基于i.MX6UL平台的重型车辆远程监控系统研究

刘景锋, 沈 骏, 李炎亮

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620)

近年来,远程监控系统在多领域中大量使用,在诸如公共场所、工业生产和货物运输等方面起到重要作用[1-3].重型车辆作为物流运输行业的主力,根据《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》法规要求,车辆运行时需将发动机运行数据、车辆位置和排放后处理系统等相关数据上传到国家监控平台进行实时监控.法规规定重型车辆柴油发动机必须安装柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Fitter,DPF),以降低排放颗粒物,其中DPF的工作温度是重要的监控指标[4-5].因此有必要对重型车辆远程监控进行研究.

重型车辆上安装多个电控单元(Electronic Control Unit,ECU)控制车辆运行,现阶段对ECU中信息采集的方法有离线和在线两种方式.离线设备连接到车载诊断系统(On Board Diagnostics,OBD)标准诊断接口,采集到的数据可通过蓝牙(Bluetooth)等方式传输到个人计算机(PC)或手机的上位机中[6-7],从而完成对车辆的诊断.离线设备因受地理限制,无法实时对车辆进行监控,故通过车载终端连接网络服务器进行在线监控的方式可有效解决地理对车辆监控的限制,管理者在移动端即可实现在线监控车辆状态[8-9].在车载终端使用网络时需要监控者与被监控车辆双方进行身份认证,刘佼等[10]设计关于车载软硬件完整性的诊断通信协议以提高监控车辆的安全性,在获取车辆运行大数据后可完成车辆调控.目前,市场上滴滴等网约车企业有海量的车辆接入其服务端,赵爱心等[11-12]学者利用滴滴大数据开展了预测车辆行程时间,分析道路情况等相关研究.

针对以上问题,本文提出一种可远程监控重型车辆的车载系统,该系统集成诊断、GPS定位、图像监控以及4G通信等模块,是一款能够自动采集车辆位置信息和运行状态数据的车载终端,采集的数据经分类处理后传输至云端服务器用以实现对车辆运行状态的在线监控.

1 监控系统概述

本文设计的监控系统可实现车辆数据的收集、处理计算和传输等流程.车载终端安装固定在车辆上,可以定时或者实时地从车辆OBD接口读取控制器局域网(Controller Area Network,CAN)总线上的数据,并与云服务器建立端到端通信,车载终端将数据解析处理后传输至远程监控中心,远程监控中心提供数据存储以及其他服务,用户经过授权后可通过电脑或者手机登陆监控中心,实时查看监控数据以掌控车辆运行状态,还可以远程控制车载终端.监控系统架构如图1所示.

图1 监控系统架构图Fig.1 Monitoring system architecture

2 监控系统硬件

系统车载终端硬件部分由主控芯片、OBD数据采集模块、GPS定位模块、图像采集模块和4G无线通信模块等5部分组成.主控芯片通过数据总线与其他模块连接可完成板级通信功能.目前,主控芯片可选择STM32、FPGA和i.MX6UL等系列的芯片[13],考虑到需要传输大量数据,故选择性能较好的、恩智浦公司的i.MX6UL芯片.该芯片主频可以达到528 MHz,能满足系统对处理速度的要求.车载终端可通过OBD接口与车辆连接,4G天线和GPS天线可提高相关模块的信号质量,系统硬件结构如图2所示.

图2 车载终端硬件结构Fig.2 Hardware structure of vehicle terminal

2.1 电源模块设计

车载终端连接车辆OBD接口的4号和16号阵脚进行取电,重型车辆多采用24 V电源供电,故需通过LM22676电源芯片降压才可以对车载终端进行稳定供电.车载终端各模块工作电压不同,车辆电源经电源芯片降压后可获得3.3和5.0 V两种工作电压,电源模块的电路原理如图3所示.

图3 电源模块设计图Fig.3 Design diagram of power supply module

2.2 CAN通信模块设计

主控芯片集成了兼容2.0 A/B规范的FlexCAN接口,配合型号为TJA1050的专用CAN收发器芯片,可与ECU进行标准消息帧和扩展消息帧的CAN通信.CAN芯片由5 V稳压直流电进行供电,其与主控芯片通过异步收发传输器(UART)完成数据交互,实现CAN数据的收发功能.CAN通信模块电路设计,如图4所示.

图4 CAN通信模块电路设计图Fig.4 Circuit design of CAN communication module

3 监控系统软件

3.1 CAN通信软件设计

监控系统完成的车辆数据传输包括车载终端与ECU的通信以及车载终端与远程服务中心的通信.通信过程须遵循一定方式才可以保证数据的可信度和完整性,监控系统通信流程如图5所示.

图5 通信流程图Fig.5 Communication flow chart

车载终端与ECU之间的通信遵循CAN2.0B协议,通过在终端集成ISO14229[14]诊断协议后实现与ECU的CAN统一诊断通信能力.诊断协议中规定CAN报文数据结构包括帧起始、仲裁域、控制域、数据域、循环冗余校验(CRC)以及帧结束等6部分.终端按照约定格式向ECU发送和接收CAN报文,终端接收到CAN报文后还需对报文进行CRC以保证数据的准确性,然后再解析出数据域的具体信息.车载终端可采集车辆识别码(VIN)、故障及数据流等信息.数据域的报文为2～8个字节,其中第1个字节表示数据长度,从第2个字节起表示具体信息,CAN报文信息见表1.表中,TX为车载终端向ECU发送CAN报文,RX为终端接收ECU报文.通过发送F190诊断服务指令查询车辆VIN,ECU返回多帧CAN报文,其中ECU返回首帧后,需要发送流控制帧用于继续接收报文,对首帧、第2帧以及第3帧报文解析转化为ASCII码后可知,ECU中存储的车辆17位VIN为LETDJECB3EH100108.

表1 CAN报文信息Table 1 CAN message information

3.2 位置定位软件设计

车载终端配备u-blox模块实现定位,定位模块工作时不断地接收卫星广播的位置等信号,然后解析GPS信息并按照一定频率在串口中输出数据流.其中,串口数据中帧头为“$GPGGA”的数据帧为定位信息语句,包括经纬度、UTC时间和海拔等信息.“$GPRMC”数据帧为推荐定位信息,例如,“$GPRMC,120543.00,A,31.05786,N,121.20291,E,0.185,,120213,,,A*79”数据帧,经解析后可以获取纬度为31°05′786″N,经度为121°20′291″E.解析后的数据与车载终端ID信息绑定后经4G网络传输到服务器,服务器获取其中的位置信息存储在数据库,以供用户登陆服务器查看车辆历史行驶轨迹.

3.3 图像监控软件设计

图像监控需要完成车辆工作环境的采集、存储以及传输等3个过程.当车载终端完成初始化后,图像监控模块开始工作,监控摄像头通过RS485总线与车载终端进行通信,车载终端定时发送拍摄指令控制摄像头以获取图像,获取到的图像压缩后可加快图像存储速度以及增加存储数量.当终端与远程服务器建立通信后,图像通过4G通信模块传送至服务器.

4 试验结果与讨论

为验证终端系统的功能,分别进行图像采集和定位信息采集试验.对图像监控模块的图像采集时,分别采集3种分辨率图像(像素×像素)为160×120、320×240和640×480等各10幅,记录图像文件大小和传输到服务器所用的时间,试验记录见表2.分析图像传输速度受图像分辨率大小的影响可得,分辨率越大,传输所用时间越长,另外,4G通信模块的传输速度也会影响图像传输.

表2 图像传输时间表Table 2 Image transmission schedule

重型车辆的发动机排气管安装有DPF,为监控颗粒排放,DPF进出口都安装有温度传感器,监控温度传感器温度变化范围,也可间接监控颗粒物排放.某一时刻车载终端读取的传感器温度数据见表3.根据文献[5]可知,DPF温度在(620±20)℃时,发动机排放颗粒物较少,监控DPF进出口温度可知,终端车辆的颗粒物排放处于正常水平.

表3 传感器温度Table 3 Sensor temperature

GPS信息数据包含车辆编号、车牌号码、车速和车辆所在经纬度等信息.用户可通过鼠标拖动进行地图的移动、缩小和放大等功能,实时定位可将汽车运行过程中的位置通过地图显示出来,随时查看汽车的运行状态.通过云端显示的车辆监控信息,如图6所示.

图6 车辆云端监控记录Fig.6 Cloud monitoring record of vehicle

5 结 语

本文设计了重型车辆远程监控系统,利用i.MX6UL微处理芯片丰富的输入输出接口搭建车载终端硬件平台.经过试验验证,车载终端不仅可以采集车辆CAN总线数据,还可以获取车辆位置信息以及图像信息.与此同时,以上数据可通过4G通信模块上传至远程云端服务器.云端服务器对数据解析后动态显示车辆状态,管理者使用该监控平台能实时查看车辆运行数据,这有利于车辆的集中化管理.本文仅将车辆位置信息存储在云端服务器,并未建立与车辆轨迹数据相关的理论模型,未来将通过分析监控数据,对车辆运行状态进行预测.