基于4G-DTU的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳少偉 潘夢(mèng)鷂 鐘玉靈 陳宣烽

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)汽車和外部系統(tǒng)的遠(yuǎn)程連接，推動(dòng)汽車網(wǎng)聯(lián)化，智能化是當(dāng)今汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)。通過數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)的研究，提出了一種基于4G-DTU的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過OBD智能模塊實(shí)現(xiàn)與汽車的連接和數(shù)據(jù)通信交互，再利用4G-DTU模塊和MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制的功能。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，為遠(yuǎn)程故障診斷，遠(yuǎn)程安全預(yù)警等智能化應(yīng)用場(chǎng)景提供了重要參考，具有良好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：4G-DTU；車網(wǎng)聯(lián)；OBD；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0196-03

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things technology， the remote connection of automobile and external system is realized， and it is an important trend to promote the automobile network connection and intelligence for the development of automobile today. Through the research of the remote data transmission technology， a automobile remote monitoring system based on 4G-DTU is proposed. The system realizes the connection with the automobile and data communication interaction through the OBD intelligent module， and then uses the 4G-DTU module and MATLAB software platform for the remote data transmission， and finally realizes the functions of the remote data monitoring and control of the automobile. The results of the real automobile test show that the system works stably and reliably， provides an important reference for intelligent application scenarios such as remote fault diagnosis and remote security early warning， and it has a good promotion prospect.

Keywords： 4G-DTU; automobile network connection; OBD; remote monitoring

0? 引? 言

汽車經(jīng)歷一百多年的發(fā)展，傳統(tǒng)汽車技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，如何推動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)正被廣泛應(yīng)用[1]。物聯(lián)網(wǎng)就是通過不同類型的傳感器或者技術(shù)手段采集對(duì)象的各種數(shù)據(jù)信息，并通過無線或者有線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的信息連接，實(shí)現(xiàn)感知、監(jiān)測(cè)和控制等功能。物聯(lián)網(wǎng)正在推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、智慧交通和智能家居等產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展[2，3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)汽車和外部系統(tǒng)的遠(yuǎn)程連接，推動(dòng)汽車網(wǎng)聯(lián)化，智能化是當(dāng)今汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)[4]。因此，提出了一種基于4G-DTU的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用OBD數(shù)據(jù)采集、4G-DTU數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)燃夹g(shù)，構(gòu)建汽車和MATLAB軟件智能終端的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)汽車的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制，為汽車遠(yuǎn)程故障診斷，遠(yuǎn)程安全預(yù)警等智能化應(yīng)用場(chǎng)景提供了重要參考，有效提高汽車保養(yǎng)維護(hù)的效率以及汽車安全駕駛，對(duì)于推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展具有十分重要的意義。

1? 汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于4G-DTU的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由OBD智能模塊、4G-DTU遠(yuǎn)程傳輸模塊[5]、軟件智能終端等組成，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。其中，OBD智能模塊是通過OBD接口和汽車內(nèi)部電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件連接，它以自帶CAN通信模塊的STM32F103芯片為主控單元，能夠通過CAN通信方式實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部數(shù)據(jù)的獲取和控制。4G-DTU遠(yuǎn)程傳輸模塊實(shí)現(xiàn)OBD智能模塊和軟件智能終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。軟件智能終端是基于MATLAB平臺(tái)開發(fā)的監(jiān)控軟件系統(tǒng)，它主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和汽車控制等功能。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、監(jiān)測(cè)和汽車控制，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)工作過程：鑰匙啟動(dòng)汽車后，安裝在汽車駕駛室內(nèi)的OBD智能模塊開始獲得汽車電源供電。在軟件智能終端控制下，OBD智能模塊采集相應(yīng)的汽車數(shù)據(jù)，并通過4G-DTU遠(yuǎn)程傳輸模塊把數(shù)據(jù)上傳到軟件智能終端，同時(shí)，操作者也可以在軟件智能終端發(fā)布指令，指令通過4G-DTU遠(yuǎn)程傳輸模塊下傳到OBD智能模塊，OBD智能模塊再經(jīng)過OBD接口與汽車內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的控制。

2? 汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? OBD智能模塊

OBD智能模塊是由OBD接頭、STM32F103主控芯片，TJA1050 CAN接口模塊，12 V轉(zhuǎn)3.3 V電源模塊等構(gòu)成。OBD，簡(jiǎn)稱車載診斷系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測(cè)汽車各電控系統(tǒng)工作狀態(tài)信息。每一輛汽車駕駛室內(nèi)都設(shè)有一個(gè)OBD接口，它是汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)和外部設(shè)備信息交互的唯一渠道[6，7]。OBD智能模塊通過OBD接口可以連接到汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)的CAN通信網(wǎng)絡(luò)。

STM32F103主控芯片是一款采用ARM Cortex—M3內(nèi)核的高性能低功耗處理器，工作頻率高達(dá)72 MHz，運(yùn)行速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，還集成自帶bxCAN控制器（Basic Extended CAN），TJA1050 CAN接口模塊提供（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換[8]。STM32F103主控芯片通過TJA1050 CAN接口模塊、OBD接口實(shí)現(xiàn)與汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)CAN通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，從而不需要破壞汽車原有結(jié)構(gòu)就可以獲取汽車數(shù)據(jù)和對(duì)汽車進(jìn)行控制，有效避免了因?yàn)槠茐钠嚱Y(jié)構(gòu)而導(dǎo)致汽車故障安全隱患，具有成本低，安全可靠，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

車載OBD接口端還自帶有汽車12 V電源輸出端，配合12 V轉(zhuǎn)3.3 V電源模塊可以很方便地為OBD智能模塊提供電源供給。

2.2? 4G-DTU數(shù)據(jù)傳輸模塊

目前物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)主要依賴4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及云服務(wù)器平臺(tái)技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)汽車和軟件智能終端的遠(yuǎn)程組網(wǎng)，本系統(tǒng)采用了眾山科技ZSD3410 4G DTU遠(yuǎn)程無線通信模塊，如圖2所示，該模塊支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信等幾大運(yùn)營(yíng)商的4G信號(hào)接入，具有云透?jìng)鞴δ?，基于眾山物?lián)云平臺(tái)，用戶可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)，也可以基于物聯(lián)云平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)。4G-DTU遠(yuǎn)程無線通信模塊采用串口通信方式獲取數(shù)據(jù)，配合OBD智能模塊主控芯STM32F103自帶串口通信功能，簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)從OBD智能模塊獲取采集的汽車數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

3? 汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? MATLAB GUI人機(jī)交互界面

為了實(shí)現(xiàn)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，基于MATLAB軟件技術(shù)開發(fā)了軟件智能終端。MATLAB 是一款具有強(qiáng)大數(shù)值運(yùn)算、建模仿真、智能控制以及人機(jī)交互功能的計(jì)算機(jī)軟件。MATLAB GUI模塊是MATLAB的可視化交互工具，它為用戶提供了多種控件，如按鈕、復(fù)選框、菜單欄、文本框、多行文本等，在 MATLAB GUI工具箱中通過拖動(dòng)方式將控件放置顯示區(qū)域上開發(fā)人機(jī)交互智能終端，具有開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)[9，10]。基于4G-DTU的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖3所示。人機(jī)交互界面分為數(shù)據(jù)通信區(qū)和汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控區(qū)。

數(shù)據(jù)通信區(qū)具有串口通信參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)串口、保存數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)點(diǎn)擊開始“打開串口”按鍵，MATLAB就啟動(dòng)串口通信功能，通過數(shù)據(jù)中斷的方式實(shí)時(shí)接收4G-DTU遠(yuǎn)程無線通信模塊上傳的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)顯示在相關(guān)區(qū)域。當(dāng)點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鍵，串口接收的數(shù)據(jù)將以設(shè)定的數(shù)據(jù)格式保存到文本文檔里面。

汽車數(shù)據(jù)監(jiān)控區(qū)主要是提供發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、轉(zhuǎn)速、車速、蓄電池電壓、汽車行駛總距離、汽車運(yùn)行時(shí)間等信息監(jiān)測(cè)。每一個(gè)信息監(jiān)測(cè)都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的功能按鍵，例如，當(dāng)點(diǎn)擊“發(fā)動(dòng)機(jī)水溫”按鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信息就立刻顯示在右邊的文本框上。汽車數(shù)據(jù)監(jiān)控區(qū)還提供汽車四門車窗的升降控制、汽車四門門鎖的開關(guān)鎖控制、雨刮器控制、雨刮器噴水控制、行李箱開關(guān)控制、燈光控制等功能。每一個(gè)控制功能都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立控制按鍵，例如，當(dāng)點(diǎn)擊“開啟雨刮器”按鍵，那么汽車雨刮器就會(huì)開始刮水工作，再點(diǎn)擊一次按鍵，汽車雨刮器就會(huì)立刻停止工作。

3.2? 汽車數(shù)據(jù)接收程序

汽車數(shù)據(jù)接收程序主要是用于接收通過4G-DUT模塊傳輸過來的汽車數(shù)據(jù)信息。本文通過MATLAB的串口通信功能設(shè)計(jì)了汽車數(shù)據(jù)接收程序，程序流程如圖4所示。在MATLAB GUT人機(jī)交互界面上設(shè)置串口端口號(hào)，串口通信參數(shù)，然后點(diǎn)擊“打開串口”按鍵進(jìn)入串口數(shù)據(jù)接收流程，MATLAB不斷監(jiān)測(cè)串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是否溢出，如果溢出，那么執(zhí)行相應(yīng)的程序讀取緩存數(shù)據(jù)量并轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，完成后又回到緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量的監(jiān)控中。

3.3? 汽車遠(yuǎn)程控制程序

汽車遠(yuǎn)程控制就是從軟件智能終端發(fā)出指令，經(jīng)過4G-DTU模塊傳輸?shù)絆BD智能模塊，OBD智能模塊再通過OBD接口和汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)進(jìn)行通信，給汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)傳達(dá)控制指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在MATLAB軟件智能終端的人機(jī)交互界面上點(diǎn)擊相應(yīng)的功能按鈕，功能按鈕調(diào)用相對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的程序，每個(gè)汽車控制指令不一樣，但執(zhí)行流程是一樣的，汽車遠(yuǎn)程控制程序流程如圖5所示。

4? 試驗(yàn)結(jié)果

我們以豐田卡羅拉為試驗(yàn)車型，開展汽車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)。首先，如圖6所示，通過參數(shù)配置程序軟件設(shè)置4G-DUT模塊串口通信參數(shù)以及在計(jì)算機(jī)端創(chuàng)建一個(gè)虛擬端口號(hào)：波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，奇偶校驗(yàn)為N，停止位為1，虛擬端口號(hào)為COM3，系統(tǒng)串口通信環(huán)境構(gòu)建完成。鑰匙啟動(dòng)汽車，OBD智能模塊和4G-DTU模塊從OBD接口獲取12 V電源并進(jìn)入正常工作狀態(tài)。啟動(dòng)MATLAB軟件智能終端，配置串口通信參數(shù)，點(diǎn)擊“打開串口”按鍵，至此，MATLAB軟件智能終端開始實(shí)現(xiàn)和汽車的遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互。

在MATLAB軟件智能終端人機(jī)交互界面點(diǎn)擊“發(fā)動(dòng)機(jī)水溫”按鍵，軟件智能終端通過虛擬串口端把“發(fā)動(dòng)機(jī)水溫”采集指令數(shù)據(jù)流“254 1 117 0 0 0 117 0 0 0 124 0 3 34 18 65 0 0 0 0 13 10”經(jīng)過云平臺(tái)服務(wù)器，4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)?G-DTU模塊，再通過串口傳輸給OBD智能模塊，OBD智能模塊獲取“發(fā)動(dòng)機(jī)水溫”數(shù)據(jù)采集命令后，跟汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)進(jìn)行通信并獲取相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫?cái)?shù)據(jù)流“7C8 8 04 62 12 41 2E 00 00 00”，水溫?cái)?shù)據(jù)流又再通過4G-DTU模塊原路返回上傳到軟件智能終端，在軟件智能終端中提取數(shù)據(jù)流的溫度數(shù)據(jù)成分第四個(gè)字節(jié)，即2E，2E是十六進(jìn)制，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為46，根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)成溫度為46/2=23 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫隨著汽車的工作會(huì)不斷升高，最終穩(wěn)定在某個(gè)固定值。

在軟件智能終端人機(jī)交互界面點(diǎn)擊“開啟雨刮器”按鍵，軟件智能終端通過虛擬串口端口像發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令一樣，通過4G-DTU模塊給OBD智能模塊下達(dá)數(shù)據(jù)控制指令“254 1 117 128 0 0 117 128 0 0 117 00 64 5 48 28 0 8 0 0 13 10”，OBD智能模塊跟汽車內(nèi)部電子系統(tǒng)進(jìn)行通信從而控制汽車打開雨刮器。在實(shí)車測(cè)試中，4G-DTU模塊工作穩(wěn)定，為數(shù)據(jù)采集和指令提供了可靠數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了一款基于4G-DTU的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，能夠?qū)崟r(shí)采集汽車數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制汽車，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車和外部智能終端的遠(yuǎn)程連接，實(shí)現(xiàn)汽車的網(wǎng)聯(lián)化和智能化，為汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展提供了重要參考，符合當(dāng)今汽車發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：陳少偉（1987.10—），男，漢族，廣東廣州人，講師，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)電液智能測(cè)控。