面向智能網聯需求的商用車車載終端開發及應用

安徽江淮汽車股份有限公司 李霞 彭宏偉 杜文龍

根據商用車車載終端的設計開發經驗，結合汽車智能化、網聯化的發展方向，提出了面向智能網聯應用需求的車載終端開發及應用方案。通過確定車載終端的應用場景，識別出具體的功能需求項，從終端硬件選型、軟件開發、整車網絡布置、功能驗證及測試幾個方面進行說明，完整呈現了商用車車載終端從開發到應用的全過程，并以某車型終端開發應用為例進行舉例說明。

隨著我國經濟的高速發展，國內汽車的保有量也極大提升，人們也越來越關注車輛信息和路況信息等，汽車用戶需要一個更加智能、安全、舒適的駕駛環境。與此同時，80后、90后等青年群體逐漸成為主力用車群體，其對網絡服務的依賴性愈加強烈，汽車的智能化、網聯化程度越來越高，汽車即將成為繼電腦、手機之后最重要的移動終端。目前，汽車80%的創新點來自于汽車電子，汽車技術研發的中心也由內燃機階段過渡到電子設備研發、智能網聯研發、大數據應用等領域[1]。

智能網聯汽車通過車載傳感器、控制器和多種執行器實現復雜環境感知、智能決策、自動控制等多種功能，使車輛與外部物體實現信息共享與控制協同。作為汽車行業和信息通信行業跨界融合的重要載體和典型應用，智能網聯汽車作為汽車發展的必然方向，也是未來國際汽車市場的重要競爭領域之一，而車載終端作為車輛與外界網絡之間的連接橋梁，它直接連接了用戶、車輛和云服務，在網聯化應用中具有舉足輕重的作用。

商用車相較于乘用車來說其信息化水平整體偏低，但是商用車的車聯網功能卻是用戶比較關注和迫切需求的。同時，隨著重型商用車排放標準升級和整車電子配置逐步增多，車載終端在商用車領域的應用也越來越廣泛。為了更好地應對法規要求，解決商用車客戶比較關注的實際使用問題，本文提出面向智能網聯需求的車載終端設計方案，通過構造一個擴展性強的車載終端CAN網絡布置方案，使其能夠滿足商用車智能化、信息化的需求，可以快速應用于不同系列的車型。

商用車車載終端開發

1.應用現狀

車載終端又稱T-BOX（Telematics Box），是指安裝在汽車上用于控制跟蹤汽車的嵌入式系統，包括GPS單元、移動通信電子處理單元、微控制器以及存儲器。車載終端是汽車網聯化的基礎硬件，是車內網、車聯網平臺、法規監控平臺、智能交通網等互聯互通的核心樞紐。2015年以來，國內外多家IT公司、互聯網巨頭和整車企業紛紛啟動汽車網聯化項目，跨界合作推動汽車智能互聯化開發，這些戰略合作既促使車企推進網聯化開發進程，亦使互聯網廠商搶占新的移動入口。大量事實表明，汽車已經從傳統的獨立終端開始向互聯網大數據的一個組成部分、一個移動終端入口轉變[2]。

隨著智能網聯開發進程的加速推進，車載終端也成為各個廠商的標配。目前車載終端的安裝形式分為前裝和后裝兩種，前裝主要以T-BOX的形態布置在整車電氣架構中，后裝則通過OBD接口連接衍生設備的形式實現。相比于后裝，前裝擁有更加全面的整車原始數據信息，便于挖掘和滿足客戶更加多變的使用需求，有利于產品標準化的開發[3]。因此，在商用車市場中，車載終端的前裝形式逐漸占據了主導地位，成為提升車輛智能化、網聯化的重要手段之一。

2.設計原則

為滿足車輛互聯的需求，車載終端的設計側重點與傳統的控制器有所差異，一般遵循的設計原則有如下幾點：

2.1 準確性

網聯汽車的整車原始數據需要通過車載終端從CAN總線獲取，并按照特定的傳輸協議進行取值、換算、排列、填充之后，再上傳至平臺服務器，從原始數據到平臺可識別的數據流之間經過了較多的計算環節，因此確保數據真實準確的上報是車載終端設計開發的第一要素。

2.2 可靠性

車載終端內置定位模塊、通信模塊、wifi模塊以及多種I/O接口，設備工作時會受到GPS信號強弱、網絡信號強弱和SIM卡流量限制等多重影響，因此在功能開發設計時，必須要考慮多種失效情況，確保終端工作的可靠性。

2.3 可擴展性

為滿足用戶不斷更新變化的網聯應用需求，車聯網平臺基本上以每月一次的頻率在進行升級更新，與之對應的車載終端也是整車中升級更新最為頻繁的控制器，功能可擴展性也是終端設計開發的重要原則。

2.4 高性能

因為涉及到后期的車機互聯、人車互聯、車車互聯等對通信實時性要求較高的需求，所以盡可能地提高系統的處理速度和通信速度就顯得尤為重要。在選擇通信模塊時盡可能選擇4G，甚至是5G模組，避免造成通信延時。

2.5 低功耗

商用車的單日工作時長要遠遠超過乘用車，因此功耗問題也是商用車電子單元設計開發著重考慮的指標之一。車載終端作為長時間運行的控制器，在車輛使用過程中是連續不間斷的工作，一般在內部元器件選型時會考慮選擇低功耗的芯片，確保產品滿足低功耗的要求。

3.需求分析

目前，依托于整車廠的正向開發能力和CAN總線的高度集成應用，車載終端的功能得到了較大的拓展，除了車輛位置信息查詢、數據采集和上傳這類基礎功能之外，還涵蓋了遠程診斷、遠程控制、無線接入等拓展功能。在滿足法規要求的同時，結合商用車客戶的實際使用需求，尤其是諸如車輛定位、路線監控、狀態體檢、油耗分析、債權防控等較為強烈的需求，設計的商用車車載終端應具備如下功能項：

a.車輛位置查詢：可以遠程查詢車輛整車信息、衛星定位信息，支持盲區位置信息補傳。

b.狀態信息查詢：由車載終端上傳車輛狀態信息，主要包括發動機轉速、車速、里程信息、油耗信息等，數據更新速率可以按需調節。

c.遠程車控：該功能包括遠程尋車、解鎖閉鎖、升降窗等，遠程尋車時終端發送指令控制車輛閃燈或鳴笛的方式告知車主。

d.車輛體檢：車載終端按照既定的診斷協議對車輛上的其他控制器進行故障診斷，需具備“云診斷”和“端診斷”兩種方式，同時終端應具備內部存儲故障記錄的功能。

e.遠程升級：支持車載終端自升級，由云平臺通過終端對其他控制器進行遠程升級，支持異常存儲機制，存儲空間不小于8G。

f.債權防控：對于通過金融方案購置的車輛，貸款機構或車輛有權人會監控車輛的運營狀態，若發生逾期還款或者偏離既定行駛路線的情況，可以通過TSP平臺發送提醒信息，通知車主及時還款。

g.平臺接入：車載終端應具備多路APN功能，可以同時接入多個平臺，以滿足法規監控平臺的接入需求和車聯網平臺的接入功能。

h.車載網絡：支持作為整車wifi熱點發送端，可以滿足多臺設備同時接入互聯網，可更改wifi開關狀態、名稱和密碼。

i.用車報告：支持燃油消耗記錄、駕駛行為分析、行駛路線回放等。

j.法規監控：支持各項法規和標準要求的數據遠程監控功能，如GB 32960提出的電動汽車遠程監管服務、GB 17691提出的重型柴油車排放監管要求等。

4.功能開發

車載終端需求確認之后，就進入功能開發階段，整個開發流程包括硬件選型和軟件開發。

4.1 硬件選型

典型的硬件系統框圖如圖1所示，主要由全網通通信模組LTE、微處理芯片、I/O接口、3軸傳感器、wifi及USB等功能模塊組成。

圖1 車載終端典型硬件框圖

主要模塊功能簡介如下：

a.MCU主要完成系統的電源管理、外部中斷處理、通信模塊復位及初始化等工作。

b.LTE模塊是全網通通信模塊，該模塊一般會采用經過加密的嵌入式 linux 系統，保證數據通信的安全性，要求可支持中國聯通和中國移動的2G、3G、4G的語音和數據業務，支持中國電信的4 G，支持GPS/Beidou/Glonass。預留兩路 SDIO以作存儲及WIFI等外設的擴展。同時，高速USB2.0 接口用以滿足 AVN 連接需求。

c.GPS是定位模塊，可以通過快速獲取位置信息，實時展現車輛地圖位置、行駛速度、行動軌跡、轉向角度等信息，要求支持GPS和北斗雙模定位。

d.Battery是電池模塊，主要是在車輛掉電情況下給車載終端持續供電，用于緊急救援和道路救援等工況。

e.Flash是一種長壽命非易失性存儲器，又稱閃存，在斷電情況下仍然能保存數據，車載終端通常用Flash來保存各項設置信息和內部操作系統等。

f.G Sensor 采用3軸加速度計，是智能化的重力感應系統，用來采集終端的姿態信息。

g.I/O接口中包括電源模塊、CAN通信模塊、Wifi模塊、藍牙模塊、AD轉換模塊等。

4.2 軟件開發

按照網絡層次劃分，車載終端的軟件開發可以分為應用層、運行框架、動態庫、硬件驅動層。具體軟件架構如圖2所示。

圖2 車載終端軟件架構

車載終端作為智能網聯汽車的聯網設備，擁有很多外部訪問點，并與車輛的CAN網絡互聯互通，將面臨網絡攻擊、信息泄露等安全威脅，具有較高的安全風險。因此，車載終端的軟件開發在實現功能的同時必須系統考慮網絡安全防護措施。常用的安全防護體系包括如下：

a.密碼模塊：可以采用軟硬件結合型或者純軟件型兩種密碼型式，建議使用主流的國際密碼算法或者國密算法。

b.安全啟動：利用信用證形式對啟動序列進行檢查，保證啟動程序完整準確，防止啟動流程被篡改。

c.系統防護：對系統資源采用訪問控制策略，防止非授權進程使用系統資源，避免越權攻擊的風險。

d.接入點安全：對藍牙、wifi等接入點的訪問進行控制，防止非法數據請求和訪問請求進入系統。

e.通信監控：與平臺服務互聯的時候，設備需帶有統一的身份認證密鑰或者密碼證書機制，確保數據準確可靠。

5.車載終端CAN網絡布置

車載終端作為車輛電子控制單元之一，需要接入整車的CAN網絡來獲取大量需要的原始信號數據，如何快速適應不同車型的CAN網絡架構，也是車載終端開發應用的關鍵環節。商用車的網絡架構隨著電氣配置的不同會有較大的變化。配置較低的車型一般采用單網段拓撲形式，配置較豐富的車型考慮網絡負載率的要求可以分為雙網段或多網段兩種拓撲形式，典型商用車CAN網絡的結構形式如圖3所示。

圖3 典型商用車CAN網絡拓撲結構示意圖

對于采用單網段拓撲形式的車型來說，車載終端的CAN網絡布置相對較為簡單，因為需求的原始信號數據都來源于一個網段，終端僅需使用一路CAN通訊接口并接入總線，即可獲得所需的數據，同時也可以下發相關控制指令。

對于采用雙網段或多網段拓撲形式的車型來說，由于總線網絡分為兩段，終端需求的原始信號數據可能來源于不同的網段，如果仍然采用一路CAN通訊接口接入整車總線，隨著終端的持續更新，網關路由會隨之頻繁修改，總線上因網關轉發很多無用報文會導致負載率偏高。例如：終端會從車身段采集車門狀態、燈光狀態、轉向狀態等，也會從動力段采集排放信號、制動信號、變速信號等，還會從網關診斷CAN實現遠程升級信號傳輸。為了將終端更新對整車的影響降到最低，同時具備良好的可擴展性，可采用多路CAN通訊接口接入多個網段，分別實現不同的功能。不同網絡拓撲形式下，車載終端的CAN網絡布置形式如下圖4所示。

圖4 車載終端的CAN網絡布置形式

6.驗證測試

每一項系統專業的開發過程都需要全面系統的驗證測試來支撐，車載終端的開發也不例外，其主要的測試內容包括以下幾方面：

a.基礎功能測試。車載終端首先作為整車上的一個控制器，需要滿足基本的功能，如CAN通訊功能、診斷功能、網絡管理功能等。此類基礎功能測試可以按照通用的規范進行測試。

b.平臺聯調測試。作為車輛與網絡的互聯節點，終端肩負車輛與互聯平臺之間的信息交互任務。除了基礎功能之外，終端與平臺之間的信息交互功能也是驗證測試的重要環節。平臺聯調需要采用實車測試的形式，將完成基礎功能測試的終端裝配到整車上，按照平臺接入協議進行聯調測試。測試內容一般包括：車輛登入、數據上傳、數據補傳、指令下發、車輛登出等。為了驗證終端功能可靠性，聯調測試還會分為靜態測試和動態測試，其中動態測試一般選取高速、國道、省道、隧道、山區等的多種路況進行驗證。

c.法規過標檢測。為了滿足法規標準對車輛的遠程監控要求，商用車的車載終端一般會兼顧法規要求并滿足法規平臺的接入功能。一些法規要求項需要進行過標過檢測試，由管理機構出具測試合格報告，以此作為車輛公告認證的條件之一。例如GB 32960《電動汽車遠程服務與管理系統技術規范》的法規要求，就需要車載終端按照要求與北理工的管理平臺進行過標檢測，終端需要按照標準要求的數據格式，采集車輛總線上的的原始數據，并解析、重組和填充之后上傳至管理平臺，檢測時也會分為靜態測試和動態測試等。

車載終端設計案例

以某重型商用車的車載終端開發應用為例，功能需求定位為滿足車聯網需求，支持遠程車控、債權防控等功能，同時可以滿足法規監控要求。按照功能需求完成車載終端的硬件選型，整體硬件系統如圖5所示。

圖5 車載終端硬件系統選型

具體硬件選型如下：

a.MCU選擇STM32F305系列芯片，該系列芯片是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARM架構微處理芯片，結合平臺設計理念，開發人員可以通過選擇產品可重新優化功能、存儲器、性能和引腳數量，以最小的硬件變化來適應個性化的應用需求，滿足車載終端頻繁優化、快速迭代的使用需求。

b.4G 模塊采用 Telit LE920系列，是成熟的OPEN CPU模塊，無線通信M2M模塊采用兩種最先進的技術HSPA和LTE，是專為汽車應用和其他惡劣應用環境設計開發的模塊。模塊采用高通方案和經過加密的嵌入式linux系統，主頻1.2GHz，可以保證數據通信的高效性和安全性。支持中國聯通和中國移動的2G、3G、4G的語音和數據業務，支持中國電信的4 G，支持GPS/Beidou/Glonass，預留兩路SDIO以作存儲及WIFI等外設的擴展。

c.MIC、WiFi、USB等模塊均采用通用的高速接口與4G模塊連接，確保可以滿足各項功能需求。

軟件采用模塊化設計的思路，終端軟件部分主要分為硬件驅動、中間層各模塊、公用數據池、交互應用模塊四大部分。具體結構如圖6所示。

圖6 車載終端軟件模塊結構示意圖

硬件驅動模塊負責采集硬件電路的輸入信號給中間層模塊，并接收中間層模塊的命令數據轉化為硬件驅動信號，驅動對應的硬件電路。中間層各模塊負責對各硬件驅動的數據進行打包/解包，進行簡單的加工處理，并存放到公用數據池里面，供其他交互應用模塊使用，也實時接收公用數據池中的命令數據，轉化后下發給硬件驅動模塊執行。交互應用模塊通過公用數據池獲取各項數據，按照功能需求進行處理，同時將執行命令打包放到數據池，供中間層模塊獲取并下發。例如，CAN模塊：接收CAN總線數據，提取出我們需要的信息，包括里程信息、車燈狀態、燃油信息（瞬時油耗）、ACC狀態、車門狀態、車窗狀態等車身狀態信息，存儲到公用數據池中，由交互應用模塊獲取后按照既定協議解析、組包并上傳到對應平臺服務器。若平臺有相關指令下發，則通過交互應用模塊將命令數據放到公用數據池，CAN模塊獲取到命令數據后，解析并下發命令到硬件驅動模塊進行指令執行，如遠程尋車指令、遠程車門開關指令、遠程空調開關指令等。

因為應用車型的配置高低差異較大，車載終端在整車網絡上的布置也有所不同，所以本文選取兩個配置的車型進行應用說明。其中一款為低配車型，采用單網段拓撲形式，另外一款為高配車型，因為配置功能較多，采用帶網關的多網段拓撲形式。兩款車型的車載終端CAN網絡布置形式分別如圖7、8所示。

圖7 低配車型車載終端CAN網絡布置

圖8 高配車型車載終端CAN網絡布置

完成功能開發之后的終端進行如下的驗證測試：

a.基礎功能測試：主要完成車載終端通訊功能、診斷功能、熱點功能等。通訊功能測試采用CANoe軟件和示波器等輔助工具進行，主要檢測終端的信號一致和物理層特性，部分測試數據如圖9a所示。

b.平臺聯調測試：該型車載終端接入公司車聯網平臺、遠程升級平臺和法規監控平臺，按照平臺協議逐一接入測試。對于支持APP遠程操作的功能，需要結合APP和平臺服務完成綜合測試。終端以接入法規監控平臺測試為例，通過實車測試的形式進行發動機排放數據上傳測試，平臺接收數據如圖10所示。

圖9 部分測試數據

結語

車載終端作為車輛與外界互聯的載體，在具備汽車電子單元穩定性、可靠性等特性外，還帶有互聯網生態系統特有的直面用戶需求、快速升級迭代等基因。因此，終端在設計開發及應用的過程中，除了滿足現有的汽車電子單元相關開發標準、設計指南和企業規范等，還需要滿足智能化、網聯化相關的協議規范和標準，軟硬件在設計之初就需要預留足夠的升級空間，應對日益升級的使用需求。

圖10 平臺接收的發動機排放數據

總之，在互聯網技術已經滲透到我們生活方方面面的今天，如何將互聯網的信息化和汽車系統相結合，使其更加智能化、實用化、人性化，將是車載終端系統進一步發展的主要方向。