基于物聯網的汽車智能管理系統的開發與設計

紀文煜

(無錫南洋職業技術學院汽車工程與管理學院 江蘇省無錫市 214081）

1 引言

在當前物聯網技術快速發展的背景下，物聯網行業需求以及用戶體驗急需升級、完善，從挑選典型產品進一步實現智能化過渡到小型本地系統，整體智能化到最后實現不同場景下物品的無縫連接，即物物連接。作為傳統物聯網的重要領域，即汽車行業和智能技術這兩個領域發展相對完善，尤其智能交通工具不僅是簡單代步，人們更傾向于地域跨越平臺，使用各種交通工具以達到目的地，在快速移動時能夠感知不同信息處理。當前，移動交通占據人們大量的時間，也是人們日常生活的重要構成，人們生活已不再局限于辦公室，家庭等小區范圍內，通過交通工具可實現跨省份、跨國界的節奏成為常態，更多人希望通過將固定的家庭生活以及移動交通工具融合，隨時隨地通過移動客戶端來查看汽車運行信息，并進行信息處理，實現遠距離問題解決。本研究提出新型的智能汽車管理系統，其能夠滿足人們對智能出行的需求，同時，借助物聯網用于不同場景需要是符合未來發展趨勢的，同時對于云服務器所儲存的信息進行挖掘分析，利于政府和有關部門的決策制定，能夠為企業帶來良好的經濟效益，促使智能產品汽車銷售，維修，尤其是運營商流量管理等市場提升。

2 系統總體架構

2.1 物聯網架構

在我們日常生活中物聯網技術發揮著重要作用，在智慧交通，智能家居，安全防控等方面獲得廣泛應用。物聯網從一定程度上來看是指借助傳感器設備，全球定位系統，激光掃描器等多種傳感器，其通過互聯網遵循一定的標準通信協議，以實現物與人，物與物之間的信息交互，更好地實現對物體的監測，識別，控制。早期是在1988年由美國麻省理工學院提首次提出物聯網概念，之后衍生了物聯網構象。美國AUTO-ID 闡明物聯網是基于信息編碼，射頻識別，物聯網技術上對事物的智能化控制。物聯網的框架是由以下幾個層次構成的，其中感知層主要用于感知被測物理量和信息采集，網絡層主要包括延伸專用、電信網，完成信息的交互和傳輸，應用層主要用于程序代碼的存放與完成，信息處理以及解析，更好的實現對系統的遠程智能化管理，滿足用戶的使用需求。

2.2 Zigbee以及5G無線通信網絡

Zigbee 無線通訊網絡是一種短距離無線通信技術，是于新工業時代開展的，隨數字通信技術發展，Zigbee 與Wi-Fi 逐漸進入人們的日常生活中。無線電波是信息傳輸的主要媒介，也被認為是短距離通信的介質，其具有相對穩定的傳輸信號。目前Zigbee 無線通訊網絡能夠支持65535 個節點，在其網絡覆蓋條件下節點之間可實現通信互聯。在汽車系統應用過程中為延長通信距離，需要在cc2530無線通訊模塊中進一步強化功率放大芯片，延長節點通信距離，使其達到1km 以滿足汽車通信需求。Zigbee 是基于IEEE802.15.4 標準面向信息化以及遠程智能控制工作，在2.4GHZ 頻段的技術，是實現自組網近距離無線通信協議，具有良好性能，功率低，數據穩定傳輸等特點，也是目前短距離通信的重要設備。在設計的過程中，可將cc2530 將其作為Zigbee 無線通信芯片，隨Zigbee 技術以及通信協議規范的發展，該通信方式成為了智能汽車的發展趨勢。5G是基于GSM 網絡前提下搭建的遠距離通信網絡，具有流量耗費低，覆蓋范圍廣，信息傳輸穩定等特點，能夠借助TCP/IP 通訊協議，花費較短時間響應，并且能夠實現永久在線，將多種網絡傳輸技術實現數據融合，在遠距離通信過程中可利用全國范圍內的GSM 網絡，實現信號穩定傳輸，因此5G 無線通信也被稱為是遠距離通信的重要方式。

2.3 系統總體設計

從整體上來看，汽車管理系統在設計時是以物聯網作為背景研發的，能夠將車聯網和汽車實體進行融合，這也是一種新型創新模式，且能夠在低成本和簡單技術應用上來實現。因此在系統總體框架設計過程中，應當使用低成本，易實現的方式來實現系統設計，進一步達到對汽車狀態的實時管理，如圖1 所示為智能系列管理系統總體架構模式以及模塊之間的通信協議。

圖1

上述兩個子系統可分為三層架構體系，在傳感器中采集數據，應用技術不同。在家庭子系統中能夠借助Zigbee 技術實現數據收集，在車系統中為能夠節省傳感器成本，可采用ODB 協議可進一步解析ECU 的數據信息，網絡層采用低成本數據傳輸方式，Zigbee網關能夠通過5G 或Wi-Fi 接入家庭路由器，這種情況下，完成Zigbee 協議可轉為TCP/IP 協議，進一步通過互聯網將數據傳送到云服務器中，用戶可實現掌上汽車狀態信息獲取。在汽車上可通過OBD 自帶的LTE 上傳同一云服務器，以實現系統融合。在應用層中僅能夠通過安卓移動客戶端，使用戶通過賬號密碼的登錄，進而實現汽車實時相關信息同步處理。在本系統設計過程中，主要針對傳感層和網絡層進行設計，網絡層可借助現有家庭路由寬帶以及移動流量數據傳輸，使其達到同一云服務器中，具體模塊如下：

（1）調感器，采用FB250X RF 傳感器，其可借助cc2530 芯片并采用一系列的傳感器，包括水浸、可燃氣體。人體紅外、光照等傳感器。緊急求助按鈕，高清視頻監控。

（2）協調器，也就是智能網關，是借助GD32F107 以及cc2530 芯片集成化設計的傳感器，通過cc2530 芯片能夠將數據傳送到zigbee 無線網絡中，而將cc2530 芯片所接受的數據傳送給GD32F107 芯片，進一步將整個協調器連接于路由并上傳到互聯網中，其能夠完成由zigbee 協議轉換TCP/IP 協議的過程。

（3）汽車OBD 模塊，其能夠用于汽車ECU 數據核心模塊解析，OBD 模塊中可插入16 針區OBD 接口，ECU 能夠將整合汽車各種形成數據，將其接入到CAN 總線并將數據傳送給MCU 實現數據解析處理，最終可通過SIM 模塊借助LET 移動流量將數據傳送給云端，以完成數據信息采集。

（4）安卓終端能夠基于Java 語言進一步提取云服務器中的汽車數據，可實現人性化界面設計，包括汽車數據分析，家庭以及家車互聯這四個模塊。

3 系統硬件設計

（1）汽車系統硬件設計。比如主控模塊其常采用STM32F107芯片，但通常GD32F107 系列的芯片具有較多性能優勢，包括豐富的產品和封裝，能夠制成高主頻、flash 集成，更多ADC 點。主控模塊是GD 網關設計的重點，能夠實現汽車無線傳感器網絡與互聯網互聯通信，進一步實現數據傳輸，能夠做到Zigbee 協議以及TCP/IP 協議的無縫轉換，將數據快速傳輸到以太網中，在整個過程中確保數據傳輸的高效性，穩定性，可靠性，同時利用GD32F107芯片將其作為處理器，ARM CM3 內核的頻率最高可達到72M 赫茲，其擁有60 和100 針兩種管腳配置，含有多種封裝方式，能夠支持SWD 以及JTAG 調試接口，擁有十個定時計數器和14 個通信接口。在網絡模塊設計中，采用由美國SMSC 公司所生產的LAN8720A，以太網協議芯片，該芯片能夠集成以太網phy，Mac 層以及TCP/IP協議棧，其具有低功耗和低能量探測功能的待機模式，其廣泛應用于商業和工業領域中，整個網絡模塊的電路由四個部分構成。在供電模塊設計中，要求電源模塊能夠同時提供給以太網模塊，Zigbee射頻模塊以及GD32F107 主控模塊。在指示燈電路設計過程中，網關中含有不同類型的指示燈，在運行過程中可通過指示燈來查看網關的運行情況，包括Wi-Fi 指示燈，正常運行指示燈，Zigbee 數據指示燈以及網絡連接指示燈。

（2）傳感器子系統，在汽車無線網絡子系統中傳感器子系統是最底層的數據收集系統，在硬件設計時采用Zigbee 模塊，串口連接不同類型的傳感器，能夠將所采集的數據傳送給GD 網關中。傳感器是由三個節點部分構成的，包括傳感器模塊，底板供電模塊以及Zigbee 射頻模塊，其中傳感器的節點所使用的Zigbee 模塊其是于GD 網關的Zigbee 模塊設計方式基本一致的，但唯一不同的是增加了傳感器模塊，其可在汽車任意部位放置傳感器節點。在設計傳感器節點電源供電時，可以選擇直流電源供電或電池模式，由于傳感器網絡屬于低功耗設備節點，在未啟動時可進入休眠狀態，在使用電池時可提供較長時間運行。傳感器模塊可以滿足汽車需要檢查的任何信息，包括溫度，濕度，氣體排放量等，傳感器的底板能夠集成按鍵，傳感器接口，電位器，電源接口，JTAG 接口以及時鐘模塊，外擴存儲存模塊等。在硬件設計過程中可以將GD32F107芯片作為網關，控制單元主芯片主要用于以太網協議LAN8720A轉換芯片的控制，傳感網絡終端節點能夠將所采集信息通過網關Zigbee 射頻協調模塊收集之后，進一步通過串行接口將其傳送給CPU，而CPU 可通過地址數據總線控制器寫入到以太網芯片，以太網的芯片接收數據之后，能夠將原有GD 數據打包為以太網協議包，通過網絡連接傳送給互聯網，同時從互聯網打包到并傳送給主控GD32F107，主控模塊可執行一次讀數操作，并將所讀信息通過Zigbee 射頻模塊傳送給Zigbee 業網絡子節點以實現Zigbee 網絡與互聯網絡的數據傳輸。在這一過程中，網關協議能夠實現Zigbee數據報文以及以太網報文的雙線轉換。比如，當Zigbee 一端能夠接收發往以太網端Zigbee 數據包時，此時網關路由表控制層進入到ARP 解析，確定并轉發給以太網網絡地址，進一步生成TCP/IP數據包，經過TCP/IP 物理層能夠將其包裝到以太網中，進而實現由Zigbee 一端向以太網端的數據有效傳輸。

（3）OBD 子系統，從該系統的運行原理上來看是通過安卓客戶端通過信息交互，從汽車獲取數據進一步完成數據無線傳輸分析處理的，相關功能如下所示為OBD 系統的整體設計方案。

該系統采用集成封裝ELM327，包括復位電路，供電電路，晶振電路，藍牙模塊，I/O 模塊，CAN 通信模塊以及OBD 接口電路等。其中ELM327 是RS232 端口和車載診斷的重要通信橋梁，能夠通過AT 指令進一步完成其與汽車之間的數據轉換。以實現對汽車運行情況的故障簡測解析，確保乘車人員的安全性。在本系統中OBD 的硬件采用雙層板的結構設計模式，能夠直接集成OBD 接口電路，底面可選擇ELM327 芯片進一步對汽車區OBD 數據的實時解析，將配置基于STM32F107 高速CAN 數據感知硬件，頂層可接有SIM 卡，通過移動網絡即5G 進行數據上傳。如圖2 所示。

4 系統的軟件設計

從APP 的應用程序開發上來看，對于路途信息板塊的功能實現其采用高德地圖SDK 基礎地圖，導航，定位這三個模塊。基礎地圖在實驗過程中可通過map view 控件進一步顯示，，而在activity 的oncreat 函數實現初始化map view 設置地圖參數。如圖3所示為路途導航的關鍵實現代碼。

完成定位之后可設置Latlonpont 對象經緯度，并進一步調用函數更新目前的位置信息以及地圖界面顯示情況，切換地圖模式時需要調用amap 中setmaptyp 方法，共有四種地圖模式，包括衛星，矢量，夜景和導航地圖。搜索位置時，當用戶輸入信息之后可調用Poisearc 中的query 方法進行位置信息查詢，點擊選擇地點將其設為目的地，則能夠調用方法路徑并調用高德地圖進行汽車行駛導航。整個APP 采用上下結構設計模式，其中上部分包括位置信息和天氣信息，而下部分包括不同模塊的信息，其能夠采用線性布局的模式，屬于縱向布局方向。其中天氣和位置信息采用線性布局，水平布局能夠保持整個界面布局的簡潔性，通過includ 標簽進一步引入模塊代碼。GD 采用高的定位SDK，能夠在home activity 初始化時初始化對象并調用函數設置監聽器，進一步獲得汽車的定位結果，如果定位準確則能夠返回定位對象獲取目前城市信息，根據城市是信息進一步調取當前天氣，成功獲取天氣氣后則會調用接口方法，設置天氣并將其顯示到界面中，進而能夠完成天氣和定位信息獲取，需要注意的是，在位置信息獲取是需要對權限進行處理。針對GD網關子程序來說該程序可實現雙向數據傳輸，系統能夠接受由用戶從云端所發來的數據并完成數據解析處理，之后可將所解析的指令通過串口進一步發送給協調器，由協調器將數據通過zigbee 網絡發送給設備。最后由該設備執行對應的動作，該設備能夠將報警記錄通過zigbee 網絡傳送給協調器，協調器所采集的數據通過串口發送給GD32F107 系統解析數據之后，并且將解析的數據發送到云端，通過云端將數據發送給用戶，進一步實現數據采集上傳。

圖2

圖3

5 系統測試

汽車子系統采用OBD 模擬器以實現車輛CAN 總線協議模擬，該模擬器能夠實現不同功能，通過實時LCD 顯示各種參數，該系統具有六個模擬按鈕，能夠分別對汽車的六個重要數據進行有效調節，其中氧傳感器值為0-1V，發動機轉速為600-7000rpm，進氣管絕對壓力為20Kpa-101Kpa，汽車行駛速度為0-260Km/h，發動機冷卻液溫度為-40-120℃，空氣流量為0-30g/s。針對單獨DTC 開關能夠控制模擬并生成DTC 錯誤碼，能夠用于支持多種協議。汽車子系統的無線傳感器網絡是由地理坐標，汽車行駛速度，水箱溫度，故障碼，里程數，油耗數構成的，該系統具有實時跟蹤并反饋汽車運行情況的能力，利于車主及時進行汽車維修保養，可顯著提升行車的安全性，能夠使人們出行更加安全，通過對各種類型傳感器的功能測試，其符合設計需求并且各項功能能夠實現正常運行。

6 結語

本研究中基于對Zigbee 技術，安卓系統理論研究開展實驗，設計符合實際應用的智能汽車管理系統，實現汽車信息實時管理。闡述了整個智能汽車管理系統所需要的關鍵理論技術即Zigbee 技術，該技術是家庭無線傳感網絡的重要支持，設計智能汽車管理系統，研究z-stck 協議棧，通過移植協議棧的方式將其轉移到cc2530 芯片，進一步實現Zigbee 模塊，無線數據通信，并且使用GD32F107嵌入主控芯片，可設計Zigbee 協議和TCP/IP 協議的無縫轉換，利用C 語言編程以實現芯片外圍設備驅動，同時可利用OBD 模塊連接汽車CAN 總線，可解析ECU 汽車數據。本研究通過對基于物聯網的汽車智能管理系統進行反復測試，該系統能夠實現對汽車數據的遠程監控，具有易于移植和良好的通用性，能夠在安卓操作平臺中使用，表明該系統具有較高的市場應用價值。