基于智能手機的車輛定位監控系統的設計與實現

翁才恩,　嚴世榕

(福州大學 機械工程及自動化學院,福建 福州　350116)

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基于智能手機的車輛定位監控系統的設計與實現

翁才恩,嚴世榕

(福州大學 機械工程及自動化學院,福建 福州350116)

摘要：隨著私家車和企事業單位車輛的增加,針對車輛的有效管理和調度,傳統的采用“車載終端+遠程服務器”的模式不夠人性化的問題,提出了采用“移動終端+遠程服務器”的模式。該系統通過智能手機連接安裝在車輛上的藍牙設備,利用手機的無線通信功能與遠程服務器連接,從而達到車輛定位監控的目的。為解決實驗需要大量實際車輛進行測試的問題,該系統利用LabVIEW和藍牙串口設備搭建車輛仿真數據發送平臺,并進行了系統測試。研究結果表明,該系統發送接收數據的丟失率低,并且發送接收數據的時間間隔基本在0.5秒以下,可以滿足車輛實時監控的要求,同時開辟了一種無需實際車輛的服務器測試方法。

關鍵詞：智能交通; 車輛定位監控; 智能手機; 服務器; 藍牙; OBD П

1引言

隨著智能手機的發展,其功能日益強大,滲透到各行各業當中,并起到了積極的效果。近幾年,利用智能手機與車載終端交互、乃至控制汽車的概念和產品實踐引起了業界的廣為關注,未來的汽車將更多地與智能手機、互聯網聯系起來,實現車聯網。為了進一步增強車聯網產品的功能,國外多家車廠商發布了智能手機應用。2012年9月,寶馬已經將互聯駕駛科技全面引入中國豪華汽車市場,全部BMW車型都配備了第三代的iDrive系統,目前BMW與蘋果合作,開發了多款APP應用,使iDrive可以與iPhone連接,提供與車輛相關的車輛位置定位,離線導航等服務。日產公司也跟蘋果iPhone合作,實現車輛的遠程監控。國內對智能手機與汽車互聯也開展了積極的探索和應用。廣汽傳祺推出的智慧傳祺系統使用手機實現車況顯示、遠程定位等。中興推出的“汽車智能診斷軟件”可以通過WLAN與手機相連,實現車輛故障的實時監測[1]。因此,本文對車輛定位監控采用“移動終端+遠程服務”模式具有一定的研究意義。

由于企事業單位的車輛不斷增加,使他們迫切希望提高車輛活動的效率和有效的管理。傳統的車輛定位監控需要在車輛上安裝車載導航系統,以及必須要求車輛管理人員在監控中心的監控終端前才可以對車輛進行監控和車輛管理,并且這一套系統需要第三方來建立,費用昂貴,有隱私泄露的危險。因此,如果實現了手機定位監控功能,不僅可以減低車輛安裝車載導航系統的成本,而且大大提高系統的靈活性、易用性和簡便性[2]。只需一架智能手機就能實現所有功能,并且每人都會攜帶智能手機,因此不會增加攜帶的設備。本系統可以利用臺式電腦作為服務器直接發布到外網上,自身建立一套運行系統,不僅節約成本和保護隱私,而且能夠進行遠程車輛故障監控,協助處理車輛故障問題。同時本文創新使用LabVIEW、串口和藍牙模塊的組合實現車輛運行數據仿真,并與智能手機藍牙連接,實現系統測試,克服了對實際車輛的需求。

本系統總體架構和具體運行流程見圖1、圖2。車輛定位監控系統是集被監控車輛、定位智能手機、監控智能手機、互聯網、監控中心、藍牙、OBDП傳輸協議、AGPS定位、4G3GGPRS無線寬帶通信、服務器、地理信息服務平臺等多項技術與一身的智能手機車輛定位及監控系統。它是利用安裝在車輛OBDП接口上的藍牙設備與智能手機藍牙連接,從而接收來自車輛上的運行信息,以及利用智能手機自身的AGPS定位系統進行車輛定位,然后通過智能手機的4G3GGPRS無線寬帶通信將車輛運行信息和車輛定位信息傳輸到服務器或監控中心,服務器存儲車輛運行信息到數據庫以便日后查詢行車記錄,監控中心或監控手機端則可以根據接收到的信息進行GIS處理及顯示,確定監控車輛的位置、運行狀況和異常狀況,更好的對車輛進行跟蹤、調度、管理和維修[3]。

圖1　系統總體架構Fig.1　Overall architecture of the system

圖2　系統運行流程圖Fig.2　Operation flow chart of the system

2車輛定位監控系統的硬件實現

2.1車載藍牙設備

車載藍牙設備是通過該設備的OBDП接口與汽車的OBDП接口連接,實時獲取車輛運行信息,然后通過藍牙向手機端發送數據的設備見圖3。該設備的硬件主要包括OBDП接口、處理器MCU、藍牙通信模塊等[4]。

圖3　車載藍牙設備連接圖Fig.3　Connection diagram of car Bluetooth

OBDП接口為統一標準的16PIN腳的DLC診斷室,一般位于駕駛室,駕駛側表板下,其使用的通信協議基本有三種,分別為:1)ISO9141通訊協議電路,使用在所有歐洲汽車以及亞洲大多數國家的進口汽車上;2)SAEj1850VPW(可變的脈沖寬度調節)通訊協議電路,使用在美國通用(GM)生產的轎車以及輕型載貨車上;3)SAEj1850PWM(脈沖寬度調節)通訊協議電路,使用在福特(ford)汽車公司生產的汽車上。根據ISO15031-5標準,CAN(控制器局域網)采用ISO15765-4標準[5]。因此,車載藍牙設備與該車接口定義必須相同。

因為目前市場上已經有了該車載藍牙設備,所以該設備的實用性可以保證。本文利用LabVIEW、串口和藍牙模塊代替了車輛和車載藍牙設備,作為系統測試的車輛運行仿真平臺見圖4。通過電腦的LabVIEW與其自帶VISA的I/O串口的功能,進行數據發送平臺搭建,程序見圖5。利用USB串口線連接藍牙模塊和電腦USB,實現仿真平臺與智能手機數據傳輸。

2.2智能手機定位系統

隨著智能手機功能的快速發展,以及網絡技術的不斷提高,目前的智能手機硬件功能不斷更新,智能手機本身的AGPS定位精度,已經符合車輛行駛定位精度要求。最新的智能手機所使用的定位技術是AGPS(AssistedGPS:輔助全球衛星定位系統),它利用通訊基站信息來輔助GPS模塊進行定位,主要優點為:

圖4　車輛運行仿真平臺Fig.4　Vehicle simulation platform

圖5　LabVIEW的程序框圖Fig.5　Program flowchart of the LabVIEW

1)有效彌補了使用GPS在有許多高大建筑、室內、地下車庫和山洞等地方時,會存在定位精度不高或不能定位的盲區問題;

2)與純GPS和純基站定位相比,AGPS有更高的精度,一般精度在10米左右;

3)LBS基站定位是基于通訊運營商信號塔的定位方式,通過信號塔獲取到手機SIM卡的經緯度信息,通過計算將該位置點并與電子地圖API進行對接顯示到地圖上面,達到定位的目的。同時LBS基站定位具有強制性,由基站定位服務器端主動向終端發起定位,在監管類服務中起著重要作用[6]。

利用智能手機實現精確定位已經有很多的相關技術研究[7-8]。同時本文引進地圖匹配技術,使車輛定位精度大大提高。因此,利用智能手機作為汽車定位監控調度的設備,不僅滿足定位精度要求,而且非常方便,容易攜帶,成本低。

2.3服務器端

本系統的服務器端采用兩臺服務器,它們分別為數據服務器和應用服務器,數據服務器主要用來存儲定位智能手機傳輸來的車輛運行信息和位置信息;應用服務器用來根據車輛運行信息,監控車輛異常信息并發出警告,以及根據車輛位置信息匹配地圖,進行位置顯示、跟蹤、管理和調度。由于管理車輛有限,本系統可以利用臺式電腦作為系統服務器使用,顯示了本系統能夠以最簡單的方式實現車輛監控調度的目的。

本文實驗使用個人臺式電腦作為網絡服務器,進行數據的接收、存儲和發送。為了實現服務器的網絡發布和穩定運行。首先到花生殼網站注冊賬號,獲取免費的域名,安裝新花生殼軟件,通過注冊的賬號進行登入,通過添加映射將本機作為外網訪問服務器地址,發布到網絡上,具體設置見圖6。外網通過輸入外網訪問地址就能訪問服務器系統,即手機軟件編程中數據的發送和接收只要加入該地址,就可以訪問服務器。為了使服務器端口IP不發生改變,本系統加入路由器使內網IP不發生變化,這樣就能使外網訪問服務器地址時,不會因為內網IP變化而找不到服務器。

圖6　花生殼外網映射設置Fig.6　Network mapping settings of the oray

3車輛定位監控系統的軟件實現

3.1車載藍牙設備與智能手機軟件的實現

本系統通過STM32F103C8T6專用的燒寫器將程序寫入單片機,該程序主要是通過單片機接口獲取車輛上的OBDП設備傳輸的數據,然后進行重新編碼,再將新數據通過單片機串口傳輸到藍牙模塊,藍牙模塊再向外發送數據。其中單片機的編碼規則見圖7,前四位為防止數據丟失而加入的字母加數字的組合作為幀頭;之后的編碼為字母加單片機獲取的數據的組合,其中字母為標識碼,用途為使手機軟件能夠識別所傳輸字母之后的數據的含義,最后還有幀尾,為數據解碼結束。

圖7　數據的編碼方式Fig.7　Data encoding

藍牙模塊用AT指令設置其波特率為9600Bd/s,這是由于藍牙與智能手機藍牙連接的波特率為9600Bd/s。

車載藍牙設備只解讀OBDП中的有用數據,為車速、發動機轉速、加速度和故障碼。其中最主要的是車速和故障碼,車速用于了解該車的司機駕駛是否穩定和超速違章駕駛等;故障碼用于發現車輛所存在的問題,同時遠程系統可以實時監控車輛是否發生故障,幫助解決故障或者指導其到最近維修點進行維修。

SAEJ2010規定了一個5位標準故障代碼,在參考文獻[9]中已經對故障碼的具體含義做出了解釋。

本文使用的智能手機為Android智能手機,因此使用Eclipse軟件進行Android軟件開發,主要思想是:首先檢測手機藍牙設備是否開啟,如果未開啟,則開啟藍牙設備,如果開啟,則檢測車載藍牙設備,并進行密碼配對,綁定車載藍牙設備,見圖8;通過程序解碼車載藍牙設備發送的數據信息,并且利用手機自身的GPS和基站進行定位。本文使用百度地圖開發包,因此需要到百度地圖LBS開放平臺,創建開發者密鑰,平臺會給你一個開發者密鑰,只有這樣程序才能加載百度地圖進行實時當前位置顯示。程序中使用doGet()方法將數據通過無線網絡發送到服務器端,doGet()方法程序代碼見圖9。

圖8　手機藍牙搜索車載藍牙設備Fig.8　Mobile phone Bluetooth search car Bluetooth devices

圖9　doGet()方法程序代碼Fig.9　The program code of doGet()method

3.2服務器端軟件實現

本文實驗利用個人臺式電腦作為服務器,利用Myeclipse作為服務器編寫軟件,利用其插件Tomcat7.0進行服務器發布,其思想主要是:獲取并解碼手機軟件發送的數據信息,然后存入數據庫相應位置,數據庫ID分配見圖10;將獲取的數據進行處理可以在地圖上顯示車輛的運行信息和位置信息,也可以通過手機軟件獲取數據庫信息將其進行顯示,達到移動遠程監控的目的。

圖10數據庫的數據ID分配
Fig.10Data ID assignment of the database

3.3定位監控端軟件實現

本系統的監控端,使用HTML、PHP、MySQL和Apache制作網頁登入服務器,作為本系統客戶端登入,其中HTML作為靜態顯示界面,在HTML代碼中加入PHP作為動態數據庫讀取,獲取數據庫MySQL中存儲的車輛運行信息,顯示在網頁界面中,利用Apache實現網站發布,利用網站方式進行監控不僅能在電腦上進行登入監控調度,還能通過手機登入進行監控調度,使用靈活、方便。

4實驗結果及分析

4.1系統壓力測試結果

服務器端壓力測試是系統性能測試的重中之重,Apache服務器測試中最常用的工具有JMeter和Apacheab,本文使用Apacheab進行服務器壓力測試,結果見表1。由表1可知,并發次數相同,請求次數越少,即處理任務越少服務器處理的速度越快;當請求次數相同,并發個數越少(即智能手機連接服務器個數越少),總耗時越少(即應激性越好),但是每秒處理個數也越少(即性能方面有所下降)。對于本系統而言,即便連接數目較多時,服務器也能很好的實現其功能。

表1　服務器壓力測試結果Tab.1　Server stress test results

4.2系統通信性能實驗結果

采用智能手機軟件設置發送數據數目,服務器端記錄數據數目的方式,進行系統數據丟失率測試。在一定距離下,向服務器發送數據,測得數據丟失率見表2。由表可知本系統數據丟失率較低,數據傳輸可靠,滿足系統車輛監控對數據量獲取的要求。

本系統的實時性測試是通過手機軟件編程,在程序數據發送接收的語句中設置探針的方式,將數據的發送接收時間間隔進行記錄并保存在手機中,數據發送接收時間間隔見圖11。從圖可

表2　數據丟失率Tab.2　Data error rate

以看出數據發送接收的時間基本在0.5秒以下,假設一輛汽車在城市里行駛一般速度都比較慢,速度為36km/h,也就是10m/s,延時誤差為5m;如果速度為72km/h,也就是20m/s,延時誤差是10m,這與GPS誤差相當,所以該系統的實時性很強,能夠保證對車輛進行實時監控。

圖11　數據發送接收時間間隔Fig.11　The time interval of data sending and receive

5結束語

基于智能手機的車輛定位監控系統的實現,不僅能夠使用戶及時掌握車輛運行情況和故障狀態,而且還能實時遠程監控了解車輛運行狀況,進行遠程協助解決車輛故障,并進行車輛監控、調度和管理。特別是該系統的實現,使監控人員只需通過移動智能手機就能進行遠程管理,大大提高了車輛的管理效率和速度。同時,仿真統測試實驗方法的創新,使本系統的實驗結果與實際結果符合度很高。下一步的工作是搭建專門的服務器,并將該系統安裝到實際車輛上進行實際測試和驗證。

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翁才恩男(1990-),福建沙縣人,碩士研究生,主要研究為車輛與運載工具的電子、安全與智能交通技術方面的研究。

嚴世榕男(1960-),福建福州人,教授,主要研究為車輛動力學與電子控制方面的研究。

中圖分類號：TP 39; TP 29

文獻標識碼：A

Design and Implementation of the Vehicle Positioning and Monitoring System Based on Smart Phone

WENG Caien,YAN Shirong

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)

Abstract：With the increasing of private cars and vehicles of enterprises and institutions,the mode of “mobile + remote server” is put forward to solve effective management and scheduling of vehicles,and that the traditional mode of “car terminal + remote server” is not humanization.The system is by using that smart phone connect with the Bluetooth device of installing on the vehicle,and then using that mobile wireless communication function connect with the remote server,so as to achieve the purpose of the vehicle positioning and monitoring.In order to solve the problems that test need a lot of the actual vehicle,the systems construct platform for vehicle simulation by using LabVIEW and Bluetooth serial port equipment,and has carried on the system test.The results indicate that the system has a low error rates to send and receive data,and the time interval is mainly under 0.5 seconds to send and receive data.The system can meet the requirements of vehicle real-time monitoring.At the same time,it is provided that the server method need not actual vehicle.

Key words：ITS (Intelligent Transportation System); vehicle positioning and monitoring; smart phone; server; Bluetooth; OBD П