構(gòu)架在OBD系統(tǒng)的遠(yuǎn)程汽車監(jiān)測新方案

摘要 借助車聯(lián)網(wǎng)概念，推出了一種新的汽車維護(hù)管理概念及其實(shí)現(xiàn)方案。方案利用OBD及C／S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車輛信息遠(yuǎn)程搜集并形成后臺(tái)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車信息的集中化管理應(yīng)用，通過提高汽車廠商的利益最終為車主提供更周到的服務(wù)體驗(yàn)。文中圍繞方案的實(shí)現(xiàn)框架、合理性、可行性及其應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了一系列討論，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)要點(diǎn)及仿真，包括OBD系統(tǒng)在汽車信息搜集中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 車輛信息搜集；遠(yuǎn)程監(jiān)控；后臺(tái)數(shù)據(jù)系統(tǒng)；OBD系統(tǒng)

    車聯(lián)網(wǎng)，是指裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻等識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)所有車輛的屬性信息和靜、動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用，并根據(jù)不同的功能需求對(duì)所有車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)。
    車聯(lián)網(wǎng)的概念在20世紀(jì)60年代已經(jīng)先后出現(xiàn)在美國、歐洲與日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，并先后發(fā)展起ITS、IVHS、RTI、VICS等車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在國內(nèi)，全國第四屆GPS運(yùn)營商大會(huì)，車聯(lián)網(wǎng)的概念被首次提出，得到廣大專業(yè)人士的認(rèn)同；在無錫舉行的中國國際物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，國家將車聯(lián)網(wǎng)列為我國重大專項(xiàng)第三專項(xiàng)中的重要項(xiàng)目，中國的車聯(lián)網(wǎng)由此起步。到現(xiàn)今，一些供應(yīng)商所提供的車載系統(tǒng)中，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航、保養(yǎng)預(yù)約、咨詢查詢等功能，更方便車輛出行，在一定程度上提高了駕駛體驗(yàn)。
    車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展除了能提供用戶更好的駕駛體驗(yàn)，同時(shí)也應(yīng)可以為汽車廠商或4S店等機(jī)構(gòu)提供強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)反饋服務(wù)。這對(duì)他們的業(yè)務(wù)拓展以及服務(wù)延伸也是有意義的。有力的數(shù)據(jù)反饋能對(duì)車輛的突發(fā)異常狀況有及時(shí)的響應(yīng)，對(duì)分析車輛的維修質(zhì)量提供依據(jù)；歷史性的數(shù)據(jù)可以為特定的車種提供有針對(duì)性和個(gè)性化的維修保養(yǎng)服務(wù)。
    論文提供了一個(gè)具備實(shí)時(shí)車況信息監(jiān)聽，車況異常報(bào)警以及行車數(shù)據(jù)記錄等強(qiáng)大后臺(tái)數(shù)據(jù)反饋功能的解決方案，即車載系統(tǒng)采集到車輛狀況信息后將其上傳至服務(wù)器，管理員可以登錄本方案系統(tǒng)的信息中心，使用車況遠(yuǎn)程監(jiān)聽，異常情況遠(yuǎn)程抓獲及車輛行車日志等功能廣泛收集行車數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的主動(dòng)分析，汽車廠商不但能為車主提供更高質(zhì)量、更主動(dòng)的車輛維護(hù)服務(wù)，并且可以明確掌握某款、某系列汽車的運(yùn)行狀況，這對(duì)車種的改進(jìn)及優(yōu)化都有明顯的貢獻(xiàn)，同時(shí)可以提高汽車廠商的生產(chǎn)效率，減少車輛的維護(hù)成本。

1 方案的框架分析
    方案實(shí)現(xiàn)框架圖，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)是由兩個(gè)服務(wù)器／客戶端(C／S)架構(gòu)子網(wǎng)構(gòu)成，車載系統(tǒng)與服務(wù)器構(gòu)成通過GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成車／服信息交互網(wǎng)；信息中心與服務(wù)器通過包括符合TCP／IP協(xié)議的多元網(wǎng)絡(luò)組成信息交互網(wǎng)。鑒于開放網(wǎng)絡(luò)欠缺安全性，兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的信息交互使用加密的通信方案，保證通信數(shù)據(jù)的基本安全。

2 方案的主要功能模塊定義
2．1 車載系統(tǒng)功能定義
    (1)作為反饋數(shù)據(jù)的來源，是信息中心進(jìn)行上層服務(wù)所需基本數(shù)據(jù)的主要提供者，與OBD系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)時(shí)獲取汽車的最新狀態(tài)信息。
    (2)接受來自數(shù)據(jù)服務(wù)器的任務(wù)請求，被動(dòng)進(jìn)行特定汽車狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)反饋。
    (3)根據(jù)設(shè)置以及故障定義法則，當(dāng)檢測出汽車系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，把汽車異常信息及時(shí)主動(dòng)地反饋到數(shù)據(jù)服務(wù)器。
    (4)汽車行程信息實(shí)時(shí)記錄的直接執(zhí)行者，并定時(shí)向數(shù)據(jù)服務(wù)器上傳行程記錄，與數(shù)據(jù)服務(wù)器互相結(jié)合成為汽車行程記錄的完整系統(tǒng)。汽車行程記錄暫存于車載系統(tǒng)本地Flash區(qū)，F(xiàn)lash區(qū)的儲(chǔ)存空間比較大，并有掉電保持功能，可以充當(dāng)黑盒子作用，當(dāng)汽車發(fā)生意外來不及上傳異常情報(bào)時(shí)，依然可以把意外發(fā)生時(shí)的最新情報(bào)及時(shí)保存。
    (5)支持通信加密，密鑰交換等安全的相關(guān)機(jī)制。
2．2 數(shù)據(jù)服務(wù)器功能定義
    (1)作為反饋數(shù)據(jù)共享者的核心角色。接收到的大量反饋數(shù)據(jù)提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)便于二次數(shù)據(jù)加工，并適合與不同意義數(shù)據(jù)的邏輯存儲(chǔ)隔離。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的功能。
    (2)接受來自遠(yuǎn)程信息中心的數(shù)據(jù)訪問，正確地執(zhí)行來自信息中心的任務(wù)請求以及接受來自信息中心對(duì)車載系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的委托，委托機(jī)制能通過Cache機(jī)制，提高對(duì)信息中心請求的響應(yīng)速度。
    (3)接受來自車載系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)信息，并根據(jù)一定的法則使用接受到的信息對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。并且代理完成來自信息中心委托對(duì)車載系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的任務(wù)。
    (4)對(duì)信息中心以及車載系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)提供認(rèn)證服務(wù)，并提供數(shù)據(jù)訪問控制等安全機(jī)制。
    (5)支持通信加密，密鑰交換等安全相關(guān)的機(jī)制。
2．3 信息中心功能定義
    (1)作為對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行深度應(yīng)用的主要角色。    對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行合法訪問，并經(jīng)過解析把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)管理員有意義的信息，包括車輛故障信息、車輛運(yùn)行參數(shù)等。使用數(shù)據(jù)本地加工分析可以使通信采用濃縮了大量信息的代碼通信，從而減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量，并減輕數(shù)據(jù)庫的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。
    (2)提供信息中心的管理員對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程合法操作的接口，包括獲取信息請求、記錄操作請求、登錄認(rèn)證、任務(wù)委托等基本應(yīng)用接口，并通過軟件抽象出遠(yuǎn)程汽車車況監(jiān)聽，遠(yuǎn)程車況異常及時(shí)響應(yīng)等宏觀應(yīng)用層的功能。
    (3)支持通信加密，密鑰交換等安全相關(guān)的機(jī)制。

3 方案可行性分析
3．1 車載系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)可行性分析
    車載診斷電路(On-Board Diagnostics，OBD)，它能夠獲取控制汽車的內(nèi)部參數(shù)狀態(tài)。OBD最初作為一種控制汽車排放的排量監(jiān)視器，通過檢測發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和尾氣中污染物的含量，提示駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行維護(hù)，后來逐步發(fā)展成一套完善的汽車綜合監(jiān)控系統(tǒng)。如果廠商實(shí)現(xiàn)了OBD標(biāo)準(zhǔn)中所有的PID功能，OBD可以提供胎壓、空氣流量、踏板位置等多方面的信息。
    由于OBD系統(tǒng)無法通知用戶錯(cuò)誤的原因，需要把檢測到的OBD數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程的廠商進(jìn)行分析，然后再把信息反饋給用戶。
    通過OBD系統(tǒng)可以對(duì)汽車的狀況有一個(gè)全面了解。標(biāo)準(zhǔn)的OBD提供了9種服務(wù)。

    主要通過Model獲取汽車當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，比如胎壓、電瓶電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等。通過Mode3獲取當(dāng)前發(fā)生的故障碼，通過Mode2返回與故障碼相關(guān)的凍結(jié)幀。通過Mode7找到可能在以后會(huì)發(fā)生的錯(cuò)誤碼。
    OBD協(xié)議支持多種物理，采用29 bit擴(kuò)展CAN總線。OBD有4種通信楨，這4種通信幀在CAN協(xié)議上的實(shí)現(xiàn)如圖2所示，圖2(a)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的格式，圖2(b)為廣播通信格式。

    采用ELM327作為與OBD通信的協(xié)議翻譯器，該芯片支持ISO15764協(xié)議和對(duì)應(yīng)的CAN總線物理層，ISO9141、ISO14230協(xié)議和對(duì)應(yīng)的K-line物理層，SAEJ1850協(xié)議和對(duì)應(yīng)的PWM&VPW物理層，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議。使用ELM327可以提高通用性。采用SIM300作為GPRS通信模塊，采用STM32F103RB作為車載端的主控芯片，128 kB的Flash可以滿足故障信息存儲(chǔ)的需要。

3．2 服務(wù)器方案可行性分析

    (1)數(shù)據(jù)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳送采用面向連接的TCP模式。由于TCP／IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用，絕大部分的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都支持基于TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信媒介不限于有線和無線。在軟件層上，操作系統(tǒng)把對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信抽象成Socket類，在軟件編程上可以通過使用Socket類統(tǒng)一規(guī)范的接口操作數(shù)據(jù)服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行多元網(wǎng)絡(luò)信息交互。
    (2)數(shù)據(jù)服務(wù)器采用OLEDB技術(shù)，OLEDB把對(duì)多元數(shù)據(jù)庫的操作抽象成統(tǒng)一規(guī)范的應(yīng)用層接口，在軟件編程上可以通過使用OLEDB類對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行簡單而規(guī)范化的數(shù)據(jù)操作，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新等。
    (3)數(shù)據(jù)服務(wù)器采用多線程(Multithreaded)的信息處理機(jī)制，多線程的信息處理技術(shù)，提高服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程訪問的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。對(duì)用于多用戶的數(shù)據(jù)服務(wù)器系統(tǒng)，還可以通過多線程來技術(shù)來進(jìn)行不同用戶的信息處理的邏輯獨(dú)立，讓單個(gè)用戶服務(wù)產(chǎn)生異常的情況下以最小的程度影響其他用戶，保證了服務(wù)器的健壯性。
3．3 信息中心方案可行性分析

    (1)信息中心同樣采用標(biāo)準(zhǔn)TCP／IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，軟件編程上使用Socket類統(tǒng)一規(guī)范網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行與數(shù)據(jù)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信，在TCP模式下進(jìn)行的信息交互，使信息完整性有協(xié)議上的保障。
    (2)使用外掛的數(shù)據(jù)解釋庫，對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，便于軟件的固件升級(jí)。
    (3)事件機(jī)制來處理來自操作員的命令，提高軟件對(duì)人機(jī)交互的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。

4 仿真驗(yàn)證
4．1 車載端仿真
    車載端可通過OBD獲取車輛信息并上傳至服務(wù)器。
4．2 服務(wù)器仿真
    在服務(wù)器端可保存有車輛信息和車主信息。配置好網(wǎng)絡(luò)后，服務(wù)器可與信息中心互聯(lián)，從而達(dá)到信息互傳的目的。

4．3 信息中心仿真
    管理員可通過登錄信息中心查詢車輛信息，如圖7所示；進(jìn)行故障處理，如圖8所示；在線監(jiān)測，如圖9所示；設(shè)置監(jiān)聽項(xiàng)，如圖10所示等。

    通過多項(xiàng)查詢、監(jiān)聽項(xiàng)目，可以及時(shí)了解到車輛的狀況并對(duì)其作出處理。

5 結(jié)束語
    隨著汽車使用的普及，做好汽車服務(wù)更是當(dāng)下的重點(diǎn)。車載系統(tǒng)在客戶服務(wù)方面將會(huì)逐步完善、人性化，但對(duì)作為車聯(lián)網(wǎng)重要角色之一的汽車廠商的服務(wù)卻仍未見起始。因此，方案的提出主要是面向汽車廠商，形成一個(gè)為汽車廠商服務(wù)的雛形，為如今國內(nèi)剛起步的車聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供一個(gè)參考。在這基礎(chǔ)上，各大廠商可與各運(yùn)營商等形成一定的合作關(guān)系，完善汽車廠商的服務(wù)工作，共同促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。