車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究

周慶平 李捷輝

摘 要：為實(shí)現(xiàn)車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸流程，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，設(shè)計一套車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控系統(tǒng)。通過ECU下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序、車載控制終端數(shù)據(jù)傳輸程序和遠(yuǎn)程服務(wù)器控制程序，將車載控制終端接入互聯(lián)網(wǎng)并遠(yuǎn)程高速傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)移動接入互聯(lián)網(wǎng)，車載監(jiān)控終端完成發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理。測試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，遠(yuǎn)程監(jiān)控信息傳輸準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)控;CAN通訊;網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-99-03

Abstract： In order to realize the remote monitoring of vehicle engine， a set of remote high-speed data transmission and monitoring system of vehicle engine is designed according to the data transmission process and the characteristics of network transmission. Through the data acquisition program of ECU， the data transmission program of vehicle control terminal and the remote server control program， the vehicle control terminal will be connected to the Internet and transmit data at a high speed. The system uses the network module to realize the mobile access to the Internet， and the vehicle monitoring terminal completes the engine data acquisition and processing. The test results show that the system runs stably and the remote monitoring information transmission is accurate.

Keywords： Engine; Remote monitoring; CAN communication; Network

前言

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，汽車電控技術(shù)逐漸向分布式開放性的遠(yuǎn)程、聯(lián)網(wǎng)化監(jiān)控方向發(fā)展。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛運(yùn)用，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，早期運(yùn)用于工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測，使用有線網(wǎng)絡(luò)對位置固定的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。而汽車作為移動設(shè)備，對其發(fā)動機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，則必須采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過遠(yuǎn)程服務(wù)器與車輛建立點(diǎn)對點(diǎn)的通訊[2]。

在工程機(jī)械領(lǐng)域，由于工作環(huán)境和任務(wù)的特殊性，多使用GSM甚至GPS技術(shù)進(jìn)行通訊，不僅價格昂貴而且數(shù)據(jù)傳輸速率低、延時高，所以不適用于普通車輛[3]。

目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展已成熟，具有傳輸速率高、覆蓋范圍廣、服務(wù)價格低等特點(diǎn)。因此，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載控制器和遠(yuǎn)程服務(wù)器的通訊是性價比最高的方式[4]，同時對傳輸數(shù)據(jù)采取AES加密，提高了系統(tǒng)的安全性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及工作原理

車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可為用戶提供不受距離限制的車輛控制，以便隨時掌握車輛運(yùn)行狀態(tài)，而且可為企業(yè)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品信息監(jiān)測方式，進(jìn)行發(fā)動機(jī)故障預(yù)警和診斷服務(wù)。系統(tǒng)分三部分，分別為遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊、車載控制終端模塊和車載CAN網(wǎng)絡(luò)模塊。

遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊是一臺具有公網(wǎng)IP的PC機(jī)，配有以太網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)與車載控制終端間的通訊;車載控制終端模塊基于Cotex-A8微處理器，配置有網(wǎng)絡(luò)模塊，通過網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器;車載CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為高低速CAN節(jié)點(diǎn)，高速CAN節(jié)點(diǎn)為發(fā)動機(jī);低速CAN節(jié)點(diǎn)包括車門鎖、電動車窗、車燈等。

系統(tǒng)工作原理是使用遠(yuǎn)程服務(wù)器和車載控制終端，應(yīng)用CAN總線和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車用發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸。車載控制終端通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，在查詢控制過程中，不僅將遠(yuǎn)程服務(wù)器的查詢控制指令以CAN報文格式發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)，還將收到CAN節(jié)點(diǎn)的指令執(zhí)行結(jié)果/當(dāng)前狀態(tài)信息由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程服務(wù)器通過車載控制終端收集發(fā)動機(jī)運(yùn)行信息，并儲存于數(shù)據(jù)庫中;在遠(yuǎn)程控制過程中，遠(yuǎn)程服務(wù)器將接收到的控制命令解析，向各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通訊，降低通訊延時，滿足系統(tǒng)擴(kuò)展，節(jié)約成本;使用TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)車載控制終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，保證通訊可靠性;系統(tǒng)采用AES加密算法對傳輸數(shù)據(jù)加密，保證了安全性。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

車載發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件包括三部分：遠(yuǎn)程服務(wù)器、車載控制終端和車載CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.1 遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊

遠(yuǎn)程服務(wù)器為一臺具有公網(wǎng)IP的PC機(jī)，是軟件的運(yùn)行平臺及數(shù)據(jù)儲存平臺。其CPU為Intel四核處理器，內(nèi)存8G（DDR3），具有RJ45、RS232、和USB等接口，性能滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。

2.2 車載控制終端模塊

車載控制終端負(fù)責(zé)與CAN網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，承擔(dān)通訊任務(wù)，故對主控制器性能要求較高。系統(tǒng)采用微處理器S5PV210為主控制器，使用ARM CortexTM-A8內(nèi)核，主頻為1GHz。系統(tǒng)配置華為MU509型網(wǎng)絡(luò)模塊，通過USB接口連接，提供最高上行速率384kbps、下行速率3.6Mbps的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

2.3 車載CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊

依據(jù)通訊速率的不同，分為高速CAN和低速CAN。高速CAN與實(shí)時性較高的發(fā)動機(jī)節(jié)點(diǎn)相連，通過USB-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換器與車載控制終端連接。低速CAN與車門窗、車燈等節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括遠(yuǎn)程服務(wù)器軟件、車載控制終端軟件和下位機(jī)軟件。

3.1 遠(yuǎn)程服務(wù)器軟件

遠(yuǎn)程服務(wù)器采用Linux 3.13內(nèi)核操作系統(tǒng)，運(yùn)行服務(wù)器端控制程序，流程圖如圖1。

程序啟動后，首先創(chuàng)建套接字并開始監(jiān)聽指定端口，等待車載控制終端連接請求;當(dāng)接收到連接請求后返回一個套接字，與車載控制終端進(jìn)行通訊，然后創(chuàng)建兩個獨(dú)立線程分別負(fù)責(zé)通訊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)將以文檔格式保存在本地;當(dāng)接收到車載控制終端的身份驗(yàn)證消息后，即進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)失敗則發(fā)送驗(yàn)證失敗消息，斷開連接結(jié)束本次通訊。

3.2 車載控制終端軟件

車載控制終端使用Linux2.6內(nèi)核操作系統(tǒng)，流程圖如圖2。

程序啟動后，首先初始化，打開網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建套接字，請求接入指定服務(wù)器，并發(fā)送身份驗(yàn)證信息;若驗(yàn)證失敗，則重新連接，否則創(chuàng)建數(shù)據(jù)發(fā)送和接收線程;當(dāng)收到服務(wù)器的控制指令，經(jīng)過數(shù)據(jù)解析判斷節(jié)點(diǎn)ID，若是發(fā)動機(jī)節(jié)點(diǎn)，則通過USB-CAN協(xié)議轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)發(fā)至高速CAN總線，若是其他節(jié)點(diǎn)ID則轉(zhuǎn)發(fā)至低速CAN總線。節(jié)點(diǎn)收到指令執(zhí)行控制動作，并將執(zhí)行后的結(jié)果信息反饋，發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器;信息采集過程中，車載控制終端對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行AES加密后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程服務(wù)器。若接收到遠(yuǎn)程服務(wù)器關(guān)閉連接指令，則斷開與服務(wù)器的連接結(jié)束本次通訊。

4 通訊測試與結(jié)果分析

表1 ?CANMonitor數(shù)據(jù)

由表1可得，幀ID為0x00000007為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速報文，幀ID為0x00000008為負(fù)荷報文，均為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀。下位機(jī)程序設(shè)定CAN報文發(fā)送任務(wù)為100ms，由時間標(biāo)識可知，相鄰兩幀CAN報文的時間間隔即為100ms，與下位機(jī)程序設(shè)計一致。

由表2可知，不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率下，網(wǎng)絡(luò)的平均延時和系統(tǒng)總延時。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的升高，網(wǎng)絡(luò)延時增大，在75%網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率下，時延最大值為398.3ms，完全滿足發(fā)動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

采用網(wǎng)絡(luò)通訊、TCP/IP協(xié)議、CAN總線以及多線程等技術(shù)，針對車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，設(shè)計并完成車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。測試表明：系統(tǒng)下位機(jī)程序成功采集發(fā)動機(jī)運(yùn)行信息，并穩(wěn)定可靠地發(fā)送至車載CAN網(wǎng)絡(luò);系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行與遠(yuǎn)程服務(wù)器間的據(jù)傳輸，有效地進(jìn)行車載控制終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器間的通訊，滿足車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)需求;基于車聯(lián)網(wǎng)的車用發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時性高、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。

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