基于Web 技術(shù)的新能源汽車狀態(tài)監(jiān)測平臺開發(fā)

趙宇航，龔元明

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著新能源汽車保有量的持續(xù)增長，老舊車輛不斷增多，事故頻率明顯提高，新能源汽車的安全性、可靠性也被高度重視。目前新能源汽車遠程監(jiān)測平臺主要集中在數(shù)據(jù)的收集與簡單的故障報警功能，數(shù)據(jù)處理的實時性等方面還有待提高。通過對新能源汽車運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，可以科學調(diào)整新能源汽車行業(yè)的支持政策。

本文提出一種基于Web 技術(shù)的新能源汽車遠程監(jiān)測系統(tǒng)。車載終端以STM32F407ZGT6 為主控制器，利用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)技術(shù)、GPS 定位技術(shù)、GPRS 無線通信技術(shù)，將汽車各參數(shù)實時傳輸?shù)皆品?wù)器端并進行數(shù)據(jù)解碼與存儲，遠程監(jiān)測平臺調(diào)取云服務(wù)器端數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，通過人機界面顯示實時診斷結(jié)果，幫助車主與企業(yè)全面了解車輛運行情況以及對車輛精準定位。通過GPS定位功能快速定位車輛地點，通過大數(shù)據(jù)判斷新能源汽車易損部件，幫助新能源汽車生產(chǎn)商提高產(chǎn)品質(zhì)量，提供設(shè)備管理功能可以查看設(shè)備基本信息及歷史記錄。

1 遠程監(jiān)測平臺設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)

該平臺由車載終端模塊、云服務(wù)器端、遠程監(jiān)測平臺3 部分組成。車載終端模塊集成了GPS模塊、GPRS 模塊以及穩(wěn)壓電源模塊。數(shù)據(jù)采集部分是由車載終端通過CAN 總線采集并讀取汽車各項參數(shù)，如車速、累計里程、電池電壓、電流、溫度、SOC 等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸部分通過GPRS 外置模塊，并根據(jù)車載終端與云服務(wù)器端的通信協(xié)議，實現(xiàn)車載終端和云服務(wù)器之間的雙向通信，起到及時、快速、準確傳輸數(shù)據(jù)的作用；數(shù)據(jù)處理部分根據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)傳輸部分傳來的數(shù)據(jù)進行解析，并保存至MySQL 數(shù)據(jù)庫進行存儲及管理；遠程監(jiān)測平臺定時調(diào)用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)并顯示在界面上，以達到實時更新的目的。

1.2 功能設(shè)計

遠程監(jiān)測平臺的服務(wù)器與客戶端采用B/S 的架構(gòu)模式，服務(wù)器端負責接受并解析車載終端模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，并且負責根據(jù)客戶端請求，將響應(yīng)結(jié)果發(fā)送至請求端。客戶端通過人機界面將車輛實時信息呈現(xiàn)給用戶并提供登錄與注冊、權(quán)限管理、車輛管理、通信管理、實時數(shù)據(jù)顯示、地圖顯示和系統(tǒng)設(shè)置等功能。

2 車載終端

車載終端由主控芯片STM32F407ZGT6、GPS定位模塊、GPRS 無線通信模塊、CAN 功能模塊、電源模塊組成，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、GPS 定位等功能，是一種典型的嵌入式設(shè)備。硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

主控芯片是車載終端中最重要的一部分，采用 STM32F407ZGT6 系列的微處理器，具有2 個CAN2.0 的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)多路的CAN 通信。4 個高速USART 接口，能夠?qū)崿F(xiàn)主控制器和GPRS 無線通信模塊之間的串行通信。1 個10 M/100 M 的以太網(wǎng)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通訊。擁有的I/O 口達到140 個，有利于后期功能的擴展。主控制器內(nèi)部集成有2 路CAN 控制器，所以要實現(xiàn)CAN 通信，還需要一款CAN 收發(fā)器，本文選用的是英飛凌公司的 TLE6250GV33 芯片。

CAN 通信模塊承擔著車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與外界交換的任務(wù)，選用的是具有高速CAN 收發(fā)功能的TLE6250GV33 芯片，該芯片對高速差分模式下的數(shù)據(jù)傳輸進行優(yōu)化，適用于汽車和工業(yè)等領(lǐng)域，具有傳輸速率優(yōu)異、靈活設(shè)置外部供電、優(yōu)異的EMC（電磁兼容）性能、較寬的溫度范圍和過熱保護等優(yōu)點。

以太網(wǎng)模塊選用微芯科技的LAN8720A 芯片,該芯片自帶的 RMII 接口和2 對數(shù)據(jù)差分線接口分別連接著以太網(wǎng)控制器IO 口和RJ45 的網(wǎng)線接口，起到了電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫哂袀鬏斔俾矢摺⒅С秩p工與半雙工模式、支持低功耗的電源管理架構(gòu)的優(yōu)點。

GPRS 無線通信模塊和GPS 衛(wèi)星定位模塊選用了國內(nèi)芯訊通無線科技的一款集成GPS 導航技術(shù)的SIM908 模塊。SIM908 是集成GPRS 與GPS 功能為一體的開發(fā)板，提供GPS 實時定位功能。通信過程是，首先CAN 收發(fā)器接收到的車內(nèi)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過主控制器內(nèi)部的協(xié)議轉(zhuǎn)換后，最后通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，實現(xiàn)遠程定位監(jiān)測功能，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性；

電源模塊給各個模塊提供穩(wěn)定的電流供電，并對數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)起關(guān)鍵作用。電源模塊的設(shè)計是輸入端為 24 V 直流電，再在電源輸入接口處加了一個PMOS 管，用于防止反接，保護整個后級電路。整個電源模塊有3 個降壓穩(wěn)定芯片，分別為3.3，5，12 V。5 V 和12 V 采用的是 LM2596 系列穩(wěn)壓器，能夠以出色的線路和負載調(diào)節(jié)率驅(qū)動3 A 負載，3.3 V 采用的是LM1117 系列穩(wěn)壓器，為部分模塊提供穩(wěn)定低電壓。

3 云服務(wù)器

3.1 概述及分類

云服務(wù)器作為車載終端和監(jiān)測平臺的通信媒介，不僅負責接收解析車載終端數(shù)據(jù)，而且負責處理監(jiān)測平臺請求，并將響應(yīng)結(jié)果發(fā)送至請求端。其中，云服務(wù)器又分為業(yè)務(wù)服務(wù)器與web 服務(wù)器，業(yè)務(wù)服務(wù)器主要處理數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存，web 服務(wù)器主要負責遠程監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)調(diào)用與顯示，以及根據(jù)汽車位置數(shù)據(jù)匹配地圖，并且當管理人員登錄監(jiān)測平臺時能查看到汽車所在地圖位置和所有運行信息。

業(yè)務(wù)服務(wù)器設(shè)計是使用Visual Studio 2015 為開發(fā)工具，基于C#語言編寫的Windows 窗體應(yīng)用程序，軟件操作便捷，可以實時顯示接收到的車載設(shè)備采集的汽車運動數(shù)據(jù)、實時位置數(shù)據(jù)、整車異常信息等并存儲于MySQL 數(shù)據(jù)庫中。

web服務(wù)器端采用 IntelliJ IDEA 集成開發(fā)環(huán)境，基于java 語言，采用前后端分離方式，后端使用Spring Boot 架構(gòu)，導入Mybatis-Plus 依賴。其中，Spring Boot 不僅繼承了 Spring 框架原有的優(yōu)秀特性，而且還通過簡化設(shè)置來進一步簡化了Spring 應(yīng)用的整個搭建和開發(fā)過程。Mybatis-Plus 是Mybatis的增強工具，自動封裝CRUD 方法，提高效率，簡化操作，最后，將后端的代碼打包并部署在云服務(wù)器上。

3.1.1 業(yè)務(wù)服務(wù)器

業(yè)務(wù)服務(wù)器主要是指對車載終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行解析與保存的過程。云服務(wù)器基于 TCP/IP 協(xié)議，采用C/S 結(jié)構(gòu)設(shè)計與車載終端實現(xiàn)長連接，相比于 UDP 通信，TCP 傳輸數(shù)據(jù)更加可靠，傳輸數(shù)據(jù)之前，車載設(shè)備和業(yè)務(wù)服務(wù)器端應(yīng)建立連接，并以字節(jié)流的數(shù)據(jù)形式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。然后通過TCP Socket 通信方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進程之間的通信，并利用自定義協(xié)議格式將車載設(shè)備數(shù)據(jù)通過GPRS 模塊發(fā)送至云服務(wù)器。Socket 通信流程過程，如圖 2 所示。

3.1.2 Web 服務(wù)器

Web 服務(wù)器主要是指監(jiān)測平臺與云服務(wù)器數(shù)據(jù)交互與處理的過程。云端服務(wù)器與遠程客戶端采用B/S 架構(gòu)，其中服務(wù)端是在云端服務(wù)器上嵌入Web 服務(wù)器來實現(xiàn)的，并將用戶瀏覽器作為客戶端使用，并通過JSON 格式的數(shù)據(jù)實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交互。在通信過程中，線程使用HTTP 協(xié)議中的Http URLConnection 方法進行請求/響應(yīng)，云服務(wù)器收到請求后，將請求數(shù)據(jù)封裝成JSON 格式，通過HTTP 協(xié)議響應(yīng)到遠程監(jiān)測平臺，再對接收到的JSON 格式的數(shù)據(jù)進行解析，將數(shù)據(jù)顯示在遠程監(jiān)測平臺界面上。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是為了存儲車載終端采集汽車運行數(shù)據(jù)、實時的位置數(shù)據(jù)等，便于后期完成增刪改查等操作，并且由于MySQL 數(shù)據(jù)庫具有開源、操作方便、體積小、可靠性高、支持多線程等優(yōu)點，所以選擇采用 MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),版本為8.0。此外，為了高效管理車載終端數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中建立了用戶賬戶表、角色權(quán)限關(guān)系表、用戶賬戶權(quán)限關(guān)系表、設(shè)備信息表和歷史記錄表。

設(shè)備信息表即車載設(shè)備信息表，包括設(shè)備號、車速、油門開度、剎車開度、電機轉(zhuǎn)速、電機溫度、電池總電壓、電池總電流等汽車運行數(shù)據(jù)。用戶信息表包括用戶名、郵箱、手機號、密碼、注冊時間、賬號狀態(tài)，用于方便管理用戶登錄信息，保證信息安全性。用戶信息表結(jié)構(gòu)見表1。

表1 用戶信息表Tab.1 User information

定位信息表主要包含設(shè)備號、經(jīng)度、緯度、車速等信息，方便用戶進行車輛狀態(tài)查詢。車輛運行數(shù)據(jù)可實時上傳至服務(wù)器并存儲到數(shù)據(jù)庫，用于動態(tài)追蹤車輛的行車軌跡路線。定位信息表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 定位信息表Tab.2 Location information

4 遠程監(jiān)測平臺

遠程監(jiān)測平臺采用前后端分離方式，前端使用Vue+Element-UI 框架。Vue 是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架，減少不必要的DOM 操作，提高渲染效率，而且方便與第三方庫或既有項目整合。Element-UI 是一套UI 組件庫，使開發(fā)者減少樣式設(shè)計開發(fā)時間，專心于平臺功能實現(xiàn)。

遠程監(jiān)測平臺的操作流程是，首先通過注冊與登錄進入監(jiān)測系統(tǒng)主機界面，然后通過與web 服務(wù)器通信，獲取汽車的狀態(tài)數(shù)據(jù)與地理位置，實現(xiàn)遠程監(jiān)測功能。遠程監(jiān)測平臺功能如下：

（1）登錄與注冊

登錄模塊由用戶名、密碼構(gòu)成，注冊功能由用戶名、密碼、手機號、郵箱、車牌號構(gòu)成。

（2）權(quán)限管理

監(jiān)測平臺分為管理員用戶與普通用戶，管理員賬號可以查看所有車輛的數(shù)據(jù)、普通用戶只可以查看自己車輛的數(shù)據(jù)。管理員可以分配用戶的使用權(quán)限、可查看的頁面。

（3）車輛管理

錄入車主用戶名、電話、郵箱、車牌號、汽車型號等信息，后期手機號修改以及車牌號添加與修改，需要管理員手動維護。

（4）通信管理

車載終端定時將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端，服務(wù)器端將數(shù)據(jù)解析并保存至數(shù)據(jù)庫。

（5）實時數(shù)據(jù)顯示

監(jiān)測平臺實時數(shù)據(jù)顯示界面可以顯示車速、累計里程、地理位置、電池電壓、電流、溫度、SOC等信息。實時存儲并顯示在電子地圖上。

（6）地圖顯示

監(jiān)測平臺的地圖顯示界面可以實時顯示汽車位置，并可以通過點擊顯示車輛實時數(shù)據(jù)。

（7）系統(tǒng)設(shè)置

提供系統(tǒng)使用幫助、界面樣式選擇。

5 平臺測試

5.1 通信延遲測試

首先通過單臺多次測試驗證系統(tǒng)的可行性，結(jié)果如圖3 所示；其次多臺客戶端測試驗證其在多設(shè)備條件下運行情況，結(jié)果如圖4 所示。

5.2 數(shù)據(jù)交互測試

車輛管理模塊進行增刪改查測試，完成對數(shù)據(jù)的修改操作。數(shù)據(jù)顯示模塊和地圖顯示模塊進行實時數(shù)據(jù)測試，按照預先設(shè)計好的1 000 ms 延遲，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的刷新；同時定位數(shù)據(jù)也能以標注的方式在地圖上顯示。

由上述測試可得，本文設(shè)計的車輛監(jiān)測系統(tǒng)達到測試要求，并且滿足實際使用需求，實現(xiàn)了設(shè)計目標。

6 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于Web 的新能源汽車監(jiān)測平臺，該平臺由登錄與注冊、權(quán)限管理、車輛管理、通信管理、實時數(shù)據(jù)顯示、地圖顯示和系統(tǒng)設(shè)置7 大功能模塊組成，并通過驗證，確定了該系統(tǒng)的準確性、可靠性、穩(wěn)定性，未來還可以為廠商技術(shù)升級提供數(shù)據(jù)支持以及更好推動新能源汽車的發(fā)展。