基于4G-DTU的汽車遠程監控系統設計

陳少偉 潘夢鷂 鐘玉靈 陳宣烽

摘? 要：隨著物聯網技術的快速發展，實現汽車和外部系統的遠程連接，推動汽車網聯化，智能化是當今汽車發展的重要趨勢。通過數據遠程傳輸技術的研究，提出了一種基于4G-DTU的汽車遠程監控系統，該系統通過OBD智能模塊實現與汽車的連接和數據通信交互，再利用4G-DTU模塊和MATLAB軟件平臺進行遠程數據傳輸，最終實現汽車遠程數據監測和控制的功能。實車試驗結果表明，該系統工作穩定可靠，為遠程故障診斷，遠程安全預警等智能化應用場景提供了重要參考，具有良好的推廣前景。

關鍵詞：4G-DTU；車網聯；OBD；遠程監控

中圖分類號：TN929.5? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0196-03

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things technology， the remote connection of automobile and external system is realized， and it is an important trend to promote the automobile network connection and intelligence for the development of automobile today. Through the research of the remote data transmission technology， a automobile remote monitoring system based on 4G-DTU is proposed. The system realizes the connection with the automobile and data communication interaction through the OBD intelligent module， and then uses the 4G-DTU module and MATLAB software platform for the remote data transmission， and finally realizes the functions of the remote data monitoring and control of the automobile. The results of the real automobile test show that the system works stably and reliably， provides an important reference for intelligent application scenarios such as remote fault diagnosis and remote security early warning， and it has a good promotion prospect.

Keywords： 4G-DTU; automobile network connection; OBD; remote monitoring

0? 引? 言

汽車經歷一百多年的發展，傳統汽車技術已經趨向成熟，如何推動汽車可持續發展是當今汽車領域研究的熱點。隨著信息技術的不斷發展，物聯網相關技術正被廣泛應用[1]。物聯網就是通過不同類型的傳感器或者技術手段采集對象的各種數據信息，并通過無線或者有線數據傳輸技術，實現物與物、物與人的信息連接，實現感知、監測和控制等功能。物聯網正在推動智慧農業、工業自動化、智慧交通和智能家居等產業的升級發展[2，3]。物聯網技術在汽車領域的應用，實現汽車和外部系統的遠程連接，推動汽車網聯化，智能化是當今汽車發展的重要趨勢[4]。因此，提出了一種基于4G-DTU的汽車遠程監控系統，該系統采用OBD數據采集、4G-DTU數據遠程傳輸等技術，構建汽車和MATLAB軟件智能終端的聯網，實現汽車的遠程數據監測和控制，為汽車遠程故障診斷，遠程安全預警等智能化應用場景提供了重要參考，有效提高汽車保養維護的效率以及汽車安全駕駛，對于推動汽車產業的應用發展具有十分重要的意義。

1? 汽車遠程監控系統總體設計方案

基于4G-DTU的汽車遠程監控系統設計主要由OBD智能模塊、4G-DTU遠程傳輸模塊[5]、軟件智能終端等組成，總體設計方案如圖1所示。其中，OBD智能模塊是通過OBD接口和汽車內部電控系統實現硬件連接，它以自帶CAN通信模塊的STM32F103芯片為主控單元，能夠通過CAN通信方式實現汽車內部數據的獲取和控制。4G-DTU遠程傳輸模塊實現OBD智能模塊和軟件智能終端之間的數據傳輸。軟件智能終端是基于MATLAB平臺開發的監控軟件系統，它主要實現數據通信、數據監測和汽車控制等功能。本系統能夠實現汽車數據采集、遠程傳輸、監測和汽車控制，符合系統設計要求。

系統工作過程：鑰匙啟動汽車后，安裝在汽車駕駛室內的OBD智能模塊開始獲得汽車電源供電。在軟件智能終端控制下，OBD智能模塊采集相應的汽車數據，并通過4G-DTU遠程傳輸模塊把數據上傳到軟件智能終端，同時，操作者也可以在軟件智能終端發布指令，指令通過4G-DTU遠程傳輸模塊下傳到OBD智能模塊，OBD智能模塊再經過OBD接口與汽車內部系統進行通信，最終實現對汽車的控制。

2? 汽車遠程監控系統硬件設計

2.1? OBD智能模塊

OBD智能模塊是由OBD接頭、STM32F103主控芯片，TJA1050 CAN接口模塊，12 V轉3.3 V電源模塊等構成。OBD，簡稱車載診斷系統，主要用于監測汽車各電控系統工作狀態信息。每一輛汽車駕駛室內都設有一個OBD接口，它是汽車內部電子系統和外部設備信息交互的唯一渠道[6，7]。OBD智能模塊通過OBD接口可以連接到汽車內部電子系統的CAN通信網絡。

STM32F103主控芯片是一款采用ARM Cortex—M3內核的高性能低功耗處理器，工作頻率高達72 MHz，運行速度快，實時性強，還集成自帶bxCAN控制器（Basic Extended CAN），TJA1050 CAN接口模塊提供（CAN）協議控制器和物理總線之間的信號轉換[8]。STM32F103主控芯片通過TJA1050 CAN接口模塊、OBD接口實現與汽車內部電子系統CAN通信網絡進行信息交互，從而不需要破壞汽車原有結構就可以獲取汽車數據和對汽車進行控制，有效避免了因為破壞汽車結構而導致汽車故障安全隱患，具有成本低，安全可靠，操作簡單等優勢。

車載OBD接口端還自帶有汽車12 V電源輸出端，配合12 V轉3.3 V電源模塊可以很方便地為OBD智能模塊提供電源供給。

2.2? 4G-DTU數據傳輸模塊

目前物聯網遠程傳輸技術主要依賴4G移動通信網絡以及云服務器平臺技術，為了實現汽車和軟件智能終端的遠程組網，本系統采用了眾山科技ZSD3410 4G DTU遠程無線通信模塊，如圖2所示，該模塊支持移動、聯通、電信等幾大運營商的4G信號接入，具有云透傳功能，基于眾山物聯云平臺，用戶可以實現設備點對點組網，也可以基于物聯云平臺進行二次開發。4G-DTU遠程無線通信模塊采用串口通信方式獲取數據，配合OBD智能模塊主控芯STM32F103自帶串口通信功能，簡單快捷地實現從OBD智能模塊獲取采集的汽車數據，滿足系統設計需要。

3? 汽車遠程監控系統軟件設計

3.1? MATLAB GUI人機交互界面

為了實現汽車遠程監控功能，基于MATLAB軟件技術開發了軟件智能終端。MATLAB 是一款具有強大數值運算、建模仿真、智能控制以及人機交互功能的計算機軟件。MATLAB GUI模塊是MATLAB的可視化交互工具，它為用戶提供了多種控件，如按鈕、復選框、菜單欄、文本框、多行文本等，在 MATLAB GUI工具箱中通過拖動方式將控件放置顯示區域上開發人機交互智能終端，具有開發環境簡單、操作方便等特點[9，10]。基于4G-DTU的汽車遠程監控系統人機交互界面如圖3所示。人機交互界面分為數據通信區和汽車遠程監控區。

數據通信區具有串口通信參數設置、啟動串口、保存數據等功能。當點擊開始“打開串口”按鍵，MATLAB就啟動串口通信功能，通過數據中斷的方式實時接收4G-DTU遠程無線通信模塊上傳的數據，并把數據顯示在相關區域。當點擊“保存數據”按鍵，串口接收的數據將以設定的數據格式保存到文本文檔里面。

汽車數據監控區主要是提供發動機水溫、轉速、車速、蓄電池電壓、汽車行駛總距離、汽車運行時間等信息監測。每一個信息監測都有一個相對應的功能按鍵，例如，當點擊“發動機水溫”按鍵，發動機水溫信息就立刻顯示在右邊的文本框上。汽車數據監控區還提供汽車四門車窗的升降控制、汽車四門門鎖的開關鎖控制、雨刮器控制、雨刮器噴水控制、行李箱開關控制、燈光控制等功能。每一個控制功能都有一個相對應的獨立控制按鍵，例如，當點擊“開啟雨刮器”按鍵，那么汽車雨刮器就會開始刮水工作，再點擊一次按鍵，汽車雨刮器就會立刻停止工作。

3.2? 汽車數據接收程序

汽車數據接收程序主要是用于接收通過4G-DUT模塊傳輸過來的汽車數據信息。本文通過MATLAB的串口通信功能設計了汽車數據接收程序，程序流程如圖4所示。在MATLAB GUT人機交互界面上設置串口端口號，串口通信參數，然后點擊“打開串口”按鍵進入串口數據接收流程，MATLAB不斷監測串口緩沖區的數據是否溢出，如果溢出，那么執行相應的程序讀取緩存數據量并轉存數據，完成后又回到緩沖區數據量的監控中。

3.3? 汽車遠程控制程序

汽車遠程控制就是從軟件智能終端發出指令，經過4G-DTU模塊傳輸到OBD智能模塊，OBD智能模塊再通過OBD接口和汽車內部電子系統進行通信，給汽車內部電子系統傳達控制指令執行相應的動作。在MATLAB軟件智能終端的人機交互界面上點擊相應的功能按鈕，功能按鈕調用相對應的回調函數，回調函數會執行相應的程序，每個汽車控制指令不一樣，但執行流程是一樣的，汽車遠程控制程序流程如圖5所示。

4? 試驗結果

我們以豐田卡羅拉為試驗車型，開展汽車數據實時采集和遠程控制試驗。首先，如圖6所示，通過參數配置程序軟件設置4G-DUT模塊串口通信參數以及在計算機端創建一個虛擬端口號：波特率為9 600，數據位為8，奇偶校驗為N，停止位為1，虛擬端口號為COM3，系統串口通信環境構建完成。鑰匙啟動汽車，OBD智能模塊和4G-DTU模塊從OBD接口獲取12 V電源并進入正常工作狀態。啟動MATLAB軟件智能終端，配置串口通信參數，點擊“打開串口”按鍵，至此，MATLAB軟件智能終端開始實現和汽車的遠程聯網和數據交互。

在MATLAB軟件智能終端人機交互界面點擊“發動機水溫”按鍵，軟件智能終端通過虛擬串口端把“發動機水溫”采集指令數據流“254 1 117 0 0 0 117 0 0 0 124 0 3 34 18 65 0 0 0 0 13 10”經過云平臺服務器，4G移動通信網絡，傳輸到4G-DTU模塊，再通過串口傳輸給OBD智能模塊，OBD智能模塊獲取“發動機水溫”數據采集命令后，跟汽車內部電子系統進行通信并獲取相應的發動機水溫數據流“7C8 8 04 62 12 41 2E 00 00 00”，水溫數據流又再通過4G-DTU模塊原路返回上傳到軟件智能終端，在軟件智能終端中提取數據流的溫度數據成分第四個字節，即2E，2E是十六進制，轉換成十進制為46，根據協議轉成溫度為46/2=23 ℃，發動機水溫隨著汽車的工作會不斷升高，最終穩定在某個固定值。

在軟件智能終端人機交互界面點擊“開啟雨刮器”按鍵，軟件智能終端通過虛擬串口端口像發送采集數據指令一樣，通過4G-DTU模塊給OBD智能模塊下達數據控制指令“254 1 117 128 0 0 117 128 0 0 117 00 64 5 48 28 0 8 0 0 13 10”，OBD智能模塊跟汽車內部電子系統進行通信從而控制汽車打開雨刮器。在實車測試中，4G-DTU模塊工作穩定，為數據采集和指令提供了可靠數據傳輸解決方案。

5? 結? 論

本文設計了一款基于4G-DTU的汽車遠程監控系統，該系統經過實車驗證，能夠實時采集汽車數據和遠程控制汽車，數據傳輸穩定可靠。該系統通過物聯網數據傳輸技術實現汽車和外部智能終端的遠程連接，實現汽車的網聯化和智能化，為汽車產業升級發展提供了重要參考，符合當今汽車發展趨勢。

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作者簡介：陳少偉（1987.10—），男，漢族，廣東廣州人，講師，工程師，碩士研究生，研究方向：機電液智能測控。