一種新能源汽車遠程監測平臺車載終端軟硬件設計

耿黃政

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，實現對新能源汽車的監測和管理。車載終端通過車輛的OBD接口進行采集，車載終端在遠程監測平臺系統里面起著決定性的作用。闡述一種新能源汽車遠程監測平臺車載終端的軟硬件設計，可以支持新能源汽車遠程監測平臺實現，可以實現對新能源汽車的監測和管理。

關鍵詞：新能源汽車;車載終端;軟硬件設計;云平臺

中圖分類號：U469.7

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.056

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主要由車載終端、云平臺、管理系統三個子系統組成。對于新能源汽車，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。

2 遠程監測平臺車載終端

車載終端的主要功用是實現車輛自組織網絡上承載的車輛信息與外界數據的交換，其能否準確、實時地采集到車輛的相關數據信息，將會極大地影響遠程監測平臺功能的實現。汽車上的各個功能及各種電子控制系統都是由諸多的電控單元（ Electronic Control Unit'

ECU）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110個節點和500m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。

出于對功能性和成本的綜合考慮，車載終端采用的主控芯片數據處理和計算能力都有限，采集到的車輛相關數據在車載終端內部只完成組包的工作，以TCP/IP傳輸協議中的標準字段形式上傳到云平臺，交由云平臺后端進行解析和處理。數據組包的發送周期需要滿足國標規定的實效性要求，同時要考慮其工作模式和成本，在滿足功能的前提下盡可能壓縮其成本。

車載終端作為移動終端，其工作環境隨車輛的運行不斷發生變化。由于車載終端是主要通訊設備，必須有通訊網絡的加持，而不同的運行環境難免存在無信號的情況。因此，車載終端須具備存儲本地存儲功能，在通訊條件被阻塞的情況下，將采集到的車輛數據存儲在本地存儲設備中，待通訊信號恢復后再向云平臺發送未上傳的數據包。車載終端的軟硬件設計決定了新能源汽車的遠程監測能力。

2.1 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。恩智浦公司（ NXP）推出的S32K系列微控制單元符合AEC-QIOO規范，是一款基于32位Arm Cortex-M4F和Cortex-MO+內核的微控制單元，其具有可擴展性強的特點，并集成ISO CAN FD、SSEc硬件安全、ASIL-B IS026262功能安全及超低功耗等性能。同時，其配套有完善、免費的量產級軟件開發套件和S32 Design Studio IDE。因此，本文采用FS32K146作為車載終端的主控芯片。

CAN通信模塊承擔著車內網絡數據與外界交換的任務，由于FS32K146已集成了LIN控制器以及CAN控制器，因此，只需要在此模塊中添加CAN收發器來轉換CAN總線與CAN控制器之間的電平。而對于LIN總線的通信，同樣預留了LIN收發器的接口，為后期進行平臺功能的延伸，拓展類似遠程開關車鎖、車窗、車燈等功能提供了可能。本文采用型號為TJA1027T的LIN收發器，以及德州儀器公司推出的型號為TCAN334G，具備CAN FD（靈活數據速率）的3.3V CAN收發器。其具有3.3V單電源運行、數據傳輸率高達5 Mbps、較小的封裝尺寸等特點，并能在較寬的環境溫度范圍內工作，符合對性能和可靠性的要求。

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。EC20 R2.1是一款帶有分集接收功能，支持五種制式和多種網絡數據連接的無線通信模塊。同時，還能在特定的應用場景為客戶端提供全球導航衛星系統和語音功能。由于該模塊已集成GNSS功能，車載終端內部就不需要額外加裝獨立的定位模塊，降低了電路板設計的復雜性。但EC20模塊的GNSS引擎在出廠設置下是默認關閉的，需要在后臺使用AT指令將GPS信號輸出口打開，以激活其GNSS功能。

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。若需要存儲新的類型數據或大體積數據，可更換大容量SD卡或者讀寫速率更快的閃存芯片。

車載終端從車輛OBD接口汲取電量，電源模塊不僅承擔電池電量的存儲，還要實現供電的降壓和穩壓，以實現各模塊的穩定供電。本文采用SGM4056、XC62IOB332MR、MP24943DN、MP2143四款電壓控制芯片，運用二級降壓的模式，先將電壓降至5V，后降至3.8V和3.3V，為各元器件提供工作電壓。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，此款加速度計有±6 9的動態感知范圍，彈性采樣率覆蓋于1- 100 Hz，符合車載終端的功能需求。

2.2 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個部分的功能。

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，以及定位模塊生成數據的采集。車輛數據采集功能的實現過程，首先依靠對CAN控制器的初始化、配置寄存器等操作，搭建車載終端與CAN總線間的通信通道;之后根據在CAN2.OB協議基礎上定制的SAEJ1939協議中對數據鏈路層、網絡層和應用層方面的要求，通過向車載CAN總線發送數據幀請求，總線單元隨即發出帶有標識符的遠程幀，請求發送具有同一標識符的數據幀，最后接收車輛各ECU返回的數據幀。

而對于車輛的定位數據采集，利用的是EC20芯片中內置的GNSS功能。由于EC20無線通信模塊中的GNSS引擎是默認關閉的，需要進行使能操作才可以進行功能激活，因此，首先需要在openwrt上利用AT指令后臺開啟GPS信號輸出口;之后將NMEA通訊協議作為軟件程序設計流程的參照依據，進行對應的程序編譯操作;對定位模塊進行初始化即串口的初始化設置，開外部中斷等待數據的接收;當接收到采集數據幀時，識別起始3個字符為$GN的幀，將其接收并存人緩存區;在緩沖區中判斷是否為GPRMC精簡語句，通過驗證則根據應用的需要對其進行解析，提取如時間、日期、速度、經緯度等數據信息;通過USB串口將采集的定位數據信息交由主控芯片，與采集的車輛相關數據共同完成組包。

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。依然使用AT指令完成EC20無線通信模塊的聯網，設置接收數據的服務器主機IP和端口號，搭建數據通信的橋梁，完成在云平臺服務器上的登錄操作以及與服務器的連接后，隨即按照TCP/IP協議要求將已組包的并存儲于SD卡內的數據包發送至云平臺;當接收到服務器返回的數據接收確認信息時，斷開與平臺的連接，等待下次數據上傳。

由于不同運行環境的網絡狀況具有差異，車載終端會出現于云平臺服務器連接失敗的情況，進而導致該時段的實時數據無法上傳，此時按照GB/T 32960中的要求，每間隔1 min重新嘗試連接及發送數據，連續重復3次無應答或返回錯誤值，間隔30 min后繼續重連直至完成補發，補發數據在發送實時數據的空閑時間內完成;當出現3級報警時，上報故障發生時間點前后30 s的數據且信息采樣周期不大于1s，以補發數據的形式發送。

本地存儲部分主要功能為數據包的備份與暫存。根據國標要求，車載終端不僅需要將按照固定時間間隔采集到的實時數據保存在內部存儲介質中，并保存7d，還需要將因網絡通信異常而未發送的數據進行存儲，以便后期補發。因此，本地存儲部分的主要軟件功能是Flash刷寫。由于SD卡是集成了管理系統的Nand Flash芯片多層疊加，且自帶了驅動程序，其刷寫方法具有通用性。因此，本文不再對本地存儲的刷寫流程進行設計。

3 結束語

車載終端的主要功用是實現車輛自組織網絡上承載的車輛信息與外界數據的交換，其能否準確、實時地采集到車輛的相關數據信息，將會極大地影響遠程監測平臺功能的實現。車載終端的軟硬件設計決定了新能源汽車的遠程監測能力。本文闡述的車載終端的軟硬件設計，在經過了一系列的與遠程監測平臺融合測試后，可以運用于新能源汽車遠程監測平臺，可以實現對新能源汽車的監測和管理。

參考文獻：

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