ECU發(fā)送和接收CAN報文,終端接收到CAN報文后還需對報文進行CRC以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,然后再解析出數(shù)據(jù)域的具體信息.車載終端可采集車輛識別碼(VIN)、故障及數(shù)據(jù)流等信息.數(shù)據(jù)域的報文為2～8個字節(jié),其中第1個字節(jié)表示數(shù)據(jù)長度,從第2個字節(jié)起表示具體信息,CAN報文信息見表1.表中,TX為車載終端向ECU發(fā)送CAN報文,RX為終端接收ECU報文.通過發(fā)送F190診斷服務(wù)指令查詢車輛VIN,ECU返回多幀CAN報文,其中ECU返回首幀后,需要發(fā)送流控制幀用于繼續(xù)接收報文,對首幀、第2幀以及第3幀報文解析轉(zhuǎn)化為ASCII碼后可知,ECU中存儲的車輛17位VIN為LETDJECB3EH100108.

表1 CAN報文信息Table 1 CAN message information

3.2 位置定位軟件設(shè)計

車載終端配備u-blox模塊實現(xiàn)定位,定位模塊工作時不斷地接收衛(wèi)星廣播的位置等信號,然后解析GPS信息并按照一定頻率在串口中輸出數(shù)據(jù)流.其中,串口數(shù)據(jù)中幀頭為“$GPGGA”的數(shù)據(jù)幀為定位信息語句,包括經(jīng)緯度、UTC時間和海拔等信息.“$GPRMC”數(shù)據(jù)幀為推薦定位信息,例如,“$GPRMC,120543.00,A,31.05786,N,121.20291,E,0.185,,120213,,,A*79”數(shù)據(jù)幀,經(jīng)解析后可以獲取緯度為31°05′786″N,經(jīng)度為121°20′291″E.解析后的數(shù)據(jù)與車載終端ID信息綁定后經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器,服務(wù)器獲取其中的位置信息存儲在數(shù)據(jù)庫,以供用戶登陸服務(wù)器查看車輛歷史行駛軌跡.

3.3 圖像監(jiān)控軟件設(shè)計

圖像監(jiān)控需要完成車輛工作環(huán)境的采集、存儲以及傳輸?shù)?個過程.當(dāng)車載終端完成初始化后,圖像監(jiān)控模塊開始工作,監(jiān)控攝像頭通過RS485總線與車載終端進行通信,車載終端定時發(fā)送拍攝指令控制攝像頭以獲取圖像,獲取到的圖像壓縮后可加快圖像存儲速度以及增加存儲數(shù)量.當(dāng)終端與遠程服務(wù)器建立通信后,圖像通過4G通信模塊傳送至服務(wù)器.

4 試驗結(jié)果與討論

為驗證終端系統(tǒng)的功能,分別進行圖像采集和定位信息采集試驗.對圖像監(jiān)控模塊的圖像采集時,分別采集3種分辨率圖像(像素×像素)為160×120、320×240和640×480等各10幅,記錄圖像文件大小和傳輸?shù)椒?wù)器所用的時間,試驗記錄見表2.分析圖像傳輸速度受圖像分辨率大小的影響可得,分辨率越大,傳輸所用時間越長,另外,4G通信模塊的傳輸速度也會影響圖像傳輸.

表2 圖像傳輸時間表Table 2 Image transmission schedule

重型車輛的發(fā)動機排氣管安裝有DPF,為監(jiān)控顆粒排放,DPF進出口都安裝有溫度傳感器,監(jiān)控溫度傳感器溫度變化范圍,也可間接監(jiān)控顆粒物排放.某一時刻車載終端讀取的傳感器溫度數(shù)據(jù)見表3.根據(jù)文獻[5]可知,DPF溫度在(620±20)℃時,發(fā)動機排放顆粒物較少,監(jiān)控DPF進出口溫度可知,終端車輛的顆粒物排放處于正常水平.

表3 傳感器溫度Table 3 Sensor temperature

GPS信息數(shù)據(jù)包含車輛編號、車牌號碼、車速和車輛所在經(jīng)緯度等信息.用戶可通過鼠標(biāo)拖動進行地圖的移動、縮小和放大等功能,實時定位可將汽車運行過程中的位置通過地圖顯示出來,隨時查看汽車的運行狀態(tài).通過云端顯示的車輛監(jiān)控信息,如圖6所示.

圖6 車輛云端監(jiān)控記錄Fig.6 Cloud monitoring record of vehicle

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了重型車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng),利用i.MX6UL微處理芯片豐富的輸入輸出接口搭建車載終端硬件平臺.經(jīng)過試驗驗證,車載終端不僅可以采集車輛CAN總線數(shù)據(jù),還可以獲取車輛位置信息以及圖像信息.與此同時,以上數(shù)據(jù)可通過4G通信模塊上傳至遠程云端服務(wù)器.云端服務(wù)器對數(shù)據(jù)解析后動態(tài)顯示車輛狀態(tài),管理者使用該監(jiān)控平臺能實時查看車輛運行數(shù)據(jù),這有利于車輛的集中化管理.本文僅將車輛位置信息存儲在云端服務(wù)器,并未建立與車輛軌跡數(shù)據(jù)相關(guān)的理論模型,未來將通過分析監(jiān)控數(shù)據(jù),對車輛運行狀態(tài)進行預(yù)測.