純電動汽車運行狀態參數的遠程監測系統設計

吳海波

(湖北汽車工業學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002 )

圖1 系統總體框架圖

圖2 CAN控制器電路圖

目前，純電動汽車技術還沒有傳統汽車成熟，其安全性能更加受到關注，純電動汽車遠程監測設備能夠實時監測車輛的運行狀況，對車輛運行狀態進行評估預測。系統采用STM32系列微控制器為主芯片，將從車輛VCU上讀取的電機轉速、電池溫度等參數，通過ESP8266模塊發送給手機客戶端，通過手機4G無線通信技術將接收到的數據發送給專家服務系統。STM32中，F4系列MCU本身帶有CAN控制器，集成了TAJ1050，同時該MCU采用Cortex M4 內核,比F1系列的速度快6倍左右，在數據實時性方面效率高。該系統通過手機接收數據較電腦端接收數據有很大的便利性，還可利用APP進行數據分析及動態調控。

1 系統總體設計

圖1為系統框架。主控制器是系統的核心，各模塊功能的實現以及獲取數據后的處理都由主控制器進行，系統的CAN通信模塊實現向VCU請求和接收數據的功能，SIM5320模塊實現定位功能，如果加上PC端，SIM5320還可以實現GPRS通信，WiFi模塊實現將接收到的數據發送給手機客戶端的功能。

2 系統硬件設計

下面對CAN通信模塊、ESP8266無線WiFi模塊硬件設計進行介紹。

2.1 CAN通信模塊硬件設計

本文CAN網絡通信波特率設置為500kbps，自帶的硬件是具有容錯功能的TAJ1050芯片。STM32F4自帶的bxCAN(基本擴展 CAN)有兩路CAN,本文使用CAN1，通過發送遠程幀到汽車CAN總線上完成與車輛之間的通訊，從而獲得車上的實時數據。其原理圖如圖2所示。

2.2 ESP8266無線WiFi模塊硬件設計

本文選擇的ESP8266無線WiFi模塊是一個完整且自成體系的WiFi網絡設備，實現了前期最低的開發和運行中最少地占用系統資源[1]。它能迅速地將采集到的實時信息傳送到手機接收端，原理圖如圖3所示。

圖3 無線模塊電路圖

2.3 硬件搭建

實物如圖4所示。

圖4 模塊搭建實物圖

3 系統軟件設計

該系統采用模塊化設計，將整個系統分解為各個子模塊，系統在上電復位后，各個模塊進行初始化，然后進入系統主循環[2]。系統要實現的功能是將從某純電動汽車上采集的實時數據，進行分析處理、加密、封裝后通過WiFi模塊發送到手機客戶端。SIM5320上集成的GPS芯片把實時定位信息轉換成經緯度后，結合從純帶動汽車上讀取的實時信息一起發給ESP8266模塊，再全部打包發給手機接收端。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.1 CAN模塊程序設計

該系統采用STM32F407ZGT6自帶的CAN控制器，選擇其中一個CAN控制器CAN1，向車輛VCU對應的遠程幀請求發送數據。VCU收到信息后，發送對應的信息過去，系統對接收到的數據進行自定的協議解析后，通過調用CAN通信子程序將數據發送給WiFi模塊。CAN通信程序設計的收發過程如圖6和7所示。圖6代表CAN的接收過程，其原理是利用3級郵箱存儲有效報文，這樣能降低CPU的處理負荷。圖7代表CAN的發送過程，以空閑的郵箱和標識符來進行發送。

圖6 CAN接收流程圖

圖7 CAN發送流程圖

3.2 WiFi模塊程序設計

本軟件設計是實現該模塊的串口WiFi(COM-AP)模式，將該模塊作為無線WiFi熱點，手機通過WiFi功能連接到該熱點。然后該模塊將CAN模塊采集的電池溫度以及電機電壓等一系列參數發送給手機，設置模塊為TCP服務模式，這樣，模塊就能將收到的數據以特定的形式發送給手機接收端。主要是通過AT指令來對模塊進行配置。首先，將模塊設置為AP模式，其指令為：AT+CWMODE=2；然后，設置AP參數和密碼，設置為多連接，配置端口號，最后發送數據包，這些都是通過AT指令來完成的。該程序設計流程圖如圖8所示。

3.3 手機app程序設計

本設計使用Eclipse 編寫Android程序[3]。目的是設計一個直觀的可監控平臺界面，其中應當包括汽車的車速、電機轉速、電池電壓、前后胎壓、經緯度、電池電量等一系列參數的實時顯示，能夠準確得到車輛的實時數據。流程圖設計如圖9所示。

圖8 WiFi模塊程序設計流程圖

圖9 手機APP程序流程圖

3.4 系統運行測試

本測試采集的數據是在某電動汽車在掛1檔時測取的數據，在采集數據及處理和傳送數據到手機的過程都能很好地完成，手機接收到的數據與專業的儀接收到的數據基本一致。手機接收界面如圖10所示，專業設備讀取的數據如圖11所示。圖11中用手機自帶定位軟件測得的經緯度信息，將其轉換為十進制數字表示的結果是：經度為110.731667，緯度為32.651389。下面對兩種設備得到的數據進行對比，其對比結果如表1所示。從表中對比結果我們能發現，所測得部分數據之間的誤差還是比較小的，經度1度相差84km，緯度1度相差111km，經緯度定位誤差在10m范圍內，在誤差能夠接受的范圍。驗證了所設計的遠程監測設備的準確性高，試驗結果表明該設計性能可靠，符合車載遠程數據采集及傳輸的標準。

圖10 APP接收界面

圖11 專業設備測得數據界面

測試參數手機APP專業診斷設備相對誤差%車輛速度37.2km/h37.18km/h0.05電機轉速4998r/min4997.2r/min0.016電池電壓311.1V310V0.35電池電流73A75A2.7剩余電量77%75%2.6電池溫度26273.8電機溫度47470經度110.7321110.7316670.0005緯度32.651332.6513890.0003

目前，先進的專業監測設備能同時監測多輛汽車的工作狀況，但是，在處理汽車實際狀況時還是不太理想。當今無線網絡飛快發展，4G網絡趨于成熟，即將迎來5G網絡。將來可以直接將采集的信息通過5G網絡發送給云端，與建立的數據庫進行對比，能很快診斷出車輛的數據是否異常，并迅速將診斷結果發送給汽車專業人員以及車主。隨著智能交通的不斷發展，將來如果每輛車都裝上車載監測設備，交通監管部門就能監控每一輛車輛。例如，如果車輛排放不達標，可以給車主發送警告信息讓其趕緊去維修，同時也能根據數據流判斷每個地方車輛的擁擠情況，從而制定應對措施，緩解交通堵塞。隨著無線通信技術，智能化設備的整合和數據采集技術在汽車上的應用不斷深入，汽車的遠程監測系統將在汽車安全行駛方面發揮十分重要的作用[4]。

4 結語

隨著智能交通的不斷發展，手機的大量普及，使用手機去接收車輛運行實時數據能夠方便工程師實時了解汽車運行狀況，在檢測的基礎上進行汽車設計。本文選用STM32F4系列單片機為MCU,應用無線WiFi技術實現了將車輛CAN總線采集的數據發送給手機客戶端的功能，此設計在現實生活中有很大的實用性，同時能為正在發展的智能交通提供一定的參考價值。

參考文獻：

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