基于Wi-Fi的新能源客車無線診斷系統(tǒng)的研究

陳祥威，王文揚，王　　旭，陳　　正（中國汽車技術研究中心汽車工程院，天津　300300）

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基于Wi-Fi的新能源客車無線診斷系統(tǒng)的研究

陳祥威，王文揚，王旭，陳正
（中國汽車技術研究中心汽車工程院，天津300300）

摘要：Wi-Fi技術的應用使得中遠距離數(shù)據(jù)診斷得以實現(xiàn)，解決了大多數(shù)診斷儀都是基于硬線或者短距離無限數(shù)據(jù)通信的問題。本文首先簡要介紹新能源客車無線診斷系統(tǒng)功能和系統(tǒng)組成，然后重點描述車載終端和顯示終端的系統(tǒng)組成及功能分析，并介紹其軟件和硬件設計。

關鍵詞：新能源客車；無線診斷；監(jiān)控系統(tǒng)；Wi-Fi通信

隨著網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，用戶對無線通信的需求與日俱增，Wi-Fi憑借其獨特的優(yōu)勢得到了普遍認可，顯示出極大的應用前景，Wi-Fi已成為無線網(wǎng)絡接入的主流標準。國內(nèi)外許多地區(qū)都提供了Wi-Fi信號覆蓋域，只要隨身攜帶的電子產(chǎn)品上有Wi-Fi終端，便可接入互聯(lián)網(wǎng)［1］。

當前汽車診斷系統(tǒng)主要采用有線的形式，維修工程師需要打開車身，找到行車記錄儀接線后進行行車數(shù)據(jù)的分析。這樣的分析方式效率低，對工程師的技術要求高。Wi-Fi技術的發(fā)展推動了其在汽車運行數(shù)據(jù)監(jiān)控領域的發(fā)展。汽車用無線診斷系統(tǒng)模塊便于安裝、使用、管理和重組。

Wi-Fi無須布線、覆蓋范圍廣，目前大功率設備傳輸距離可達6.5km。Wi-Fi技術傳輸速度快6～22MB／s，應用廣泛，筆記本、iPad和手機等都有無線支持。汽車用無線診斷系統(tǒng)的應用使工程師不必打開車身，利用筆記本、手機等就能檢測汽車的運行記錄等數(shù)據(jù)。在停車廠中維修工程師可以從上位機查看多個車輛的數(shù)據(jù)，使其工作效率大大提高。可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動備份，方便查詢和跟蹤管理［2］。

1　新能源客車無線診斷系統(tǒng)功能介紹

研發(fā)、售后維修等相關人員使用筆記本電腦、手機、Pad等移動終端，通過Wi-Fi網(wǎng)絡實時采集新能源客車的診斷數(shù)據(jù)、蓄電池、電機電壓、電流、溫度等相關狀態(tài)參數(shù)，以及整車的運行數(shù)據(jù)。相關人員可以方便地查看診斷數(shù)據(jù)以及整車的其他重要數(shù)據(jù)，給技術改進和售后維修提供數(shù)據(jù)分析，極大地方便了研發(fā)和售后環(huán)節(jié)。

售后工程師、銷售工程師、研發(fā)工程師、管理者等不同角色可以根據(jù)各自不同需求選擇不同的移動終端，如Android系統(tǒng)手機、iphone、iPad、PC機，直觀地了解到對各自有用的數(shù)據(jù)。使用者可以根據(jù)需要，利用移動終端的軟件對新能源客車診斷系統(tǒng)進行操作，例如清除故障碼。

2　新能源客車無線診斷系統(tǒng)組成

圖1為新能源客車無線診斷系統(tǒng)功能示意圖。新能源客車無線診斷系統(tǒng)由車載無線診斷終端和移動顯示終端組成。

車載無線診斷終端是新能源客車無線診斷系統(tǒng)的關鍵部分，通過CAN總線采集電機控制器故障信息、發(fā)動機故障信息、CMS故障信息、BMS故障信息等數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi網(wǎng)絡實時把采集的信息發(fā)送到Wi-Fi移動終端，其中PC可以把數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。車載終端在通過Wi-Fi發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，把采集的數(shù)據(jù)以txt文件形式存儲到SD卡中；SD卡中的數(shù)據(jù)可以直接導入PC的無線診斷數(shù)據(jù)庫里。

移動顯示終端包括筆記本、手機、Pad等移動設備，不同的移動設備適合不同的人員使用。筆記本配置高、屏幕大、可安裝數(shù)據(jù)庫，因此顯示的數(shù)據(jù)多，能夠進行數(shù)據(jù)存儲、查詢歷史數(shù)據(jù)、導出歷史數(shù)據(jù)，有圖表功能和曲線比較功能，適合開發(fā)人員監(jiān)控車輛運行狀態(tài)，完善車輛設計工作。Pad屏幕較大、配置較高，因此可以顯示詳細故障信息和基礎數(shù)據(jù)，便于售后維修人員迅速判定車輛故障，確定維修策略。手機屏幕較小、配置較低，不能顯示過多數(shù)據(jù)和運行過多功能，只能顯示重要故障和重要數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)故障只能提醒使用者車輛有故障，使用者 （如駕駛員）可采取應急措施盡量保證車輛安全，然后報告給相關部門。

本系統(tǒng)的定位芯片選擇芯星通的UM220BD2／GPS雙系統(tǒng)導航／授時模塊，GPRS模塊選擇GL868，主芯片選擇LPC2388，根據(jù)設想功能主芯片通過RS232接口和定位芯片UM220BD2／GPS以及GPRS芯片GL868進行通信。

硬件系統(tǒng)主要由主處理器、電源管理、通信、定位模塊、CAN接口、存儲6部分組成。

1）主處理器部分主要由主處理器LPC2388、RTC時鐘電路、硬件看門狗組成。

2）電源管理部分主要對芯片用電進行管理，對24／12 V、5 V、3.3 V、3.0 V等用電進行合理化配置，降低功耗。

3）通信部分主要是配置GL868外圍電路，車載終端通過通信部分與監(jiān)控平臺進行遠程通信。

4）CAN接口部分主要是設計了兩路CAN接收電路，可以通過CAN網(wǎng)絡對整車控制器、電機控制器、電池管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)進行采集。

5）本系統(tǒng)數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)量大，而且要求掉電時采集的數(shù)據(jù)能及時保存。系統(tǒng)下位機需要設計一種高效的數(shù)據(jù)結構和儲存方法。SD卡的存儲容量為2GB，用于存儲新能源數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還有4MB的數(shù)據(jù)存儲器，用于存儲系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)。

3　新能源客車無線診斷車載終端

3.1無線診斷車載終端功能描述

無線診斷車載終端功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設置、USB導出數(shù)據(jù)、RTC時鐘、休眠喚醒、Wi-Fi通信模式切換等功能，其框圖如圖2所示。

圖2　　新能源客車無線診斷功能框圖

數(shù)據(jù)采集功能：主要通過CAN通信模塊采集CAN總線上的診斷信息、車輛運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是無線診斷的基礎。

數(shù)據(jù)通信功能：通過Wi-Fi無線模塊把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端，Wi-Fi的通信速度快，能夠把大量數(shù)據(jù)快速傳遞。

數(shù)據(jù)存儲功能：在沒有接入移動終端的情況下，CAN模塊采集的數(shù)據(jù)要存儲在SD里，在需要的情況下可以導入PC機的數(shù)據(jù)庫里。

參數(shù)設置功能：通過IC卡模塊給車載終端設置Wi-Fi通信需要的車工號和終端標識等信息，這些信息是安裝車輛和車載終端的惟一標識。

USB導出數(shù)據(jù)功能：是導出數(shù)據(jù)的一種手段，可以通過U盤導出SD卡里的存儲數(shù)據(jù)到PC機數(shù)據(jù)庫。

時鐘功能：無線車載終端實時給出時鐘，和診斷數(shù)據(jù)一起發(fā)送到移動終端或存儲到SD卡。

休眠喚醒：在新能源客車鑰匙信號關閉情況下模塊會進入休眠狀態(tài)。

Wi-Fi通信模式切換功能：可以任意切換無線診斷模塊的通信模式，無線路由器模式或無線接入點模式，無線診斷模塊默認是無線路由器模式，這時筆記本、Pad、手機等移動終端可以連接到無線診斷模塊；當進入總站時，需要把無線車載終端切換到無線接入點模式，主動連接總站機房服務器傳送數(shù)據(jù)。

3.1.1實時跟蹤管理

實時跟蹤管理是查看所有車輛的實時記錄、車輛狀態(tài)信息及車輛參數(shù)信息的展現(xiàn)管理。主要功能如下：①車輛狀態(tài)信息查詢：對車速 （終端上傳的車速、GPS上傳的車速）、車門、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等狀態(tài)信息進行查詢；②車輛蓄電池信息查詢：對蓄電池的數(shù)量、電流、電壓、容量和其它屬性進行查詢；③車輛電機信息查詢：對電機的電壓、電流、功率和其它屬性進行查詢；④終端監(jiān)控：對終端的狀態(tài)檢查、遠程開關、車輛外圍設備控制、電機控制器、蓄電池充電信息進行查詢。

3.1.2車輛報警監(jiān)控

車輛報警信息會以推送或通知的形式，提示給監(jiān)控端用戶，用戶可以根基報警提示看到車輛的各種異常情況。主要功能如下：①區(qū)域駛入報警：駛入指定區(qū)域報警；②區(qū)域駛出報警：駛出指定區(qū)域報警；③超速駕駛報警：車速超出設置的最高限速時報警；④疲勞駕駛報警：單次連續(xù)駕駛時間超出最大設置時長將報警；⑤異常車況報警：車輛的蓄電池容量、散熱器水溫、制動片厚度等車況信息超出設定值時報警。

3.1.3監(jiān)控車輛管理

監(jiān)控端可以點名車輛，查看車輛坐在位置，跟蹤車輛的全部形式參數(shù)等信息。主要功能如下：①車輛點名：單次呼叫車輛立即上傳一次車輛需要監(jiān)控的信息；②車輛定時跟蹤：接收由車載終端按指定時間間隔上傳需要監(jiān)控信息；③車輛定長跟蹤：接收由車載終端按車輛行駛指定距離上傳監(jiān)控信息。

3.1.4電子地圖

電子地圖是GIS系統(tǒng)的功能基礎。主要功能分為電子地圖配置管理和基礎功能。

1）電子地圖接口配置管理：定義不同是地圖服務商的接口；目前使用百度地圖。

2）電子地圖基礎功能。地圖縮放：地圖的放大縮小功能；地圖漫游：對地圖進行移動等操作；地圖圖元：查詢地名、建筑物等信息；地圖鷹眼瀏覽：通過鷹眼地圖定位地圖；地圖定位：顯示定位的中心、經(jīng)緯度定位、高度標注；地圖測距：測量兩個地圖位置的路徑距離。

3.1.5系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理是對移動端參數(shù)和權限的管理。主要功能如下：①用戶管理：管理中心系統(tǒng)的操作用戶，對用戶名、密碼、真實姓名、Email、在職狀態(tài)等信息進行登記和修改操作；②數(shù)據(jù)管理：生成圖片文件備用，從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)操作；③加密設置：設置私人加密密碼；④版本控制：更新軟件版本。

系統(tǒng)管理主要功能界面圖如圖3所示。

圖3　　系統(tǒng)管理主要功能界面圖

3.2無線診斷車載終端硬件設計

新能源客車無線診斷硬件設計主要包括CAN通信模塊、Wi-Fi通信模塊、SD卡讀寫模塊、IC卡讀寫模塊、USB讀寫模塊、時鐘電路模塊、電源模塊、硬件看門狗模塊。如圖4所示。

圖4　　新能源客車無線診斷硬件設計框圖

1）CAN通信模塊設計：CAN通信模塊采用汽車級的高速CAN收發(fā)器，完全符合ISO11898標準低功耗模式，可通過總線喚醒，預留兩路CAN接口，波特率設置可選250kb／s和500kb／s。

2）Wi-Fi模塊設計：采用基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡標準的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP／IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、無線網(wǎng) （Wi-Fi）2個接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；符合IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b等無線標準；實現(xiàn)Wi-Fi無線接入點／無線路由器2種工作模式的自由切換。

3）SD卡讀寫模塊設計：ARM7芯片自帶SD卡接口，數(shù)據(jù)以文件形式存儲；存儲的數(shù)據(jù)有時間標識；SD卡內(nèi)存滿后，最新接收的數(shù)據(jù)填充代替接收時間最早的存儲文件數(shù)據(jù) （滾動存儲）。

4）電源模塊設計：滿足9～36V輸入，采用隔離的電源模塊，解決通信、數(shù)據(jù)處理及無線發(fā)送的電源問題，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，滿足汽車電磁環(huán)境。

5）USB讀寫模塊：ARM7芯片自帶USB接口，完全符合USB2.0規(guī)范 （全速）；支持32個物理 （16個邏輯）端點；支持控制、批量處理、中斷和同步端點；可在運行時對端點的實現(xiàn)進行升級；支持在所有非控制端點上進行DMA傳輸；允許在由CPU控制和DMA模式之間進行動態(tài)切換；在批量端點和同步端點上實現(xiàn)雙緩沖［3］。

4　移動終端顯示軟件

移動顯示終端軟件設計了PC版、手機版、Pad版等不同版本，由于PC版本功能最全，本文主要介紹PC版軟件。

4.1無線診斷系統(tǒng)PC機版軟件功能介紹

新能源客車無線診斷系統(tǒng)PC機版本軟件主要功能包括終端時間同步、故障消息清除、診斷信息顯示、診斷信息存儲、日志信息查詢、SD卡／U盤數(shù)據(jù)導入等功能。如圖5所示。

圖5　　無線診斷系統(tǒng)PC機版軟件功能框圖

1）終端時間同步功能：無線車載終端自帶的RTC時鐘系統(tǒng)有累計誤差，為保證時鐘的準確性，每次無線車載終端和PC機或筆記本電腦通信時，新能源無線診斷軟件會自動校準無線車載終端的時間。

2）故障信息清除功能：當新能源客車發(fā)生故障時，故障碼會繼續(xù)存在于車載診斷系統(tǒng)的地址中，有時為了調(diào)試需要清除故障碼，這種情況下可以利用PC版軟件的故障清除功能進行清除。

3）診斷信息顯示功能：當無線車載終端和PC機或筆記本電腦通信時，PC版軟件可以實時顯示新能源客車的故障信息和重要參數(shù)，供相關人員參考。

4）診斷信息存儲功能：無線車載終端通過Wi-Fi網(wǎng)絡傳送到PC機或筆記本的數(shù)據(jù)可以以預設格式存儲在數(shù)據(jù)庫中，相關人員可以從數(shù)據(jù)庫中導出人眼可識別的數(shù)據(jù)格式。

5）SD卡／U盤數(shù)據(jù)導入功能：無線車載終端沒能及時通過Wi-Fi上傳的數(shù)據(jù)會連同時鐘信息循環(huán)存在SD卡中，SD卡中的數(shù)據(jù)可以直接導入或通過U盤轉(zhuǎn)存到PC機版本軟件的數(shù)據(jù)庫。

6）日志查詢功能：相關人員可以查看PC機版軟件的日志記錄，包括PC機版軟件連接過的無線車載終端的SSID、車輛車工號、最后連接時間等數(shù)據(jù)。

4.2無線診斷系統(tǒng)PC版軟件設計介紹

PC機版本軟件主要由通信模塊、解析模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)展示模塊、圖表展示模塊、日期同步模塊、日志展示模塊等構成。其框圖如圖6所示。

圖6　　無線診斷系統(tǒng)PC機版本軟件設計框圖

1）通信模塊：主要負責無線車載終端和PC版軟件的連接管理和數(shù)據(jù)傳輸，包括Wi-Fi連接和數(shù)據(jù)傳輸，SD卡連接和數(shù)據(jù)傳輸。由于數(shù)據(jù)通信頻率高、數(shù)據(jù)量大，因此我們自定義了高速緩存模塊來解決這個問題。

2）解析模塊：主要負責按照制定通信協(xié)議解析接收到的數(shù)據(jù)，把解析后的數(shù)據(jù)提供給存儲模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、圖表展示模塊、日期同步模塊、日志展示模塊。由于解析模塊需要同時進行多種工作，因此采用多線程模式來解決這個問題。

3）存儲模塊和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：主要負責把解析模塊解析出來的數(shù)據(jù)按照預設格式存儲到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用H2數(shù)據(jù)庫。H2數(shù)據(jù)庫具有很多優(yōu)點，是開源數(shù)據(jù)庫，沒有版權限制；采用java編寫，因此不受平臺的限制；提供了一個web控制臺用于操作管理，十分方便；適合作為嵌入式數(shù)據(jù)庫使用，不需要單獨的服務器和客戶端［4］。

4）數(shù)據(jù)展示模塊：當無線診斷模塊通過Wi-Fi連接到無線診斷軟件時，數(shù)據(jù)展示模塊負責實時顯示診斷數(shù)據(jù)、重要參數(shù)等重要數(shù)據(jù)。

5）圖表展示模塊：一些重要參數(shù)可以進行圖表顯示，便于用戶比對。

6）日期同步模塊：當無線診斷車載模塊通過Wi-Fi連接到筆記本或PC機時，如果車載模塊時間出現(xiàn)誤差，PC版軟件會自動校準車載模塊時間。

7）日志展示模塊：日志展示模塊記錄了PC版軟件的使用情況，包括車載終端的連接記錄、出錯記錄、SD卡數(shù)據(jù)導入記錄等。

5　結語

基于Wi-Fi的新能源客車無線診斷系統(tǒng)是由中國汽車技術研究中心汽車工程研究院自主研發(fā)的一項研究，此項研究能有效地對新能源車輛進行診斷，滿足實際使用的要求。Wi-Fi技術的應用使得中遠距離數(shù)據(jù)診斷得以實現(xiàn)，解決了大多數(shù)診斷儀基于硬線或者短距離無限數(shù)據(jù)通信的問題，并且較無線通信網(wǎng)絡而言則又節(jié)省了網(wǎng)絡成本。此套系統(tǒng)已在多個大型整車廠應用，比如宇通客車。研制基于Wi-Fi的新能源客車無線診斷系統(tǒng)有十分重要的推廣意義。

參考文獻：

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［3]趙軍，李先華.基于移動通信網(wǎng)絡無線定位技術的原理及應用［J］.測繪科學，2002（3）：48-51.

［4]羅振璧，盛伯浩，趙曉波.快速重組制造 ［J］.中國機械工程，2000，11（3）：300-303.

（編輯心翔）

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）01－0017－04

收稿日期：2014-08-30；修回日期：2015-06-18

作者簡介：陳祥威 （1989-），男，碩士，研究方向為汽車電子、汽車新能源；王文揚 （1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向為汽車電子、汽車新能源；王旭 （1980-），男，碩士，高級工程師，研究方向為汽車電子、智能交通、汽車新能源、車聯(lián)網(wǎng)；陳正 （1987-），男，碩士，工程師，研究方向為汽車電子、汽車新能源。

On Wi-Fi Diagnostic System for New Energy Bus

CHEN Xiang-wei，WANG Wen-yang，WANG Xu，CHEN Zheng
（Automotive Engineering Research Institute，China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300，China）

Abstract：The Wi-Fi technology realizes data diagnosis of long-distance，which solves the problem that most diagnostic equipments rely on hard line or short-range wireless communication.The function and composition of the Wi-Fi diagnostic system for new energy bus is briefly introduced here with its software and design，emphasizing on the systematic composition and function analysis of its vehicle terminal and display terminal.

Key words：new energy bus；wireless diagnosis；monitoring system；Wi-Fi communication