車輛燃油消耗量遠程實時監控系統設計

張永棟，郭海龍，曹華（.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 50640；.廣東省電子信息技工學校，廣東 廣州 50450）

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車輛燃油消耗量遠程實時監控系統設計

張永棟1，郭海龍1，曹華2
（1.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510640；2.廣東省電子信息技工學校，廣東 廣州 510450）

摘要：實施對營運車輛油耗量的實時監控，可以反映車輛技術狀況以及駕駛行為的變動情況，為及時改善車輛技術狀態及糾正駕駛員的不良駕駛行為提供科學依據。間接測量燃油消耗量是通過測量發動機其他的數據參數通過其與油耗的換算關系來間接獲得的一類方法，間接測量法具有不需要改變供油管路、安裝測量方便的特點。文章即依托車輛OBD系統，實現車輛油耗的間接檢測。

關鍵詞：OBD；單片機；油耗檢測；進氣量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-98-03

前言

隨著經濟的持續快速穩定發展，全國汽車工業呈現持續增長的態勢。截止到2014 年汽車產銷量超過 2300萬輛[1]，創全球歷史新高，全國汽車保用量超過1.5億輛。汽車保有量的增長特別是私人轎車保有量的高速增長帶來了巨大的能源和環境壓力。汽車排放污染已經成為城市大氣污染的重要來源，2014年，全國機動車排放污染物4547.3萬噸，比2013年削減0.5％，其中氮氧化物（NOx）627.8萬噸，顆粒物（PM）57.4萬噸，碳氫化合物（HC）428.4萬噸，一氧化碳（CO）3433.7萬噸[2]。因此，努力降低汽車燃油消耗和尾氣排放是我國汽車產業發展的首要任務。

據統計，運輸車輛燃油消耗量與車輛技術狀態及駕駛員的駕駛習慣密切相關。不良的駕駛習慣及車輛技術的惡化已導致油耗的激增。因此，實施對營運車輛油耗量的實時監控，可以反映車輛技術狀況以及駕駛行為的變動情況，為建立交通運輸行業能源消費的統計、監測與考核體系，為及時改善車輛技術狀態及糾正駕駛員的不良駕駛行為提供科學依據。

1、理論分析

一般測量汽車燃油消耗方法主要分為兩大類：一是直接測量法，是指通過在發動機燃油供給管路中加裝專流量測量儀器來實現對車輛油耗的測量，如容積法、重量法和流量計法；間接測量法是通過測量發動機其他的數據參數通過其與油耗的換算關系來間接獲得的一類方法，如碳平衡法、電噴測量法。其中間接測量法具有不需要改變供油管路、安裝測量方便的特點。本文即依托車輛OBD系統，實現車輛油耗的間接檢測。

OBD(on-board diagno stics)是車載診斷系統的簡稱。起初是為了檢測車輛氧傳感器等排氣系統相關零部件在使用中的情況, 能夠及時發現并解決故障而導入車輛的[3]。當了現代，隨著發動機電控技術的發展，OBD的功能日趨完善，能夠對車輛實際使用過程中的各項運行參數進行實時監控,為間接計算發動機燃油消耗量提高依據。

圖1　電控發動機工作原理

根據電控發動機工作的基本原理（如圖1）可知，發動機每循環噴油量=循環進氣量×空燃比，其中空燃比由OBD采集空燃比傳感器（氧傳感器）獲得，每循環進氣量可按下式計算[4]：

Hendricks 對充量系數進行了研究與推導，得出：

其中，?T為進氣沖程中進氣溫度的變化量；k為絕熱指數， k=1.4；r為壓縮比；TO為進排氣門迭開時的缸內氣體平均溫度，k；mo為進排氣門迭開時的氣體質量損失，Kg；ρm為進氣歧管內氣體的密度，Kg/m3；pe為排氣管的背壓，bar。

上式中系數計算較為復雜，Hendricks 通過大量實驗，去除了轉速對充量系數的影響，使得模型大為簡化：

其中，學者嚴明給出的系數si、yi分別約為：0.952、0.0793。

最終，循環噴油量公式為：

公式中pm、n等參數由OBD系統實時讀取。

2、系統設計

車輛燃油消耗量遠程實時監控系統主要有三個部分組成：車輛油耗數據采集系統、通訊系統、電源系統和數據分析系統。以PIC18F25K80為核心完成OBD通訊，在其周圍配置GSM鏈接到服務器，配置相應的存儲卡進行數據存儲，采集數據包括了括進氣歧管壓力、車速、空燃比等參數。其具體的結構框圖如圖2 所示。

圖2　系統結構框圖

第一是先完成系統硬件設計。主要有OBD數據處理平臺，平臺接收車輛數據，實時計算車速瞬時油耗，當油耗出現異常時，系統通過蜂鳴器報警，提醒車主及時維修或改善駕駛習慣。第二是數據采集系統開發板，此開發板核心板塊為PIC18F25K80，并有標準OBD接口、存儲器、蜂鳴器等接口。PIC18F25K80通過OBD協議實現與發動機ECU通訊，并將采集的發動機運行參數進行信息的存儲，圖3所示。第三是解決狀態信息傳送。信息傳輸時采用基于GMS的GPRS網絡，實現采集數據的傳輸，GSM即全球移動通訊系統Global System of Mobile communicanon的簡稱，它采用全數字的信令和語音信道，是目前基于分時多址技術的移動通信體制中最成熟、最完善、應用最廣的系統[5]。

圖3　數據采集系統開發板

3、電源系統設計

總電源采用車輛OBD診斷端口的第16號引腳進行12V輸入，經過LM7805降壓至5V，滿足單片機需求。繼續使用二極管降壓至4.3V供給GSM和其他設備使用，電源電路如圖4所示。

圖4　系統電源電路

4、GSM通訊部分設計

GSM模塊選用Siemens 的TC35作為通訊模塊，單片機發送AT 命令至TC35，同時TC35可以返回數據至單片機，所以GSM 模塊通過串口與單片機進行對連。將點火引腳直接接地，在一上電的時候模塊便可以進入工作， 另外電源引腳和接地引腳都分別需要并聯在一起。

5、數據采集系統設計

為使汽車的故障診斷和檢測維修更加方便，SAE及ISO組織為OBDⅡ制定了統一的標準[6]，通常OBDII或EOBD裝備的汽車都必須有：標準化的數據診斷接口(SAE-J1962)，標準化的解碼器(SAE-J1978)、標準化的電子通訊協議(ISO 14230、CANBUS、J1850 PWM、ISO9141等)、標準化的診斷故障碼（DTC，SAE-J2012）、標準化的維修服務情報(SAEJ2000)等。為了兼容各種車型的OBD 系統, 數據采集系統必須必須支持以上所有協議。

控制單元采用PIC系列單片機，PIC系列單片機由美國Microchip（微星）公司推出的產品，采用了RISC結構的嵌入式微控制器，具有高速度、低電壓、低功耗、低價位等特點，具有廣泛的應用前景。單片機通過I/O口與發動機通訊，讀取相應的數據，經處理后經GSM發送到服務器，單片機電路如圖6所示。

圖6　單片機電路

6、結論

本文在高性能單片機的基礎上，依托GSM公眾網，利用GSM無線通信對車輛燃油消耗量進行實時監控，對有效判斷車輛技術狀態，及時發現相關車輛故障，糾正駕駛員存有的不好駕駛習慣，降低車輛油耗起到積極作用，具有較好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]http://news.xinhuanet.com/auto/2015-01/12/c_127379594.htm.

[2]環保部.2015年中國機動車污染防治年報.

[3]王建海,方茂東等.汽油車車載診斷系統(OBD)基本原理及其應用[J].汽車工程,2006,5.

[4]郭海龍.基于行駛狀況識別的混聯式HEV多模式能量控制策略研究[D].廣東:華南理工大學,2013.

[5]http://baike.baidu.com/view/116812.htm?fr=aladdin&fromtitle=gsm &fromid=210860&type=syn.

[6]溫福軍,肖心遠.基于Zigbee 技術的車輛監控信息的無線傳輸系統研究[J].廣東交通職業技術學院學報.2015,3.

Design of Real-time Monitoring System of Vehicle Fuel Consumption

Zhang Yongdong1, Guo Hailong1, Cao Hua2
（1.Guang Dong Communication Polytechnic, Guangdong Guang Zhou 510650; 2.Guang Dong Technical School of Electronic Information, Guangdong Guangzhou 510450）

Abstract:The implementation of the operation of real-time monitoring of vehicle fuel consumption, may reflect changes in the situation and the technical condition of vehicles driving behavior, provide a scientific basis for the timely improvement of the technical state of the vehicle and correct bad driving behavior of the driver. Indirect measurement of fuel consumption by measuring other engine data parameters through a class method in terms of its relationship with the fuel consumption indirectly acquired an indirect measurement method has no need to change the oil pipeline, installation and measurement of convenient features. This paper relies on the vehicle OBD system, indirect detection of vehicle fuel consumption.

Keywords:OBD; Microcontroller; Fuel detected; Intake air

中圖分類號：U462.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-98-03

作者簡介：張永棟，講師，就職于廣東交通職業技術學院。研究方向：車輛節能減排。項目來源：2014年廣東省交通廳科技項目（節能-2014-06-002）；廣東交通職業技術學院院級項目“車輛燃油消耗量遠程實時監控系統研發”。