基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車在線故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)設計

黃曉林　曹玉華　朱濤　周紹鵬

摘要：針對汽車故障在線診斷管理效率低的問題，構建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車在線故障監(jiān)測診斷平臺。用戶端以單片機為核心，基于ELM327模塊、ESP8266WiFi模塊實現(xiàn)汽車故障和行駛信息在線監(jiān)測診斷。網(wǎng)絡端以OneNET云平臺為基礎，注冊服務器為上位機，實現(xiàn)汽車故障和行駛信息的物聯(lián)網(wǎng)管理。文中詳細介紹了系統(tǒng)組成、工作流程，ELM327模塊和ESP8266WiFi模塊的接口與編程、串口電平轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊等電路設計，以及系統(tǒng)軟件框架、ELM327與車載OBD互聯(lián)應用、ESP8266與OneNET的互聯(lián)應用中的軟件設計流程和參數(shù)設置方式，測試結果表明，系統(tǒng)達到設計要求，這為“互聯(lián)網(wǎng)+”的測控應用提供了一種新方案。

關鍵詞：OBDII;OBDII;ESP8266WiFi模塊;OneNET云平臺;汽車故障數(shù)據(jù)管理

中圖分類號： TP273? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0260-03

Abstract： Aiming at solving the problem of low efficiency of online fault diagnosis and management of automobile faults， an online fault monitoring and diagnosis platform based on "Internet +" is constructed. The user terminal takes microcontroller as the core， and realizes online fault diagnosis and diagnosis of vehicle fault and driving information based on ELM327 module and ESP8266WiFi module. The network side is based on the OneNET cloud platform， and the registration server is a host computer to realize the Internet of Things management of vehicle breakdown and driving information. The paper introduces system details， system flow， ELM327 module and ESP8266WiFi module interface and programming， serial electrical level conversion module and power module circuit design， as well as system software framework， ELM327 and vehicle OBD interconnection application， the software design process and parameter setting methods in the software of ESP8266 and OneNET interconnection application， provides a new solution for the measurement and control application of "Internet +".

Key words： OBDII;ELM327 module;ESP8266WiFi module;OneNET cloud platform;vehicle fault data management.

在汽車故障診斷領域，車輛在線故障診斷系統(tǒng)（on-board diagnostics，OBD）已經(jīng)非常普及，是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定的汽車行業(yè)標準，我國于2005年頒布GB18352.3-2005等五項標準中明確規(guī)定所有汽車必須裝備OBD系統(tǒng)，OBD作為強制性要求首次出現(xiàn)在我國的法規(guī)標準中。車載OBD接口支持8種數(shù)據(jù)通信協(xié)議[4]，OBD信息讀取終端通常要配置專用的接口分別匹配各個通信協(xié)議與汽車OBD接口對接，這極大地限制了OBD接口的應用。

文獻[1]的方案實現(xiàn)車載OBD直接與手機通信，通過手機與公網(wǎng)通信，手機既是終端，又是中繼站，該方案有三個方面的不足需要完善，一是手機的數(shù)據(jù)存儲容量不足，二是手機作為中繼站工作速度不夠，三是只與OBD端口的CAN協(xié)議通信，不能與OBD端口的其他協(xié)議通信，這三個不足會影響該系統(tǒng)的應用效率，文獻[6]也采用同樣的方案，具有相同的不足。本文針對車載OBD在線故障診斷系統(tǒng)工作效率問題，設計與車載OBD-II端口的雙向通信接口，實現(xiàn)覆蓋OBD-II端口的全部8種數(shù)據(jù)通信協(xié)議的在線通信，通過OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，設計與互聯(lián)網(wǎng)的雙向通信接口，實現(xiàn)故障診斷信息與互聯(lián)網(wǎng)的在線高速、大容量數(shù)據(jù)通信與存儲。構建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車在線故障監(jiān)控診斷平臺的設計方案，實現(xiàn)網(wǎng)上監(jiān)測汽車行駛狀態(tài)，網(wǎng)上實時診斷汽車故障，通過手機APP查詢汽車運行實時數(shù)據(jù)和故障信息，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡化汽車故障在線檢測監(jiān)控診斷平臺物聯(lián)網(wǎng)管理模式。

1 平臺系統(tǒng)組成及工作原理

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車在線故障監(jiān)控診斷系統(tǒng)結構如圖1所示，由用戶端和網(wǎng)絡端兩部分組成。其中用戶端是以STC15W4K32S2單片機為控制器，由OBD連接器ELM327模塊、WIFI無線上網(wǎng)ESP8266模塊和電源管理系統(tǒng)等組成。ELM327是ELM公司生產(chǎn)的專用集成電路模塊，實現(xiàn)與車載OBD-II端口的連接和通信，ELM327連接器的汽車信息輸入端口的引腳通過少量電路連接車載OBD-II接口插座[3]，由車載OBD-II接口16號引腳為模塊供電，ELM327連接器與車載OBD交互信息后，從數(shù)據(jù)收發(fā)口RXD、TXD與單片機接口通信，單片機接收ELM327信號后，經(jīng)過信息處理，通過WIFI無線上網(wǎng)ESP8266模塊鏈接OneNET互聯(lián)網(wǎng)云平臺。ESP8266是樂鑫公司生產(chǎn)無線WiFi集成電路，實現(xiàn)無線WiFi與互聯(lián)網(wǎng)的接口鏈接 [8]，實現(xiàn)無線WiFi上網(wǎng)的功能，廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)設計與應用。網(wǎng)絡端由OneNET、具備公網(wǎng)IP服務器上位機、郵件服務和手機等組成。

OneNET是中國移動通信公司推出的專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，接受各類終端設備迅速接入互聯(lián)網(wǎng)絡，為用戶提供可靠的開放的云服務，實現(xiàn)用戶端與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理等完整的網(wǎng)絡交互流程[9]。

用戶端STC15W4K32S2單片機通過ELM327連接器模塊采集汽車運行狀態(tài)和故障代碼等信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息處理后，通過EPS8266無線WiFi上網(wǎng)功能與網(wǎng)絡端OneNET云平臺建立互聯(lián)網(wǎng)鏈接，上傳數(shù)據(jù)到OneNET，或者接收網(wǎng)絡端服務器通過OneNET云平臺發(fā)布的操作命令。OneNET云平臺的接收郵箱具有設置觸發(fā)的功能，由觸發(fā)接收郵箱與公網(wǎng)服務器通信。設置好接收郵箱的觸發(fā)控制位后，當接收采集到用戶端上傳的數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時，OneNET云平臺通過郵件的方式發(fā)送到接收郵箱，進行主動提醒，也可通過http post消息的形式發(fā)送給設置好的公網(wǎng)服務器，由服務器進行信息管理。

2 硬件系統(tǒng)的設計

硬件系統(tǒng)的設計主要包括用戶端的硬件接口設計和網(wǎng)絡端服務器的配置。

2.1 STC15W4K32S2單片機與ELM327的接口設計

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車在線故障監(jiān)控診斷平臺系統(tǒng)的用戶端以STC15W4K32S4單片機為控制器。STC公司生產(chǎn)的STC15W4K32S2單片機具有寬電壓、低功耗特性和高速、超強的抗干擾能力，其內(nèi)部集成高精度RC時鐘，無須外接晶振電路，只需要在固化應用程序時設置即可。用戶端STC15W4K32S2單片機設置時鐘為11.0592MHz。STC15W4K32S2內(nèi)部主要部件包括8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，8路10位PWM和2組獨立的異步串行通信接口。STC15W4K32S2單片機的2組獨立的異步串行通信接口符合本系統(tǒng)2路串行通信接口需要，其中一路串口通信端口與ELM327接口，另一路串口通信端口與ESP8266接口。

ELM327目前最新的車載OBD-II通用汽車診斷信息通信接口模塊，車載OBD-II系統(tǒng)對車輛行駛過程中狀態(tài)及各類故障信息通過OBD-II接口與ELM327進行雙向通信，實時監(jiān)測和診斷的主要信息數(shù)據(jù)包括發(fā)動機負荷值、燃油系統(tǒng)狀態(tài)、短期燃油情況、冷卻液溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速（RPM）、車速、進氣歧管壓力、噴油提前時間、進氣溫度、空氣氣流速度、進氣閥絕對位置、燃油壓力、燃油消耗量監(jiān)測以及各類故障診斷編碼等內(nèi)容。ELM327模塊支持OBD-II端口的（SAE）8種數(shù)據(jù)通信協(xié)議。ELM327模塊只需很少的外部輔助電路即可實現(xiàn)與車載OBD-II端口的接口，可自動識別所有OBD通信協(xié)議，自動進行協(xié)議選擇切換。MAX232模塊實現(xiàn)STC15W4K32S2單片機5V電平與ELM327模塊12V電平之間的轉(zhuǎn)換和串行數(shù)據(jù)通信接口功能，ELM327通過 MAX232模塊實現(xiàn)STC15W4K32S2單片機接口如圖2所示。

2.2 STC15W4K32S2單片機與ESP8266的接口設計

配置ESP8266串口、由MAX232實現(xiàn)WiFi模塊ESP8266串口電平轉(zhuǎn)換、電平匹配后與STC15W4K32S2單片機串口實現(xiàn)收發(fā)雙向通信接口。當ESP8266模塊中CH-PD處于低電平時，使得內(nèi)部供電模塊處于關閉狀態(tài)，當CH-PD處于高電平時是正常的供電工作狀態(tài)，需將ESP8266模塊的CH-PD引腳和VCC相連。用戶端的STC15W4K32S2單片機RXD和TXD串口端引腳是通過MAX232模塊來實現(xiàn)與無線WiFi模塊ESP8266的接口設計。MAX232模塊實現(xiàn)單片機5V電平與無線WiFi模塊ESP8266的3.3V電平之間的電平轉(zhuǎn)換，也實現(xiàn)單片機與無線WiFi模塊ESP8266之間的信息通信接口，STC15W4K32S2單片機通過MAX232實現(xiàn)與無線WiFi模塊ESP8266之間的數(shù)據(jù)通信接口如圖2所示。

3 軟件系統(tǒng)總體框架設計

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車在線故障監(jiān)控診斷平臺的軟件系統(tǒng)總體結構包括用戶端軟件和網(wǎng)絡端軟件。其中，用戶端軟件包括選擇診斷模式、OBD通信、診斷主程序、網(wǎng)絡通信等。網(wǎng)絡端軟件包括主控程序、數(shù)據(jù)分析處理程序、網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)庫、診斷信息管理程序。軟件系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

用戶端網(wǎng)絡通信程序是通過無線WiFi模塊ESP8266的編程與OneNET互聯(lián)網(wǎng)云開放平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡鏈接通信，包括WiFi模塊ESP8266初始化設置和與OneNET云平臺初始激活、鑒權等設置。用戶端在接入OneNET平臺前，先在OneNET注冊用戶賬戶，3個步驟。

第一步：在用戶賬戶下創(chuàng)建產(chǎn)品。

第二步：在產(chǎn)品中創(chuàng)建設備。

第三步：為設備新增數(shù)據(jù)流。

為實現(xiàn)汽車故障在線監(jiān)測的功能，在OneNET平臺上置服務器作為網(wǎng)絡端上位機進行操作。

4 網(wǎng)絡端初始化及其主控程序設計

網(wǎng)絡端服務器上位機在與互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)OneNET云平臺之間進行通信、接收推送消息時，需要具備互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)IP，這可以從www.vuitr.com申請一臺服務器作為網(wǎng)絡端上位機實現(xiàn)與OneNET通信，其中，服務器上位機采用Debian操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡端服務器上位機的初始化程序設計4個步驟。

第一步：創(chuàng)建共享內(nèi)存，用于不同進程間的通信。

第二步：開啟接收進程，監(jiān)聽端口2323，接收OneNET的推送消息，提取相關內(nèi)容存入共享內(nèi)存中。

第三步：開啟發(fā)送進程，監(jiān)聽端口10000，不斷接收用戶端ESP8266輪詢消息，發(fā)送汽車運行監(jiān)測命令、發(fā)送汽車故障診斷模式命令。

第四步：While（1）{Sleep（1）}。

網(wǎng)絡端服務器上位機主控程序與用戶端STC15W4K32S2單片機進行信息交互后，向用戶端發(fā)布車型及診斷模式命令，網(wǎng)絡端服務器上位機界面顯示對OBD系統(tǒng)的控制信息，包括該車車型、行駛狀態(tài)參數(shù)、該車型的診斷模式，如傳感器數(shù)據(jù)的讀取和清除、故障碼的讀取和清除、特殊對象的在線監(jiān)測、凍結幀的讀取和清除等操作，通過互聯(lián)網(wǎng)通信對用戶端STC15W4K32S2單片機發(fā)出不同的命令，同時從用戶端STC15W4K32S2單片機獲取診斷后監(jiān)測數(shù)據(jù)并實施數(shù)據(jù)管理。根據(jù)用戶端STC15W4K32S2單片機返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者故障碼經(jīng)整理分析后，存入網(wǎng)絡端數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡端采用SQL Server數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲和管理，數(shù)據(jù)庫設置有用戶登錄表和車輛行駛數(shù)據(jù)表及車輛信息表等三個表。網(wǎng)絡端服務器上位機查看、查詢數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以圖表式文本的形式發(fā)送用戶（手機），通過發(fā)送和讀取顯示實現(xiàn)動態(tài)管理。

5 用戶端程序設計

用戶端的程序設計主要包括對用戶端系統(tǒng)中各模塊電路的初始化、故障診斷與行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)打包上傳等工作。STC15W4K32S2單片機首先完成WiFi模塊ESP8266的通信波特率為115200和ELM327模塊的通信波特率為38400等2個串口初始化設置。然后分別對ELM327進行初始化和對ESP8266進行初始化、然后向ESP8266WiFi模塊發(fā)送AT指令、使WiFi模塊ESP8266創(chuàng)建好與OneNET云平臺互聯(lián)網(wǎng)的服務鏈接。其中，STC15W4K32S2單片機對ESP8266設置有5個步驟。

第一步：熱點參數(shù)設置。

第二步：連接無線網(wǎng)絡。

第三步：尋找服務器IP。

第四步：連接服務器。

第五步：WiFi信號轉(zhuǎn)串口信號的透明傳輸狀態(tài)。

當STC15W4K32S2單片機通過ESP8266收到上位機的命令信號后，對信號進行判斷，根據(jù)信號的不同類型產(chǎn)生相應的操作，控制ELM327對車載OBD執(zhí)行汽車運行狀態(tài)和汽車故障數(shù)據(jù)采集及接收分類管理，并將接收執(zhí)行的信息通過ESP8266打包返回給遠程網(wǎng)絡端上位機。

用戶端ELM327與車載OBD-II系統(tǒng)之間的通信交互是通過請求和應答2步進行的。

第一步：用戶端ELM327向車載OBD-II接口發(fā)出一個請求。

第二步：車載OBD-II接口經(jīng)車載OBD-II系統(tǒng)內(nèi)部通信總線傳送給汽車中央ECU，中央ECU通過解析請求信號后生成應答信息，然后通過OBD-II接口向ELM327發(fā)回應答信號。

5.1 用戶端通過ELM327向車載OBD-II接收、發(fā)送命令操作

用戶端通過ELM327向車載OBD-II接收、發(fā)送命令，2個步驟操作。

第一步：用戶端STC15W4K32S2單片機控制接ESP8266收發(fā)互聯(lián)網(wǎng)服務器（手機）等上位機監(jiān)測命令信息。

第二步：用戶端STC15W4K32S2單片機解析互聯(lián)網(wǎng)服務器上位機發(fā)布監(jiān)測命令信息后，按照操作命令、當前車型及OBD-II接口通信協(xié)議和OBD-II工作模式等4部分生成串口操作命令，如測量冷卻液溫度的操作命令和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的操作命令分別為“0105”和“010c”等。單片機通過ELM327與車載OBD-II進行應答通信，由ELM327發(fā)送操作命令數(shù)據(jù)請求給車載OBD-II系統(tǒng)。

5.2 用戶端向網(wǎng)絡端上位機傳遞監(jiān)測信息

用戶端STC15W4K32S2單片機通過ELM327與OBD-II的應答通信方式將網(wǎng)絡端服務器上位機的診斷模式命令發(fā)送給車載OBD-II。同時，ELM327將OBD-II返回的應答數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶端STC15W4K32S2單片機，單片機通過ESP8266鏈接OneNET云平臺上傳網(wǎng)絡端互聯(lián)網(wǎng)服務器上位機。

6 結束語

實驗室實驗調(diào)試表明，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車故障在線監(jiān)測診斷管理平臺系統(tǒng)，通過ELM327、ESP8266和OneNET云平臺實現(xiàn)汽車故障在線監(jiān)測診斷管理聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)絡，實現(xiàn)了汽車故障和行駛信息在線監(jiān)測診斷的物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理，提高了汽車故障在線監(jiān)測診斷管理層次。汽車故障在線監(jiān)測診斷管理系統(tǒng)可設置多級加密功能，定義訪問權限，增強系統(tǒng)的保密性和安全性，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車故障在線監(jiān)測診斷平臺是新一代的具有智能化、網(wǎng)絡化的管理系統(tǒng)，應用范圍廣，包括實時故障診斷、實時行駛監(jiān)測、行駛信息記錄、遠程提醒控制、碰撞提醒等應用，本系統(tǒng)稍加改造即可實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”的汽車運輸物流管理、智能交通管理等應用。同時，也為“互聯(lián)網(wǎng)+”的測控應用提供一種新方案。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】