新能源汽車遠程監控終端的設計

王文揚，陳 正，陳祥威

（中國汽車技術研究中心汽車工程院，天津 300300）

新能源汽車是指使用非常規車用燃料 （或使用常規車用燃料但裝載新型動力裝置），具有新技術、新結構和先進技術原理的汽車。其中純電動汽車（BEV）、混合動力電動汽車 （HEV）和燃料電池電動汽車 （FCEV）發展前景最為良好，也是目前國家大力推廣的主要新能源車型。

中國汽車技術研究中心汽車工程研究院依托工信部和天津市科委項目 “天津市電動汽車規模示范信息化管理平臺建設及動力總成控制系統的優化與應用”，開發了新能源汽車監控管理系統。本系統參考國家相關標準：JT／T 794—2011道路運輸車輛衛星定位系統車載終端技術要求；JT／T 796—2011道路運輸車輛衛星定位系統平臺技術要求；JT／T 808—2011道路運輸車輛衛星定位系統終端通信協議及數據格式；GB／T 19056汽車行駛記錄儀。中國汽車技術研究中心汽車工程研究院根據以上國家標準制訂了企業標準：新能源實時監控系統功能規范；新能源車輛GPRS通信內容規范；新能源實時監控系統車載終端設計規范；新能源實時監控系統監控管理平臺軟件設計規范［1］。本文將主要介紹遠程監控終端。

1 國內外現狀

1.1 國外汽車遠程監控系統的研究現狀

在美國，遠程監控系統通過無線網絡實時為行車提供各種所需信息，被定義為Telematics，它的大部分應用系統位于網絡上，而非汽車內，如通信網絡、衛星與廣播等。駕駛者可運用無線傳輸的方式，連接網絡傳輸與接收資訊和服務，也可以下載應用系統或更新軟體等，所耗的成本較低，主要功能仍以行車安全與車輛保全為主，其特點如下［2］。

1）GPS導航：透過 GPS配合路線資訊，作路況報導與路線指引。

2）汽車防盜：透過衛星定位提供失竊車輛的搜尋與追蹤。

3）自動防撞：透過傳感器或雷達，感應車與車間安全行駛距離。

4）車況掌握：車輛性能與車況的自動偵測、維修診斷等。

5）個人資訊：收發電子郵件與個人化資訊等。

6）拖車追蹤：通過車聯網和移動網絡聯系地面拖車單位。

7）道路援救：行車過程中，假使發生車禍或車輛故障意外，通過按鍵，自動聯系救援。

8）多媒體娛樂：高畫質與高音質的視聽設備、游戲機、上網機、個人行動資訊中心、隨選視訊等。

9）車輛應急預警系統：信息通信技術為智能汽車應用開發提供根據，并提供車輛附近周圍的車輛信息和基礎設施目標的規定。

在所有的汽車企業中，美國通用公司首先把OnStar-Telematics技術應用于高檔轎車領域，它通過無線網絡連接服務中心，同時服務中心利用GPS衛星定位系統確定車輛位置，以最快的速度響應車輛的實時要求。同時，隨著混合動力汽車的深入研究，國外出現了一些具有故障診斷記錄功能的分析系統，例如德國Vector公司開發的工具軟件CANoe和CANalyzer等數據采集分析系統，但系統的價格昂貴，一套CANoe系統27萬元人民幣，同時需要專人隨車操作，在混合動力產業化的背景下，系統的通用性受到限制。

1.2 國內汽車遠程監控系統的研究現狀

在國內，早期的車輛監控系統一直停留在GPS衛星導航的層面上，沒有出現對車輛狀態信息進行分析處理的實時監控系統。由于工信部在2009年6月17日發布的 《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》中對于車輛監控系統的規定，現在國內運營的多數電動汽車都安裝了相應的遠程監控系統，并且取得了一定的成效。中國汽車技術研究中心汽車工程研究院自主研發的新能源汽車遠程監控終端，目前多個整車廠家和運營公司的新能源汽車已經安裝了本產品，包括純電動汽車、混合動力公交車等車型。監控管理平臺運行狀況良好，能夠實時顯示新能源汽車的位置、故障、狀態、基礎數據等信息，而且實現了短信報警、數據分析等功能，對新能源車輛的安全運行起到了保障作用，并通過數據分析為新能源汽車的改進提供了依據。

2 實時監控管理系統簡介

如圖1所示，遠程車載終端采集GPS定位信息和新能源汽車數據，通過GPRS網絡發送到中心監控管理平臺、協同管理平臺、個人消費者管理平臺。

遠程車載終端：車載終端是新能源汽車監控管理系統關鍵部分，車載終端采集新能源汽車信息并轉發到監控管理平臺。傳感器采集電路以及CAN網關網絡對車輛本身運行狀態、整車控制器、電池管理系統、電機控制器、新能源其它相關附件信息進行采集，利用鐵電和Flash等數據存儲技術儲存相關信息。利用USB通信、USB HOST結構技術實現車載電子裝置和駕駛員之間的信息交換。利用GPS定位技術，實現車載GPS的應用，為車輛的定位和保障提供有效手段。利用GPRS通信技術，實現車載電子裝置和實時監控平臺中心服務器的數據交換［3］。

監控管理平臺包括中心監控管理平臺、協同監控管理平臺、個人消費者管理平臺，下面對3種管理平臺進行介紹。

中心監控管理平臺：簡稱中心系統，所有被監控的新能源車輛信息都會錄入到中心系統，同時所有車輛的數據也會發送到中心系統。中心系統只有一個，可以監控所有的安裝遠程終端的新能源車輛。被授以權限的用戶可以通過遠程訪問中心系統，實時察看車輛信息。

協同監控管理平臺：簡稱協同系統，協同系統指客戶專用的監控管理平臺，可以滿足客戶自己搭建服務器并在客戶本地保留數據的要求。協同系統只能錄入本公司或本車廠的車輛信息，不能監控本車廠以外的車輛。可以建立多個協同系統，組成協同系統群，通過網絡和中心系統連接。

個人消費者管理平臺：又稱為個人消費者服務系統，這個系統主要為移動終端客戶提供服務，客戶可以隨時通過移動終端登陸系統察看相關車輛信息。移動終端客戶包括手機用戶和PAD用戶。個人消費者服務系統通過網絡和中心系統連接。

3 車載終端設計

3.1 車載終端硬件設計

如圖2所示，遠程終端采用基于ARM7TDMI-S處理器的單片機作為主芯片，運行頻率為72 MHz。遠程終端硬件組成主要包括：CAN通信模塊、GPS定位接收模塊、GPRS通信模塊、IC卡模塊、Flash存儲模塊、SD卡模塊、USB讀取模塊、時鐘電路、低功耗喚醒、硬件看門狗。

1）CAN通信模塊：遠程終端采用汽車級的高速CAN收發器，完全符合ISO 11898標準低功耗模式，可通過總線喚醒預留兩路CAN接口，波特率分別為250KB和500KB。

2）GPS定位接收模塊：采用國際領先的GPS定位芯片，48通道并行接收，NMEA 0183協議。

3）GPRS通信模塊：采用國際主流產品，雙頻EGSM 900／1800MHz， 符合GSM／GPRS協議棧3GPP版本4。

4）SD卡存儲：LPC自帶SD／MMC存儲卡接口，采用4G SD卡進行數據大容量存儲。

5）Flash存儲：采用Flash存儲器，壽命為10萬次擦寫。

6）USB讀取模塊：LPC2388自帶USB 2.0設備／主機／OTG，帶片上PHY和相關的DMA控制器。

7）時鐘電路：LPC2388自帶實時時鐘 （RTC），帶獨立電源管腳，時鐘源可設置為RTC振蕩器或者APB時鐘。

8）低功耗喚醒：利用LPC2388的外部中斷輸入進行低功耗喚醒。

9）硬件看門狗：設計了硬件看門狗電路，及時復位防止程序跑飛。

3.2 車載終端功能設計

遠程終端的功能框圖如圖3所示，主要分為數據采集子系統、GPS子系統、GPRS子系統、參數存儲子系統、IC卡管理子系統、低功耗喚醒子系統。

1）數據采集子系統：遠程終端預留兩路CAN接口，通過CAN網絡進行數據采集。主要對車輛信息、整車控制器信息、電機控制器信息、電池管理系統、車載充電機等數據進行采集并解析。

2）GPS子系統：利用GPS定位衛星，在全球范圍內實時進行定位、導航的系統，稱為全球衛星定位系統，簡稱GPS。遠程終端可以接收GPS信息并解析出經緯度、高程等信息，用來實時確定車輛位置，追蹤車輛運行軌跡。目前，民用導航精度在10m左右。

3）GPRS子系統：遠程終端的遠程數據傳輸主要是通過GPRS網絡實現的。通過GPRS子系統把新能源數據、GPS數據、車輛本身數據發送到網絡，監控管理平臺通過網絡得到這些數據并進行存儲、分析、 顯示［4］。

4）參數存儲子系統：遠程終端主要分為兩種存儲，Flash存儲和SD卡存儲。模塊把車輛信息、終端參數、新能源參數、標定閾值按特定結構存儲在Flash中；把新能源汽車的報警、狀態、數據以文件形式存儲在SD卡中。

5）IC卡管理：遠程終端可以通過GPRS傳輸數據或USB導出數據，利用IC卡進行USB導出數據管理；需要注銷的終端，要在中心系統上進行注銷，利用IC卡進行終端注銷管理。

6）低功耗喚醒：在新能源汽車停車后，遠程終端會進入低功耗模式；通過鑰匙信號、車載充電機或外部充電樁信號對遠程終端進行喚醒，使其進入工作狀態。

3.3 監控模塊功能介紹

1）實時準確采集車輛整車控制器、電機控制器、電池管理系統、車載充電機等模塊CAN總線數據。

2）通過新能源車輛監控平臺軟件對監控模塊參數進行設置和查詢。

3）實時準確測定車輛速度和經緯度。

4）SD卡方便數據上載和存儲。

5）多種故障報警：無CAN報文報警、監控模塊內部故障報警等。

本監控模塊能儲存最近7天的數據，在SD卡內部，數據以省域+市縣代碼+車牌號 （例如 “津A00000”）為根目錄；在其下面，以TD+日期為子目錄，例如TD120218表示2012年2月18日；再下一級文件是以CAN的ID為文件名稱的數據文件，其儲存頻率都為1s。

4 車載終端監控范圍

本監控管理平臺可以兼容純電動汽車、混合動力汽車等多種新能源車型，本文以純電動汽車為例介紹遠程終端監控范圍。

如圖4所示，純電動汽車的數據監控范圍主要包括整車控制器、電池管理系統、電機控制器、車載充電機以及車輛的故障、狀態、基及礎數據。遠程終端全面監控了純電動汽車故障類、狀態類、數據類的相關數據，為監控管理平臺監控、報警、數據分析提供了基礎。

4.1 新能源汽車位置的顯示

新能源汽車的位置信息可通過上位機系統進行查看，用戶可通過手機、Ipad、筆記本電腦隨時進行定位跟蹤在線車輛，可查看車輛的位置信息。

在進入車輛監控功能之后，菜單欄把被監控的車輛分成了3組：①在線車輛 （），②超時車輛 （），③離線車輛 （）。3組中的車量是系統中所注冊的所有車輛。

在線車輛表示當前正在和平臺進行信息交互的車輛，括號中為在線車輛的數量。超時車輛表示可能由于信息不通暢或者其他問題，導致未主動離線的車輛在一定時間內沒有和平臺進行信息傳輸，此類車為超時車輛，括號中為超時車輛的數量。離線車輛表示下位機主動斷電或者其他原因離線的車輛，括號中為離線車輛數量。如圖5所示。

4.2 新能源汽車故障、狀態、基礎數據信息的顯示

以整車控制器為例，分析車輛運行期間的故障、狀態和基礎數據信息的顯示。

單擊上位機系統界面的 “整車控制器”后，結果界面中共有三大部分，分別是：故障、狀態、基礎數據。

故障中包括：車牌號、VCU、通信、低壓蓄電池、油門踏板、制動踏板、擋位、EPS／EHI、 DCDC、真空泵、空調、高壓互鎮、接受時間。整車控制器的故障報警信息見圖6。

狀態中包括：車牌號、狀態、控制模式、空調繼電器、DC繼電器、運行控制、高壓繼電器、擋位、接受時間。整車控制器的最新狀態信息見圖7，此狀態是動態更新的。

基礎數據中包括：車牌號、車速 （km／h）、加速踏板開度 （%）、制動踏板開度 （%）、發電機溫度 （℃）、 續駛里程 （km）、 累計里程 （km）、 控制轉矩 （Nm）、 發電機電機當前轉速 （r／min）、 空調轉速 （r／min）、接受時間。整車控制器的基本數據信息見圖8。

5 遠程監控終端數據上傳方式

遠程終端的數據上傳方式主要分為兩種：本地上傳和無線上傳。

5.1 本地上傳

遠程終端會把最近一周內的數據以文件形式存儲在SD卡中，用戶可以通過U盤把數據導出到服務器或微機，供挖掘分析使用。

5.2 無線上傳

通過GPRS網絡直接把數據傳送到監控管理平臺，主要有3種上載方式：基本數據上載、域值觸發數據上載、監控中心命令上載［5］。

1）基本數據上載 在車輛正常狀態下，車載終端只按較低頻率上載新能源汽車關鍵技術參數，能滿足監控中心了解新能源汽車上關鍵部件的運行狀態。

2）域值觸發數據上載 在新能源汽車上，有很多參數比較重要，當其滿足一定的域值條件時，必須對其重點監控，獲得更多的數據來了解相關部件的運行狀態；當這些域值條件滿足時，車載終端就以較高的頻率發送這些數據，以便更好更有效地觀察到相關部件的運行狀態。

3）監控中心命令上載 在新能源車輛運行過程中，監控中心如果想對某些未在基本數據中上載的參數實現數據上載，或者想改變某些正在上傳參數的上載頻率，這時候就需要命令上載數據；監控中心通過GPRS數據通道，發送參數上載命令給車載終端，車載終端響應命令后，將以上載命令所要求的形式上載。

［1］彭劍，葉楓，辛兢澤.汽車遠程監控診斷系統的功能設計和應用研究［J］.上海汽車，2011（3）：24-29.

［2］ 百度百科.Telematics［DB／OL］.http：／／baike.baidu.com／view／152906.htm， 2012-04-19.

［3］陳新，胡小龍.基于GPRS的汽車故障診斷儀的遠程診斷的設計［J］.工業控制計算機，2006 （4）：6-7.

［4］曾銳利，肖云魁，周建新，等.汽車遠程故障診斷與維修系統研究［J］.電子測量技術，2009 （7）：4-5.

［5］黃大超，孫德林，寒一兵，等.現代汽車遠程診斷系統的研究［J］.自動化技術與應用，2007（7）7-8.