基于Internet和3G的汽車遠程診斷數據采集技術的研究*

顏伏伍，曹 愷，胡 杰，楊 辰

(武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070)

前言

汽車電控化程度被看作是衡量現代汽車水平的重要標志，而電控化程度越高，汽車故障診斷越困難，有資料統計顯示，當前故障診斷時間為70%左右，故障排除時間僅30%［1］。現代汽車電子控制單元都具備在線診斷系統(OBD)，它能實時監控汽車電子控制系統的工作情況和判別相關故障，并以故障碼的形式記錄［2］。但汽車電控技術發展迅速，能跟蹤掌握的診斷專家匱乏，汽車服務商經常須要尋求廠商技術支持，導致診斷效率降低，維修成本增加。

Internet是全世界最大的互聯網絡，普通用戶通過網絡服務商可輕松接入，這為汽車診斷數據共享提供了方便途徑［3］。而隨著信息技術的發展，3G網絡全IP化的不斷推進，為克服地域障礙、實現汽車診斷數據共享、提供協同診斷服務的汽車遠程故障診斷技術得到了廣泛的關注和研究［4］。其中通用汽車公司和豐田汽車公司在這一領域已有成功的經驗，而國內受網絡基礎和經濟技術等條件限制起步較晚。通過建立基于Internet和3G的汽車遠程診斷系統，著重研究實現汽車遠程診斷的數據采集技術和方法，為汽車遠程診斷技術的研究提供數據基礎。

1 汽車遠程診斷系統

汽車遠程故障診斷技術是通過本地故障診斷設備讀取汽車故障相關信息，以有線或無線方式傳輸至通信網絡，由遠程故障診斷服務中心管理汽車故障診斷數據共享，方便智能診斷系統和診斷專家在遠端實時、高效地進行故障診斷，為遠端客戶提供診斷支持的技術［5］，它具備以下幾點優勢。

(1)采用多種網絡組建企業級診斷監測系統，形成標準數據庫，有利于數據的積累和資源共享。

(2)有利于進行協同診斷，實現企業和異地專家的聯合會診，提高診斷準確性和可靠性。

(3)具有良好的可擴展性，借助計算機技術和網絡通信技術，汽車遠程診斷系統可以靈活擴展。

(4)克服地域差異，滿足對不斷增強的診斷實時性和移動性的需求，減少專家出差次數，節約售后成本［6］。

(5)方便實施主動診斷，對車輛進行實時監控，預防汽車故障惡化，提供可靠的技術保障［7］。

(6)提供遠程技術教學，提高售后人員技能水平，有效解決故障診斷技術的更新和掌握問題。

通過構建汽車遠程診斷系統實現對相關技術進行深入研究，該系統包括汽車故障診斷通信裝置、PC與手機診斷客戶端和遠程故障診斷服務中心等部分，如圖1所示。

1.1 汽車故障診斷通信裝置

ECU的大量使用和各種不同的通信協議得到廣泛應用［8］，導致車載網絡復雜化程度的增加。為解決不同協議間的數據轉換，設計了通用型診斷協議轉換裝置。該裝置以飛思卡爾公司的HCS12系列16位微處理器為主控單元，集成CAN通信控制器;使用車載診斷通信接口芯片MC33290進行K線電平轉換;使用 CAN收發器芯片 PCA82C250實現CAN控制器到車載網絡的電平轉換和驅動，集成網絡通信協議;而在上層應用方面，則通過USB、藍牙和3G模塊提供數據服務。

1.2 PC和手機診斷客戶端

手持式汽車故障診斷儀受性能影響，系統運行慢，且無法提供智能診斷和指導，而PC和智能手機式診斷設備依賴強大的硬件配置能有效克服上述問題。在單機模式下，PC和手機診斷客戶端能實現故障碼、凍結幀和數據流的讀取以及動作測試和幫助查詢等功能。在聯網模式下，通過遠程診斷輔助等功能，對故障車輛進行遠程診斷，并對本地技術人員進行指導，必要時比對ECU信息，遠程刷新ECU程序，并歸納最終診斷結果，形成車輛病例，上傳至服務器，以方便統計分析。

1.3 遠程故障診斷服務中心

遠程故障診斷服務中心由專家、數據庫服務器、管理服務器和診斷服務器組成，主要負責管理汽車故障診斷網絡，提供遠程診斷數據的共享，實現遠程故障智能診斷和專家協助等。遠程服務中心信息系統還提供數據共享服務和智能診斷算法，能更有效地提高設備的穩定性和安全性，減少設備維修時間，降低維修成本［9］。

2 汽車遠程診斷數據的采集

2.1 汽車診斷數據獲取

汽車故障診斷通信裝置負責汽車診斷原始數據的獲取，實現診斷軟件和車載網絡之間的協議轉換。以診斷數據流通信為例，其數據流采集流程如圖2所示。

當汽車故障診斷通信裝置收到上層應用服務請求后，首先確定工作模式，并確定車載網絡協議類型;在K線網絡下，先設置波特率、握手時間和報文頭等，再轉發讀取命令，并對反饋數據進行簡單計時和校驗。在CAN總線網絡下，為解決通信雙方的同步問題，須采用流控制管理機制［10］，在首幀數據到達后計算數據長度，并激活N_Cr超時定時器，同時反饋流控制幀至ECU等待連續幀數據。若在N_Cr時間內，未接受到連續幀將進行超時處理;否則對接受到的連續幀進行計數，并根據接收方還可接收的連續幀數目確定是否再次發送流控制幀;在接受完成和校驗通過后，對數據進行組合，并上傳至上層應用。

2.2 Internet與3G網絡的通信?

文獻［11］中將汽車診斷技術與GPRS無線通信技術相結合，為新一代故障診斷技術提供了有效設計思路;但因受通信速率的影響，其發展受到限制。3G網絡支持高速數據傳輸，而 WCDMA制式與GSM/GPRS保持很好的后向兼容性，具有成熟度好、覆蓋范圍廣和安全性強等特點，已在全球范圍內得到廣泛應用。而且國際標準化組織3GPP針對WCDMA網絡制定了利于其演進的規范，便于實現3G業務承載的全面IP分組化［12］。

華為MU509模塊采用貼片式LGA封裝，提供最高上行速率384kbps、下行速率3.6Mbps的分組數據業務，內嵌 TCP/IP協議，提供 UART與 USB接口，能夠很好地實現Internet與3G網絡互聯。圖3為診斷數據通信流程:在接收到遠程服務指令后，交由主控單元處理;主控單元由圖2所示流程獲取診斷數據;對數據長度進行判斷，確定是否分段發送，并將各段數據發送出去，直至傳輸完成。

2.3 遠程傳輸機制

將汽車遠程診斷數據分為4類:基礎數據、狀態數據、文件數據和遠程協助數據，見表1。遠程診斷數據具有傳輸數據量小、實時性要求一般但可靠性要求高的特點。在傳輸層協議的選擇上，TCP協議提供面向連接的服務，相對于UDP協議，較能保證信息有序無誤的傳輸，有效降低應用層的處理工作量，且通過一定的策略可使其實時性得到保證。因此選擇TCP協議作為傳輸層協議。

表1 遠程診斷數據分類

系統自定義了數據包結構，通過對數據長度的識別，使用緩存技術處理，保證數據顯示的流暢性。在數據傳輸前，客戶端與專家端進行協議和數據采集頻率的協商，待專家端接受到數據后，再分包處理，并以協商頻率顯示出來，其數據傳輸機制如圖4所示。作者在武漢構建汽車故障診斷中心，使用電信寬帶接入Internet，分別與北京、上海、昆明、柳州和汕頭等地聯合測試遠程協助診斷，單次時間共計10min，平均傳輸速率為30kb/s，使用流量18Mb，由此說明該機制能很好地適應當前的網絡環境。

2.4 服務器的設計

汽車遠程診斷系統架構在通信網絡之上，由中心服務器和異地專家組成廣域診斷系統，系統的實現主要考慮網絡結構確立和服務器性能兩方面。遠程診斷網絡有瀏覽器/服務器(B/S)和客戶機/服務器(C/S)兩種結構模式。C/S模式交互性強、安全性高，承載部分業務邏輯，有效降低服務器通信開銷和業務負載。汽車遠程診斷系統要求有很好的交互性和安全性，且須要承載具體的診斷業務以便單機使用，因此選擇C/S模式進行系統開發。

服務器利用套接字實現通信，常用套接字模型有選擇模型、異步選擇模型、事件選擇模型、重疊模型和完成端口模型等，其中完成端口模型有更好的伸縮性和更高的數據吞吐率，能滿足服務器高性能的要求。服務器的配置為:CPU2.0GHz Xeon、內存4G;客戶機的配置為2.1GHz Xeon、內存1G。在此測試環境下，模擬并發8 000個客戶端進行診斷數據交互，各種模型性能見表2。完成端口模型在連接數和吞吐率上明顯優于選擇和異步選擇模型，而在內存和CPU的使用上也比事件選擇和重疊模型有較大優勢，具備最佳的系統性能。

表2 服務器通信模型測試

3 試驗測試

本文中以國內某汽車廠商全車系車輛為研究對象，設計了汽車故障診斷通信裝置，內部實現K線、CAN總線、USB和藍牙等協議數據的轉換;使用SQL Server 2003搭建數據庫，上位機采用C#作為編程語言，使用面向對象方法由各功能模塊分層實現，成功構建了基于Internet和3G的汽車遠程診斷系統。圖5為PC和手機故障診斷實測截圖。汽車故障診斷通信裝置和標準診斷通信接口相連，通過USB與PC診斷客戶端相連并進行聯機診斷，使用藍牙與手機診斷客戶端相連，讀取汽車診斷數據。

圖6 為PC遠程協助診斷截圖，遠程專家異地操縱客戶端軟件，查看故障車輛數據流。圖7～圖12為由汽車故障診斷通信裝置通過3G網絡傳輸至遠程服務中心后，結合各自坐標再現的數據處理圖(圖中采樣點間隔50ms)，能更加清晰地顯示了車輛數據流變化情況。由試驗數據分析可知，上述兩種方法均有效實現了汽車遠程故障診斷數據共享，數據采集頻率高，能實時、準確地反映出當時車輛實際工作狀況，為實現汽車遠程診斷提供了有效的數據支持。

4 結論

結合計算機、通信和汽車故障診斷等技術，構建了基于Internet和3G的汽車遠程診斷系統，結合網絡傳輸特性，設計了各個階段的傳輸策略，有效地實現了汽車遠程診斷數據的采集。試驗表明，汽車遠程診斷數據采集實時性高、數據傳輸準確，為遠程診斷專家提供了很好的數據支持，方便專家進行汽車遠程診斷，可有效縮短售后服務時間，節約售后服務成本，提高汽車品牌形象。

［1］ Hu Jie，Yan Fuwu，Tian Jing，et al．Developing PC-Based Automobile Diagnostic System Based on OBD System［C］．Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，2010．

［2］ 王建海，方茂東，高繼東，等．汽油車車載診斷系統(OBD)基本原理及其應用［J］．汽車工程，2006，28(5):491 －494．

［3］ Ni Hong，Zhao Min，Sun Yitao，et al．An Internet-Based Remote Monitoring System for Automobile Testing System［J］．Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2002，19(2):213－217．

［4］ Tian Liyun，Qin Guihe，Zhang Jindong．Remote Diagnosis System of Vehicle Based on Telematics［C］．IEEE CMCE，2010．

［5］ Jonas Kuschel，Fredrik Ljungberg．Decentralized Remote Diagnostics:A Study of Diagnostics in the Marine Industry［C］．Proceeding of 18th Annual Conference of the British HCI Group，2004．

［6］ Lin Jyong，Chen ShihChang，Shih YuTsen，et al．A Study on Remote On-Line Diagnostic System for Vehicles by Integrating the Technology of OBD，GPS，and 3G［J］．World Academy of Science，Engineering and Technology，2009(56):435 －441．

［7］ Song You，Mark Krage，Laci Jalics．Overview of Remote Diagnosis and Maintenance for Automotive Systems［C］．SAE Paper 2005 －01－1428．

［8］ Suwatthikul J，McMurran R，Jonesa R P．In-Vehicle Network Level Fault Diagnostics Using Fuzzy Inference Systems［J］．Applied Soft Computing，2011，11(3):3709 －3719．

［9］ Wang Chengen，Xu Lida，Peng Wuliang．Conceptual Design of Remote Monitoring and Fault Diagnosis Systems［J］．Information Systems，2007(32):996 －1004．

［10］ 張宏，詹德凱，林長加．基于CAN總線的汽車故障診斷系統研究與設計［J］．汽車工程，2008，30(10):934 －937．

［11］ 王明玉，董浩，王建．基于GPRS的車載故障診斷網關的設計與實現［J］．汽車工程，2009，31(10):999 －1003．

［12］ 聞英友，陳書義，趙大哲，等．3GPP框架下的UMTS核心網安全體系研究［J］．計算機工程，2007，33(20):153 －155．