一种新能源汽车远程监测平台车载终端软硬件设计

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　　摘要：新能源汽车远程监测平台实时采集车辆的相关数据信息，实现对新能源汽车的监测和管理。车载终端通过车辆的OBD接口进行采集，车载终端在远程监测平台系统里面起着决定性的作用。阐述一种新能源汽车远程监测平台车载终端的软硬件设计，可以支持新能源汽车远程监测平台实现，可以实现对新能源汽车的监测和管理。
　　关键词：新能源汽车;车载终端;软硬件设计;云平台
　　中图分类号：U469.7
　　文献标识码：A
　　DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.056
　　1 新能源汽车远程监测平台架构
　　新能源汽车远程监测平台主要由车载终端、云平台、管理系统三个子系统组成。对于新能源汽车，车辆相关实时数据主要由车载终端通过车辆的OBD接口进行采集，在车载终端内部完成数据的组包。在网络状况良好的情况下，通过外置的GPRS模块，按照车载终端与远程监测平台间的通信协议，将数据以字段的形式发送到云平台。云平台按照协议对上传的数据字段进行解析，将对应字段转换为可读的车辆数据信息，并交由MySQL数据库存储及管理，为后期大数据挖掘应用提供数据样本。最终利用管理系统，通过云平台的数据库操作接口，直观地将车辆的实时数据提供给管理人员。管理人员同时也能通过管理系统对联网车辆进行状态查询、车辆数据实时监测、发送车辆远程指令等操作。
　　车载终端与车辆之间的通信，通过与OBD接口的物理连接，从车载CAN总线上获取车辆各个节点上的控制器相关数据及向控制器发送指令。车载终端与远程监测云平台的连接采用的是4G通信技术及TCP/IP协议，车载终端通过外置的GPRS模块与远程监测云平台进行实时信息交互。管理系统通过互联网访问远程监测云平台的数据库获取监测数据，或通过服务器向车辆发送远程指令。
　　2 远程监测平台车载终端
　　车载终端的主要功用是实现车辆自组织网络上承载的车辆信息与外界数据的交换，其能否准确、实时地采集到车辆的相关数据信息，将会极大地影响远程监测平台功能的实现。汽车上的各个功能及各种电子控制系统都是由诸多的电控单元（ Electronic Control Unit'
　　ECU）控制的，每个ECU都连接在车载总线上以实现车辆电气组件之间的网联。CAN总线是最古老的多功能总线规范之一，也是正在运行的最普遍的系统总线之一，典型的配置允许多达110个节点和500m的总线长度，并且能在多种不同的物理层上运行。车载终端通过车辆OBD接口实现与车载CAN总线的物理连接，并通过内置的CAN通信模块与ECU实现实时通信，采集各个ECU上的数据。另外，当管理系统发出远程指令时，车载终端同样通过逆向路径向车辆相关ECU发送指令以实现对车辆的远程控制。
　　出于对功能性和成本的综合考虑，车载终端采用的主控芯片数据处理和计算能力都有限，采集到的车辆相关数据在车载终端内部只完成组包的工作，以TCP/IP传输协议中的标准字段形式上传到云平台，交由云平台后端进行解析和处理。数据组包的发送周期需要满足国标规定的实效性要求，同时要考虑其工作模式和成本，在满足功能的前提下尽可能压缩其成本。
　　车载终端作为移动终端，其工作环境随车辆的运行不断发生变化。由于车载终端是主要通讯设备，必须有通讯网络的加持，而不同的運行环境难免存在无信号的情况。因此，车载终端须具备存储本地存储功能，在通讯条件被阻塞的情况下，将采集到的车辆数据存储在本地存储设备中，待通讯信号恢复后再向云平台发送未上传的数据包。车载终端的软硬件设计决定了新能源汽车的远程监测能力。
　　2.1 车载终端硬件设计
　　根据对车载终端设计需求的分析可知，车载终端的硬件模块组成可分为：主控芯片，CAN通信模块，4G通信模块，定位模块，本地存储模块，电源模块，加速识别模块。
　　主控芯片是车载终端硬件系统中最重要的一部分，其型号的选用需要结合性能、可扩展性、成本等方面进行综合考量。恩智浦公司（ NXP）推出的S32K系列微控制单元符合AEC-QIOO规范，是一款基于32位Arm Cortex-M4F和Cortex-MO+内核的微控制单元，其具有可扩展性强的特点，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。同时，其配套有完善、免费的量产级软件开发套件和S32 Design Studio IDE。因此，本文采用FS32K146作为车载终端的主控芯片。
　　CAN通信模块承担着车内网络数据与外界交换的任务，由于FS32K146已集成了LIN控制器以及CAN控制器，因此，只需要在此模块中添加CAN收发器来转换CAN总线与CAN控制器之间的电平。而对于LIN总线的通信，同样预留了LIN收发器的接口，为后期进行平台功能的延伸，拓展类似远程开关车锁、车窗、车灯等功能提供了可能。本文采用型号为TJA1027T的LIN收发器，以及德州仪器公司推出的型号为TCAN334G，具备CAN FD（灵活数据速率）的3.3V CAN收发器。其具有3.3V单电源运行、数据传输率高达5 Mbps、较小的封装尺寸等特点，并能在较宽的环境温度范围内工作，符合对性能和可靠性的要求。
　　4G通信模块和定位模块采用的是上海移远通信技术股份有限公司（ Quectel）推出的EC20 R2.1模块。EC20 R2.1是一款带有分集接收功能，支持五种制式和多种网络数据连接的无线通信模块。同时，还能在特定的应用场景为客户端提供全球导航卫星系统和语音功能。由于该模块已集成GNSS功能，车载终端内部就不需要额外加装独立的定位模块，降低了电路板设计的复杂性。但EC20模块的GNSS引擎在出厂设置下是默认关闭的，需要在后台使用AT指令将GPS信号输出口打开，以激活其GNSS功能。
　　本地存储模块保证车载终端在无线网络阻塞时的采集数据不丢失，鉴于其数据包占用内存体积并不大，采用8G容量的SD卡作为存储介质，与闪存FLASH、磁电存储器RAM共同组成本地存储模块。若需要存储新的类型数据或大体积数据，可更换大容量SD卡或者读写速率更快的闪存芯片。 　　车载终端从车辆OBD接口汲取电量，电源模块不仅承担电池电量的存储，还要实现供电的降压和稳压，以实现各模块的稳定供电。本文采用SGM4056、XC62IOB332MR、MP24943DN、MP2143四款电压控制芯片，运用二级降压的模式，先将电压降至5V，后降至3.8V和3.3V，为各元器件提供工作电压。加速感知模块采用的是MEMS公司推出的型号为GMA301的三轴数字加速度计，此款加速度计有±6 9的动态感知范围，弹性采样率覆盖于1- 100 Hz，符合车载终端的功能需求。
　　2.2 车载终端软件设计
　　在完成车载终端硬件选型和各主要模块电路设计之后，还需要结合各模块间的通信协议对软件程序进行编写，实现软硬件的结合才能使车载终端的各项功能正常运行。本文在Keil uVision4开发环境下，采用C语言编写及调试与CAN通信模块、4G通信模块、定位模块、本地存储模块相关的软件程序，主要实现数据采集、数据上传、本地存储3个部分的功能。
　　数据采集部分的功能主要包含对车载CAN总线上承载的车辆相关数据的采集，以及定位模块生成数据的采集。车辆数据采集功能的实现过程，首先依靠对CAN控制器的初始化、配置寄存器等操作，搭建车载终端与CAN总线间的通信通道;之后根据在CAN2.OB协议基础上定制的SAEJ1939协议中对数据链路层、网络层和应用层方面的要求，通过向车载CAN总线发送数据帧请求，总线单元随即发出带有标识符的远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧，最后接收车辆各ECU返回的数据帧。
　　而对于车辆的定位数据采集，利用的是EC20芯片中内置的GNSS功能。由于EC20无线通信模块中的GNSS引擎是默认关闭的，需要进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指令后台开启GPS信号输出口;之后将NMEA通讯协议作为软件程序设计流程的参照依据，进行对应的程序编译操作;对定位模块进行初始化即串口的初始化设置，开外部中断等待数据的接收;当接收到采集数据帧时，识别起始3个字符为$GN的帧，将其接收并存人缓存区;在缓冲区中判断是否为GPRMC精简语句，通过验证则根据应用的需要对其进行解析，提取如时间、日期、速度、经纬度等数据信息;通过USB串口将采集的定位数据信息交由主控芯片，与采集的车辆相关数据共同完成组包。
　　数据上传部分的程序主要负责将车载终端主控芯片组包好的车辆实时数据和GPS定位数据上传到远程监测系统的云平台。依然使用AT指令完成EC20无线通信模块的联网，设置接收数据的服务器主机IP和端口号，搭建数据通信的桥梁，完成在云平台服务器上的登录操作以及与服务器的连接后，随即按照TCP/IP协议要求将已组包的并存储于SD卡内的数据包发送至云平台;当接收到服务器返回的数据接收确认信息时，断开与平台的连接，等待下次数据上传。
　　由于不同运行环境的网络状况具有差异，车载终端会出现于云平台服务器连接失败的情况，进而导致该时段的实时数据无法上传，此时按照GB/T 32960中的要求，每间隔1 min重新尝试连接及发送数据，连续重复3次无应答或返回错误值，间隔30 min后继续重连直至完成补发，补发数据在发送实时数据的空闲时间内完成;当出现3级报警时，上报故障发生时间点前后30 s的数据且信息采样周期不大于1s，以补发数据的形式发送。
　　本地存储部分主要功能为数据包的备份与暂存。根据国标要求，车载终端不仅需要将按照固定时间间隔采集到的实时数据保存在内部存储介质中，并保存7d，还需要将因网络通信异常而未发送的数据进行存储，以便后期补发。因此，本地存储部分的主要软件功能是Flash刷写。由于SD卡是集成了管理系统的Nand Flash芯片多层叠加，且自带了驱动程序，其刷写方法具有通用性。因此，本文不再对本地存储的刷写流程进行设计。
　　3 结束语
　　车载终端的主要功用是实现车辆自组织网络上承载的车辆信息与外界数据的交换，其能否准确、实时地采集到车辆的相关数据信息，将会极大地影响远程监测平台功能的实现。车载终端的软硬件设计决定了新能源汽车的远程监测能力。本文阐述的车载终端的软硬件设计，在经过了一系列的与远程监测平台融合测试后，可以运用于新能源汽车远程监测平台，可以实现对新能源汽车的监测和管理。
　　参考文献：
　　[1]黄世祥，黄宏成，杨松新.能源汽车远程实时监控系统的研究与设计[J].传动技术，2014 （4）： 31-36.
　　[2]王文扬，陈正，陈祥威.新能源汽车远程监控终端的设计[J].汽车电器，2015（6）：5-9.
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