基于物聯網及車聯網的汽車養護預警監測

劉勇良

摘 要：伴隨著科技的進步，物聯網正在迅速崛起并成為現代生活中必不可少的基礎支撐。“車聯網”是一種術語，通常與汽車和其他乘用車相關聯，能夠與后端應用程序進行互聯網連接和各種數據共享。同時，“車聯網”所連接的汽車也可以相互通信，并且可以在某些情況下（如可能的事故等）向對方發送警報。由此，本文討論了“車聯網”的概念及其如何用于執行“預測性汽車維護”，并對如何使用某些技術來實現預測性車輛維護進行了討論。

關鍵詞：物聯網;車聯網;維護預警;智慧城市

中圖分類號：F426.471 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0135-04

Abstract： With the progress of science and technology， the Internet of Things is rapidly rising and becoming an indispensable basic support in modern life. "Vehicle Networking" is a term that is usually associated with cars and other passenger cars， and can be used to connect to the Internet and share various data with back-end applications. At the same time， the cars connected by the "Vehicle Network" can also communicate with each other， and in some cases （such as possible accidents， etc.） can send alarms to each other. Therefore， this paper discussed the concept of "Vehicle Networking" and how it could be used to implement "Predictive Vehicle Maintenance"， and discussed how to use some technologies to achieve predictive vehicle maintenance.

Keywords： Internet of Things （IOT）;Vehicle Networking ;predictive maintenance;intelligent city

目前，大多數消費者和汽車服務公司都在關注汽車的定期維護。在定期維護指南中，通常會建議車主在行駛了特定時間段或距離之后，對車輛進行保養。例如，建議車輛每隔5 000km或6個月（以先到者為準）進行一次保養。緊急保養及維修則是在車輛部件發生故障之后。汽車的定期養護大體如圖1所示。

但是，汽車定期養護也存在缺點，主要總結為以下兩點。

第一，汽車定期養護成本過高。在定期保養過程中，即使車輛部件完好，相關保養人員也會更換部件，而這在一定程度上造成浪費。此外，定期養護實質上并沒有充分考慮汽車的使用環境及行駛工況，簡單的定期養護必然導致部分車輛養護成本過高。

第二，如果某些零部件未完全損壞，暫時工作正常，而定期養護在很大程度上無法檢查出這些可能會導致車輛故障的零部件。而車輛一旦發生故障，就會對車主造成較大的經濟損失。

1 汽車定期維護的替代方法

針對定期養護的問題，本文提出基于傳感器和物聯網的汽車養護預警監測系統，該系統可以收集和分析汽車不同部件的運行狀況，并將數據發送到后臺進行集中管理。在系統中可以進一步分析從聯網車輛中接收的數據。同時，如果需要其他服務，系統還可以向后臺集中管理系統發出服務請求。該系統還可以生成緊急預警，以防止故障的發生，從而避免汽車部件故障[1]。

該系統具有以下幾方面優勢：第一，對汽車部件實行精準監測，實時警告可能出現故障的部件，降低維護保養成本;第二，分析和報告儀表板可用于查看汽車在不同時間段和不同位置的運行情況;第三，可以分析駕駛員的駕駛習慣，并對其駕駛陋習發出提醒。

2 預測性汽車養護的優勢

車聯網可以從安裝在汽車中的各種傳感器收集與車輛部件的健康狀態相關的數據，并通過互聯網將其發送到后端應用程序，用于分析車輛當前狀況。如果某些車輛部件需要進行養護，則后端應用程序中車輛健康狀況監測模塊則會與汽車服務提供商取得聯系，并將實時預警發送給相關方面。這可以大大節省汽車的維護費用。

3 預測性車輛養護技術簡介

3.1 MQTT協議

消息隊列遙測傳輸（MQTT）是一種基于“發布-訂閱”模型的輕量級消息傳遞協議。MQTT使用客戶端-服務器體系結構。其中，客戶端（例如，汽車上的傳感器設備）連接到MQTT服務器（稱為代理）并將消息發布到服務器主題。代理將消息轉發給訂閱主題的客戶端。MQTT適用于設備具有有限的處理和內存資源且網絡帶寬較低的受限環境。

3.2 MQTT詳解

MQTT是一種標準化的發布/訂閱消息傳輸協議。MQTT協議是輕量、簡單、開放和易于實現的，這些特點使其適用范圍非常廣泛。單個MQTT服務器可以支持多達數千個遠程客戶端。MQTT適合在網絡帶寬較低的受限環境中使用，或者對具有有限處理能力和內存的遠程設備提供支持。MQTT協議的發布者可以將消息發送到在MQTT服務器（也稱為MQTT代理）上配置的主題。客戶可以訂閱這些主題，并接收與這些主題有關的消息。MQTT發布及訂閱模型描述見圖2。

雖然MQTT的“發布-訂閱”模型與多數現有的企業消息系統相同，但其優勢主要在于有完全成熟的“企業消息傳遞”系統，且低占用空間，這使其成為開發具有小型傳感器、設備和其他低端設備的物聯網應用的理想選擇。例如，一些社交軟件在移動平臺上使用MQTT作為其消息產品，以確保最小化此應用程序的電池使用。

MQTT協議的優勢為：發布-訂閱模型提供一對多的消息傳輸;網絡連接使用“TCP/IP”協議;支持SSL/TLS安全加密;支持三種消息傳遞模式：最多一次、至少一次以及恰好一次。此三種模式在網絡、發布端或者客戶端故障的情況下依然正常工作。此外，簡單易用的API使開發人員更容易使用基于MQTT的產品;MQTT中的消息很短，最小的數據包大小在2個字節，因此非常適合小型和性能受限的設備;不限數據格式，保障靈活性;異常的客戶端及傳感器會被及時感知;基于MQTT協議的商業及開源產品均可用，其中包括IBM WebSphere MQ v 7.1及以上版本，EclipseIoT Mosquitto，ActiveMQ和HiveMQ。

3.3 Eclipse Mosquitto

Eclipse Mosquitto是一個開源的MQTT代理中轉服務器。Mosquitto基于輕量級MQTT協議，是具有較低處理能力的設備、傳感器和其他物聯網設備的理想選擇。MQTT客戶端可以連接到給定的Mosquitto代理，并發布及訂閱來自主題的消息。

Eclipse Mosquitto主要負責在發布者及發送者、訂閱者及接收者之間提供通信渠道。任何使用Eclipse MQTT 客戶端API的發布者都可以將消息發布到MQTT中轉代理。這些MQTT客戶端應指定要在其上發布消息的主題。這些主題在MQTT代理上配置。任何想要接收消息的訂閱者或接收者都需要訂閱該特定主題。代理中轉的任務是將所有相關主題的消息傳遞給所有感興趣的客戶。由于不同的客戶端（發布者和訂閱者）只需要知道代理中轉及主題的詳細信息，因此兩者都是相互分離的。

3.4 Eclipse Paho

Eclipse Paho是一個EclipseIoT項目，是MQTT協議的實現。Eclipse Paho提供多種語言的MQTT客戶端庫，包括Java/C，C#，.NET和Python。Eclipse Paho還具有MQTT-SN（傳感器網絡）的實用工具。發布者和訂閱者（如圖2所示）都可以使用Eclipse Paho MQTT Client庫提供的API，并向/從MQTT代理（如Eclipse Mosquitto）發送/接收消息。

4 在車聯網中使用MQTT技術的必要性

①適用于低性能設備，如連接汽車上安裝的傳感器。

②支持多種語言，因此兼容性對于汽車制造商的任何現有技術平臺都不會成為問題。

③與經過驗證且采用良好的行業領先的消息傳遞系統（如WebSphere MQ和ActiveMQ）集成。

④消息格式可以自定義，允許制造商定制和創建基于MQTT協議及其規范的解決方案。

5 使用Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho的預測性汽車維護系統架構

①“車聯網”以預定義的格式向Eclipse Kura等物聯網網關發送數據。

②汽車可以使用任何可能的方式發送數據，如通過WiFi、電信服務等。

③物聯網網關將此數據發送到托管在云環境中的基于MQTT的Eclipse Mosquitto 中轉代理（Broker）。

④架構中的控制器節點將對各種設備收集的車輛數據進行預處理及聚合，然后發送到云端。

⑤Eclipse Mosquitto獲得處理后的數據并開始進行數據推送，訂閱者使用Eclipse Paho API接受數據消息。

⑥在進行驗證和數據轉換后，訂閱者可以使用數據集成組件將此消息數據發送到下游應用程序。

⑦對接收到的數據進行實時分析，形成可視化的結果，緊急情況下則發送警報對可能發生的汽車故障進行預警。

系統中的數據流如圖4所示。在現實生活的復雜場景中，架構中可能涉及更多組件，如配置服務、策略管理器、規則引擎等。

6 使用Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho客戶端工具實施預測汽車維護的示例

在本節中將使用Eclipse Paho客戶端實用程序來模擬車聯網，將發送汽車所在的城市（也可以發送確切位置）、速度和當前汽車健康狀況，還包括是否需更換部件。

在真實情景下，車聯網設備首先將數據發送到物聯網網關，如圖3中的架構圖所示。此數據將被處理和匯總，然后再推送到其他下游應用程序。根據實際情況，可以將應用程序設計為基于所接收的數據而采取適當的動作。例如，如果速度過高則發送警報;如果需要更換某些部件或者潤滑劑則預約汽車服務商。

在本文中，筆者使用Eclipse Paho MQTT工具（基于Java Swing的GUI應用程序）模擬車聯網的行為，以連接到Mosquitto服務器，將消息發布到Mosquitto服務器上配置主題內容。訂閱者將收到此消息，并將在GUI中顯示此消息內容。

7 預測性汽車維護的經濟效益

預測性汽車維護可以解決傳統定期汽車維護存在的問題，提高經濟效益。具體優勢如下：①降低服務和維護成本，因為需要更換的部件才會得到維護;②對可能出現故障的部件進行實時預警，從而避免車輛突發故障導致的經濟損失;③可以使用分析和報告儀表板查看汽車在不同時間段和不同地點的狀況;④可以分析駕駛員的駕駛習慣并進行適當的提醒與介入。

8 汽車預測性維護面臨的挑戰

實施汽車預測性維護面臨的挑戰為：①與位置和其他敏感數據共享和傳輸相關的安全問題;②缺乏行業標準;③需要有適當的IT分析系統，這可能涉及巨額成本;④需要在通信、藍牙、WiFi和其他網絡方面實現更好的連接，以便從傳感器傳輸實時數據;⑤所需的傳感器數量較大，購買新車的成本可能會上升。

9 結論

隨著時代的發展，傳統的汽車定期養護在成本、效率、可靠性、環保等各個角度都漸漸凸顯出各種問題，而利用MQTT等物聯網協議實現預測性汽車養護已然成為解決這些問題的關鍵。本文討論了基于物聯網和車聯網的汽車養護預警監測的部分內容，介紹了使用Eclipse Paho和Eclipse Mosquitto實現汽車養護預警監測的系統架構，以及Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho等MQTT協議的具體應用實例，展示了汽車養護預警監測系統的巨大優勢。相信在不久的將來，汽車養護預警監測將逐步替代傳統的汽車定期養護，成為新的行業準則。

參考文獻：

[1]楊曉勤，楊浩. 汽車維修與汽車維修技術網絡服務[J]. 內蒙古科技與經濟，2003（2）：93.