一種新能源汽車遠程監測平臺設計

耿黃政　郭雄

摘要：新能源汽車遠程監測平臺實時采集車輛的相關數據信息。設計開發的新能源汽車遠程監測平臺主要包括車載終端軟硬件，由服務器、數據庫、操作系統和服務端程序構成的云平臺，由登錄模塊、車輛管理車機管理模塊、數據調用模塊組成的管理系統。開發一種新能源汽車遠程監測平臺，針對新能源汽車的動力特性，采集并土傳諸如車輛狀態、充電狀態、車速、累計里程、總電壓、總電流、電池荷電狀態等車輛相關數據，實現對新能源汽車的監測和管理。

關鍵詞：新能源汽車;遠程監測平臺;設計;管理系統

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.019

1 新能源汽車遠程監測平臺架構

新能源汽車遠程監測平臺總體架構如圖1所示。

對于新能源汽車，其主要狀態可劃分為行駛、駐車和駐車充電三種，由于其主要動力來源是動力電池，在行駛和駐車充電場景下的狀態數據都需要進行實時監控。車輛相關實時數據主要由車載終端通過車輛的OBD接口進行采集，在車載終端內部完成數據的組包。在網絡狀況良好的情況下，通過外置的GPRS模塊，按照車載終端與遠程監測平臺間的通信協議.將數據以字段的形式發送到云平臺。云平臺按照協議對上傳的數據字段進行解析，將對應字段轉換為可讀的車輛數據信息，并交由MySQL數據庫存儲及管理，為后期大數據挖掘應用提供數據樣本。最終利用管理系統，通過云平臺的數據庫操作接口，直觀地將車輛的實時數據提供給管理人員。管理人員同時也能通過管理系統對聯網車輛進行狀態查詢、車輛數據實時監測、發送車輛遠程指令等操作。

車載終端與車輛之間的通信，通過與OBD接口的物理連接，從車載CAN總線上獲取車輛各個節點上的控制器相關數據及向控制器發送指令。車載終端與遠程監測云平臺的連接采用的是4G通信技術及TCP/IP協議，車載終端通過外置的GPRS模塊與遠程監測云平臺進行實時信息交互。管理系統通過互聯網訪問遠程監測云平臺的數據庫獲取監測數據，或通過服務器向車輛發送遠程指令。

1.1 車載終端

車載終端的主要功能包括數據采集、數據組包、數據包上傳、數據包解析、ECU通信、本地存儲、GPS定位。汽車上的各個功能及各種電子控制系統都是由諸多電控單元控制的，每個ECU都連接在車載總線上以實現車輛電氣組件之間的網聯。

CAN總線是最古老的多功能總線規范之一，也是正在運行的最普遍的系統總線之一，典型的配置允許多達1 10個節點和500 m的總線長度，并且能在多種不同的物理層上運行。車載終端通過車輛OBD接口實現與車載CAN總線的物理連接，并通過內置的CAN通信模塊與ECU實現實時通信，采集各個ECU上的數據。另外，當管理系統發出遠程指令時，車載終端同樣通過逆向路徑向車輛相關ECU發送指令以實現對車輛的遠程控制。

1.1.1 車載終端硬件設計

根據對車載終端設計需求的分析可知，車載終端的硬件模塊組成可分為主控芯片、CAN通信模塊、4G通信模塊、定位模塊、本地存儲模塊、電源模塊、加速識別模塊。

主控芯片是車載終端硬件系統中最重要的一部分，其型號的選用需要結合性能、可擴展性、成本等方面進行綜合考量。CAN通信模塊承擔著車內網絡數據與外界交換的任務。4G通信模塊和定位模塊采用的是上海移遠通信技術股份有限公司（ Quectel）推出的EC20 R2.1模塊。

本地存儲模塊保證車載終端在無線網絡阻塞時的采集數據不丟失，鑒于其數據包占用內存體積并不大，采用8G容量的SD卡作為存儲介質，與閃存FLASH、磁電存儲器RAM共同組成本地存儲模塊。車載終端從車輛OBD接口汲取電量，電源模塊存儲電池電量，實現各模塊的穩定供電。加速感知模塊采用的是MEMS公司推出的型號為GMA301的三軸數字加速度計。

1.1.2 車載終端軟件設計

在完成車載終端硬件選型和各主要模塊電路設計之后，還需要結合各模塊間的通信協議對軟件程序進行編寫，實現軟硬件的結合才能使車載終端的各項功能正常運行。本文在Keil uVision4開發環境下，采用C語言編寫及調試與CAN通信模塊、4G通信模塊、定位模塊、本地存儲模塊相關的軟件程序，主要實現數據采集、數據上傳、本地存儲3部分功能。數據采集部分的功能主要包含對車載CAN總線上承載的車輛相關數據的采集和定位模塊生成數據的采集。數據上傳部分的程序主要負責將車載終端主控芯片組包好的車輛實時數據和GPS定位數據上傳到遠程監測系統的云平臺。本地存儲部分主要功能為數據包的備份與暫存。

1.2 云平臺

1.2.1 云平臺功能

1.2.1.1 數據解析

云平臺按照車載終端采用的TCP/IP傳輸協議，將上傳到平臺的數據包對應字段解析還原成可讀的車輛相關數據。

1.2.1.2 數據預處理

由于車輛運行環境不斷變化，其定位信號和4G信號會出現不穩定的情況，部分實時監測數據將無法做到實時上傳，導致數據集出現錯誤與缺失。平臺必須剔除無效數據，并在接收到車載終端的補發數據后，實時整合數據，保證實時數據集在時間軸上的連續性和完整性。

1.2.1.3 數據庫管理

監測車輛通過車載終端與云平臺連接后，即向云平臺不斷發送數據，隨著時間的積累，大量的上傳數據將會在概念上從實時數據轉變為歷史數據。為了方便調用管理系統，云平臺須具有在數據庫內部將數據分區域劃分存儲的功能，例如實時數據和歷史數據的區分，車輛數據和車機數據的區分，采集數據和錄人數據的區分等。

1.2.1.4 提供操作接口

云平臺需要提供數據查詢接口給管理平臺，實現數據查詢及列表導出功能;提供數據庫操作接口，實現對車輛信息、車機信息的增刪查改功能;提供指令轉發接口，實現車輛遠程控制指令的發送及反饋功能;提供轉發接口，將平臺采集數據轉發至國家公共平臺。

1.2.1.5 云平臺擴展接口

為了提高云平臺底層代碼的復用性，需要前期在云平臺的系統架構中預置數據庫調用及擴展接口。由于新能源汽車車輛數據的監測與采集是提供遠程服務的基礎，當需要開發新的車輛大數據應用平臺時，僅需將遠程監測云平臺部分作為提供實時監測數據的源頭，在此基礎上添加特定應用場景下的功能擴展模塊及并行系統。此類以云平臺作為應用系統的主干，對外提供擴展接口的方式，將大大提高平臺底層代碼的復用性，并盡可能減少新平臺的開發時間和成本。

1.2.2 云平臺總體設計

遠程監測平臺的整體結構分為操作系統、服務器、數據庫及開發語言4個部分。Linux是一套免費開源類Unix操作系統，開源的優點在于可以監控數據運算及流向，因此也具備很高的安全性。同時，對于云平臺這種依賴共享資源集群的系統，需要虛擬化技術的支持，目前幾款比較出名的虛擬化軟件都是以Linux為內核開發的，其優越性也不言而喻。由于云平臺的主要功用在于接收實時上傳的車輛監測數據，以及向車載終端發送遠程指令，同時考慮到大量車載終端接人以及高訪問量，獨立的單體結構服務器無法滿足系統的需求，因此遠程監測云平臺需要采用分布式的服務器集群來解決其高并發導致的算力不足問題。

考慮到現階段數據庫主要是存儲車輛的實時數據及歷史數據，運用關系型數據庫管理系統可以較好完成數據的高效管理。關系型數據庫的存儲邏輯是將數據預先進行人為分類，然后保存在不同的表單中，所以其查詢速度和應用靈活性得到了保證。得益于其優異的性能，且能與PHP和Apache搭配形成開源條件下的優異開發環境，本文采用在Web應用方面最好的開源關系型數據庫管理應用軟件MySQL作為遠程監測云平臺的數據庫。

開發語言采用PHP、Go及JavaScript。PHP作為一種創建動態交互性站點的強有力的服務器端腳本語言，十分適合Web開發，且語言簡單、易上手，因此選用PHP語言作為云平臺及管系統主要架構的編譯語言。

1.3 管理系統

1.3.1 管理系統功能介紹

1.3.1.1 監控管理

對所有與云平臺連接的監控車輛的定位信息和實時數據監控，在可視化界面中直觀展示當前車輛位于地圖上的定位，以及典型的新能源汽車實時數據。

1.3.1.2 故障告警

根據國標要求，當車輛出現運行故障時須上報故障信息，包括故障名稱、故障起止時間、持續時間等信息。

1.3.1.3 車輛管理

系統可監測車輛及車機在平臺上的注冊及登錄、車輛基本信息的管理，以及與車載終端的綁定操作。

1.3.1.4 車機管理

系統可對車機的綁定狀態進行管理，對車載終端軟件升級包的管理及發送，以及查詢車機的原始數據。

1.3.1.5 數據查詢

通過輸入車輛車牌號或VIN碼，可查詢特定時段的車輛行駛記錄及充電記錄。

1.3.1.6統計報表

將各個車輛的實時數據進行匯總整理，以統計報表的形式呈現在用戶界面上，根據一段時間內的里程、充電、故障等內容的統計，對車輛和車機進行宏觀管理。

1.3.2 管理系統主要模塊開發

1.3.2.1 登錄模塊

客戶端登錄模塊是整個遠程監測平臺管理系統的人口，在對平臺進行操作前，該模塊需要完成對管理人員或用戶的身份認證，并提供修改密碼功能選項。

1.3.2.2 車輛管理與車機管理模塊

車輛管理模塊和車機管理模塊共同完成對監控車輛身份信息錄入以及車載終端與車輛的綁定操作，因此，在此對兩模塊進行并行設計。其操作邏輯設計如下：在車輛管理模塊下點擊“添加”按鈕到達車輛信息注冊界面，錄入車輛VIN碼、車牌號、車型車款等車輛身份信息，支持信息的增、刪、改;在車機管理模塊下點擊“添加”按鈕到達車機信息注冊界面，錄入車機編號、SIM卡號等車載終端身份信息，支持信息的增、刪、改;在未綁定車機模塊中，查找新注冊的未綁定車機號，點擊“綁定車輛”按鈕，查找新注冊車輛VIN碼或車牌號，選定后點擊“綁定”即可完成車輛與車載終端的綁定。以上操作的業務邏輯均為：管理系統客戶端首先向Server端發送增、刪、改及查詢的服務請求，后者響應服務請求，更新或檢索數據庫，最后將結果返回到前端。

1.3.2.3 數據調用模塊

作為新能源汽車遠程監測平臺管理系統，其核心是提供監控車輛的實時數據查詢、展示、導出等功能，而實現這些功能的本質就是對數據的調用。在對管理系統的需求分析中，將其功能設計為6個主要的功能，其中車監控管理、故障告警、數據查詢、統計報表4個功能模塊，承擔了對監控車輛實時數據查詢和展示的主要任務。鑒于數據調用功能的業務邏輯相同，僅在調用的數據類型及前端呈現方式上有區別，因此，對此4個功能模塊進行并行設計與開發。

2 遠程監測平臺測試

按照系統測試流程對車載終端與新能源汽車遠程監測平臺的聯合功能測試，結果表明車載終端能完成對車輛實時數據的采集，并在內部組包后發送至遠程監測平臺，同時在存儲模塊中進行數據的備份;登錄模塊能完成對登錄用戶身份信息的驗證;車輛管理模塊與車機管理模塊能夠完成設備身份信息的增、刪、改、查等操作，并能在模塊內完成車輛與車機對應身份信息的綁定;監控管理模塊中，能實時顯示車輛當前的數據，并按照設置的刷新時限對界面上的數據進行更新，同時其定位數據能以標注的形式在百度地圖上顯示;故障告警模塊能及時顯示車輛報警等級，并上傳故障發生前后30 s內的故障信息;數據查詢模塊內能根據篩選條件，準確匹配到車輛的行駛記錄或充電記錄，且能導出當前的查詢數據;統計報表模塊能以走勢圖和柱狀圖作為媒介，展示車輛以日、月為單位的統計數據。根據現有表現層的測試結果，目前整體系統能穩定運行。

3 結束語

本文設計開發了一套具有通用特性的新能源汽車遠程監測平臺，該平臺可運用于以車輛實時數據監測為基礎的新能源汽車服務管理系統，可以提升新能源汽車的監控管理及遠程服務水平，不僅能加快提高用戶對新能源汽車的接受度，還能為廠商在生產制造及升級技術方面提供重要的指導，逐漸實現汽車產業的“新四化”。