基于OBD的車輛信息管理平臺

白東， 錢松榮

(復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433)

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基于OBD的車輛信息管理平臺

白東， 錢松榮

(復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433)

隨著我國汽車數量的日益增多，如何提高交通運輸效率、保證交通安全、減少環境污染、提升駕駛體驗，已經成為迫切需要解決的問題。針對這些問題，設計了基于OBD(車載診斷系統)的車輛信息管理平臺，通過車聯網技術、低功耗藍牙技術以及相關的信息處理技術的應用，實時獲取車輛信息數據并進行分析處理，從而實現車輛信息數據監測和報警、車輛調度和管理等功能，在一定程度上解決了以上的問題。

車載診斷； 車聯網； 移動終端； 車輛管理

0 引言

汽車數量的迅速增長產生了一系列的問題，交通擁堵、事故頻發、環境污染等問題越來越突出。這些問題都嚴重影響著人民的生活和經濟的發展。在這種情況下，為了更加有效地利用現有的交通設施、提高交通運輸效率、保證交通安全、減少環境污染，智能交通系統(Intelligent Transportation System，ITS)應運而生，并迅速發展。而在智能交通領域，車聯網技術作為極其重要的一個模塊也正蓬勃發展，車聯網技術是通過無線通信技術、傳感器技術以及定位技術的相互配合，實現車與車、車與人以及車與環境的信息交互，實現在信息網絡平臺上對所有車輛的動、靜態數據進行提取和有效利用，并根據不同的功能需求對所有車輛的運行狀態進行有效的監管和提供綜合服務的系統。采用車聯網技術可以在一定程度上提升駕駛體驗、提高行車安全性，也可以優化車輛調度，減少交通擁堵。

傳統的車聯網系統往往是由三層構成。第一層一般是智能傳感器，用于采集車輛的狀態參數以及感知車輛周邊環境數據；第二層是終端控制層以及傳輸鏈路，用于控制第一層的智能傳感器，并傳輸所采集的數據，同時第二層也負責接收第三層的提供服務，是服務的主體；第三層是海量數據的匯集，需要虛擬化、安全認證、快速計算、海量存儲等功能，其系統也是圍繞車輛的數據匯聚、計算、調度、監控、管理與應用的復合系統。

本文按照車聯網的三層結構，設計實現了一個基于車輛OBD系統的車輛信息管理平臺。用以向駕駛員、交通調度者以及4S店提供車輛管理、車輛監控、車輛自檢、車輛調度以及各式各樣應用的綜合服務。

1 系統架構

車輛信息管理平臺根據用戶角色的不用，主要分為兩個部分。一個是針對駕駛員的個人服務系統，另一個是針對4S店的系統。整體架構，如圖1所示。

圖1 系統整體架構

車輛信息管理平臺的兩部分系統的架構相似，均由三層構成：車輛信息采集層、移動終端控制層、應用服務層。

4S店系統在車輛信息采集層和移動終端控制層上與個人服務系統有所區別。車輛信息采集層層面，4S店系統僅需要采集車輛OBD系統數據；個人服務系統需要采集OBD系統數據、車內環境參數、實時的位置數據以及行車視頻數據。移動終端控制層層面，4S店系統在該層由4S店的車輛專用檢測儀器構成；個人服務系統在該層主要分為車載終端和手機終端，用以實現指令傳輸、數據傳輸、服務獲取、遠程控制等功能。

由上述4S店系統和個人服務系統的異同分析，可以發現4S店系統僅在移動終端控制層上與個人服務系統有較大區別，而4S店系統的檢測儀器也不在本文涉及范圍內，因此本文將主要以個人服務系統為主進行分析介紹。

個人服務系統的整體架構及各部分主要功能模塊如圖2所示。

圖2 個人服務系統架構圖

OBD(On-Board Diagnostic)系統，中文稱之為車載診斷系統，主要用于實時監測車輛的發動機、催化轉化器、顆粒捕集器、氧傳感器、排放控制系統、燃油系統、EGR等系統和部件。當系統出現故障時，OBD系統會生成故障碼并記錄故障信息。

車輛信息采集層主要包括OBD數據采集模塊、車內環境數據采集模塊、位置坐標采集模塊以及視頻數據采集模塊。OBD數據采集模塊主要是由微控制器、ELM327、低功耗藍牙等模塊構成，用于車輛信息的采集；車內環境參數采集模塊主要由微控制器、環境參數傳感器、低功耗藍牙等模塊構成；位置坐標采集模塊由GPS/北斗定位模塊構成；視頻數據采集模塊主要由微控制器、攝像頭以及存儲單元構成。車輛信息采集層一方面響應移動終端控制層傳輸的指令，根據對應的指令從OBD系統、車內環境以及周邊環境中讀取車輛的實時信息數據；另一方面，通過低功耗藍牙模塊以及存儲模塊將采集的車輛信息傳輸到移動終端控制層。

移動終端控制層根據業務的需求，分為車載終端和手機終端兩部分。為了降低成本，提高易用性和便攜性，車載終端和手機終端的硬件均采用智能手機或者平板電腦實現。車載終端是既是車輛信息采集層的控制終端，也是整個系統的服務承載主體，直接對駕駛員提供服務；同時，車載終端還是車輛數據的傳輸鏈路。手機終端主要通過和車載終端的通信，實現用戶對車輛的遠程監控和控制；同時，手機終端也和車載終端一樣可以獲取應用服務層提供的服務。

應用服務層是整個系統的核心部分，主要由業務層、存儲層以及日志子系統和安全子系統構成。應用服務層是車載終端和手機終端的信息匯聚中心。其業務層是該層的核心部分，主要包括用戶管理、業務邏輯、數據分析、數據展示、數據報表以及權限控制等功能。應用服務層以API的方式向不同的終端以及第三方的請求者提供各式各樣的服務。通過應用服務層的數據處理和分析，系統可以獲取車輛實時運行狀態、駕駛員的駕駛行為、道路交通擁堵情況等信息，有利于提高駕駛員的駕駛體驗和行車安全，也便于道路管理者優化車輛調度，提高道路利用率。

2 車輛信息采集層設計

車輛信息采集層主要用于采集、傳輸車輛的狀態參數，并響應移動終端控制層的指令。在車輛信息采集層層面，4S店系統在的功能包含在個人服務系統在該層的功能之內。因此，本節的設計以個人信息服務系統為主。個人服務系統的車輛信息采集層主要包括OBD數據采集模塊、車內環境數據采集模塊、位置坐標采集模塊以及視頻數據采集模塊。

2.1 OBD數據采集模塊

OBD數據采集模塊主要用于采集車輛OBD系統數據，本文將該模塊設計分為硬件設計和軟件設計來說明。

2.1.1 OBD數據采集模塊硬件設計

OBD數據采集模塊的硬件系統是該層的重要基礎，它為車輛OBD數據的采集、存儲和傳輸提供重要的硬件平臺。車輛信息采集層硬件設計需求主要包括較好的兼容性、較強的穩定性、低功耗與低成本。整體設計框圖如圖3所示。

圖3 車輛信息采集層硬件框架

OBD數據采集模塊的硬件主要使用基于Cortex-M0的ARM單片機并配合擴展電路實現。系統硬件組成包括Cortex-M0主控模塊、ELM237 OBD接口模塊、SD卡存儲模塊、藍牙通信模塊，并預留按鍵、LED指示燈與時鐘晶振的電路接口。

2.1.2 OBD數據采集模塊軟件設計

OBD數據采集模塊的軟件系統主要包括底層軟件和應用層軟件兩部分。底層軟件主要實現和車輛OBD系統的通信，包括OBD通信模塊、藍牙通信模塊和外部存儲模塊。底層軟件分別基于OBD-II標準通信協議、標準低功耗藍牙協議棧以及利用模擬的SPI通訊協議對SD卡進行讀寫實現各個模塊的。

應用層軟件主要根據移動終端控制層的指令做出響應，實現OBD系統數據讀取、車輛故障碼讀取以及車輛故障碼清除3個功能，主要包括指令讀取分發模塊、任務響應模塊、底層交互模塊。指令讀取分發模塊用于讀取藍牙廣播中的指令，并對指令進行安全校驗，當通過安全校驗之后便進行對應的任務處理；任務相應模塊響應接收的指令，實現上述的3個主要功能；底層交互模塊實現底層軟件的接口，是一個通用模塊，指令讀取分發模塊和任務響應模塊都需要調用該模塊實現OBD系統數據讀取以及藍牙廣播發送、讀取。

2.2 車內環境數據采集模塊

車內環境數據采集模塊主要由微控制器、環境傳感器以及低功耗藍牙模塊構成。其主要結構與OBD數據采集模塊相同。環境傳感器主要采集車內的空氣質量參數、溫度、濕度數據。之后由低功耗藍牙模塊傳輸到車載終端。

2.3 位置坐標采集模塊

位置坐標采集模塊主要用于采集車輛的實時位置坐標。由于車載終端的硬件采用智能手機或者平板電腦實現，因此該模塊使用車載終端硬件自帶的定位模塊實現，一般由北斗/GPS模塊構成。采集的坐標數據由移動終端控制層實時上傳。

2.4 視頻數據采集模塊

視頻數據采集模塊主要采集行車視頻數據。該模塊由微控制器、攝像頭以及本地存儲模塊構成。由于采集的視頻數據文件較大，因此將其存儲在本地存儲單元中，隨后可由用戶自行上傳到應用服務層。

3 移動終端控制層設計

個人服務系統的移動終端控制層分為車載終端和手機終端兩部分，如圖4所示。

圖4 移動終端控制層示例

圖4中，起到核心功能的部分是車載終端，主要起到控制車輛信息采集層設備、承載應用服務層的服務以及傳輸數據和指令的功能；手機終端主要是實現用戶對車輛的遠程監控和控制。4S店系統在該層由車輛專用檢測儀器構成，不在本文涉及范圍內，因此不予贅述。

車載終端和手機終端的硬件為智能手機或平板電腦，軟件為基于Android操作系統的應用軟件。本文重點說明車載終端和手機終端的軟件設計。

3.1 車載終端軟件設計

車載終端是移動終端控制層的核心。根據實際的業務需求，車載終端主要分為：藍牙通信模塊，業務邏輯模塊，網絡訪問模塊以及存儲模塊。

3.1.1 藍牙通信模塊

藍牙通信模塊主要實現車載終端和車輛信息采集層的低功耗藍牙藍牙模塊通信，用于傳輸指令和采集的數據。該模塊利用Google提供的低功耗藍牙API，并對其進行繼承、封裝操作，實現可靠穩定、通信日志監控、針對實際場景的異常處理、多節點通信的低功耗藍牙藍牙通信。

3.1.2 業務邏輯模塊

業務邏輯模塊是對車載終端所需的用戶認證、實時數據顯示、車輛自檢、應用層服務獲取和顯示、地圖服務等一系列功能的集合。用戶認證主要是為了對采集的車輛信息數據進行用戶標記，也便于進行用戶管理。實時數據顯示、車輛自檢是本地服務，主要利用本地存儲的數據對車輛進行實時數據的監控、報警以及自我檢測車輛故障的功能。應用層服務獲取和顯示是遠程服務，主要是調用應用服務層的API接口獲取應用服務層提供的服務。地圖服務則是利用百度地圖的SDK，向用戶提供定位、導航以及基于位置的服務。

業務邏輯模塊采用MVP(Module-View-Presenter)的設計模式進行設計，將業務的邏輯處理部分和界面更新部分進行分離，降低耦合性，可以有效的提高開發效率。

3.1.3 網絡訪問模塊

網絡訪問模塊實現對應用服務層提供的RESTful API接口的調用。主要實現的業務包括：用戶數據同步、車輛信息上傳下載、應用層服務獲取等。網絡訪問模塊是基于實際需求，對開源庫OkHttp和Retrofit進行定制封裝實現，其本質是一個調用RESTful API的客戶端。OkHttp是一個比較成熟的網絡請求庫，相比于其他庫，OkHttp在性能、可拓展性上有著比較大的優勢。而Retrofit則是基于OkHttp的封裝，有著清晰簡潔的接口，使用非常方便，網絡請求的性能也非常優秀。

3.1.4 存儲模塊

存儲模塊是車載終端對采集到車輛信息、獲取的應用層服務、用戶信息等數據的本地存儲。該層是基于SQLite數據庫實現的。SQLite數據庫一個輕量級的關系數據庫，在Android操作系統的智能手機和平板電腦中都有集成，占有資源非常小，訪問速度很快。本文使用Android系統的ContentProvider管理多個關系表，從而方便的進行數據統一管理。

3.2 手機終端軟件設計

手機終端與車載終端相比，沒有與車輛信息采集層的通信，而有對車載終端的遠程控制模塊，如圖5所示。

圖5 手機終端Push示意圖

遠程控制模塊主要是向車載終端推送指令，達到遠程控制車載終端進而控制車輛信息采集層的目的。遠程控制模塊主要是基于百度推送的業務實現指令的推送。

4 應用服務層設計

應用服務層主要匯聚采集的車輛信息數據，通過分析所采集的數據，而向大量的車載終端、手機終端、PC客戶端提供管理、監控、調度以及各式各樣應用的綜合服務。應用服務層設備包括應用服務器和數據服務器，整體框架，如圖6所示。

圖6 應用服務層框架

應用服務器由Flask Web框架和數據訓練及分析模塊組成。Flask是一個輕量級的Python Web框架。Flask的可用擴展庫很多，使用非常方便，可以利用擴展庫提升開發效率，縮短開發的周期。應用服務器負責實現車輛信息數據的分析處理。數據的訓練主要實現駕駛行為的分析，數據分析會對大量的數據進行處理，對性能要求較高，因此將其單獨提取為一個模塊，與業務邏輯部分進行異步數據通信，以保證性能的需求。

數據服務器主要負責用戶的數據存儲。根據存儲數據的大小，將數據存儲分為兩部分：基礎數據存儲，分析結果存儲。基礎數據存儲包括用戶信息、車輛信息、車輛數據以及其他基礎服務的數據，是采用關系型數據庫的方式存儲的；分析結果存儲包括對采集的車輛信息進行數據分析處理的結果，是采用文件的形式存儲的，并在基礎數據存儲中記錄文件路徑。

由于本文尚在實踐測試階段，采用的部署方式比較簡單，使用的數據庫為簡單的關系型數據庫。未來正式部署可采用更科學高效的部署方式，如圖7所示。

圖7 未來部署示意圖

5 總結

物聯網、車聯網以及移動互聯網絡的概念正在被越來越多地應用于我們的生產生活之中，本文利用車聯網和移動互聯網的概念，并基于車輛OBD系統，設計并實現了一套基于OBD的車輛信息管理平臺。該系統能夠實現車輛信息數據的監測與報警、車輛故障自檢、駕駛行為分析等功能，能夠較好的提升駕駛員的駕駛體驗和安全性，同時也可以為4S店以及交通管理部門提供非常有參考價值的信息，另外在節能減排等方面也可以起到重要的作用。在后續的研究中，一方面可以優化平臺的性能，另一方面，可以針對海量的數據提取出實時交通狀態等更多有價值的信息。

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Information Management Platform of Vehicle Based on OBD

Bai Dong，Qian Songrong

(College of Information Science & Technology, Fudan University, Shanghai 200433, China)

With an increasing number of vehicles in our country, how to improve transportation efficiency, ensure traffic safety, reduce environment pollution and enhance driving experience have become the major problems. Aiming at these problems, an OBD (On-Board-Diagnostic) based information management platform of vehicle has been designed. This platform could get real-time vehicle information and analyze it by using technologies of IOV (Internet of Vehicles), Bluetooth Low Energy and data analysis. Therefore, the platform can monitor vehicle data in real time and schedule vehicles in a proper way.

OBD; Internet of vehicles; Mobile terminal; Vehicle management

白 東(1991-)，男，上海，碩士，研究方向：網絡與數據通信。 錢松榮(1960-)，男，上海，教授，研究方向：網絡與數據通信、物聯網核心技術。

1007-757X(2017)07-0065-04

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2017.01.25)