一種車輛實時監控系統設計

劉易鑫，劉會衡

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著社會經濟的發展，汽車數量不斷增多，汽車事故發生率日益增加，攀升的事故發生率也逐漸成了限制汽車行業可持續發展的重要因素[1]。因此汽車的行駛安全也成了行業和社會關注的焦點[2]。在現代車輛管理中，結合移動互聯網與GPS 等技術，通過智能車載設備的運用，可以實現對車輛智能化的實時追蹤和管理，達到車輛監控的目的。實時、便捷的車輛監控系統不僅可以提高車輛的動態管理效率，而且具備報警功能，進而能夠提升汽車在行駛期間的安全系數，同時可以降低因汽車故障造成的財產損失和人員傷亡。因此，本文設計了一種車輛實時監控系統，通過GPS 定位模塊和車載傳感器可以采集車輛行駛的狀態數據，并通過藍牙將數據傳給近端，如車輛用戶的手機；同時還可通過4G無線通信模塊將數據傳送給云端的服務器，進而實現車輛行駛狀態的遠程監控功能，方便管理者監控各車輛行駛數據。

1 系統整體方案設計

車輛遠程監控系統總體框架如圖1 所示。該系統主要由汽車數據采集模塊、數據處理模塊、車載診斷（on board diagnostics, OBD）模塊、藍牙模塊、通信模塊以及遠程監控平臺構成。其中，數據采集和處理模塊負責收集和處理車輛的數據，再通過藍牙模塊實現手機端的實時監控，并通過通信模塊與遠程管理平臺進行信息交互，實現遠程人機互動。此外，遠程監控平臺還可把收到的數據做分類存入數據庫，以達到對所有車輛的一體化管理、監控和報警功能。其中OBD 模塊使用藍牙通信協議模塊進行數據傳輸；防盜模塊采用ZigBee 技術，將ZigBee 模塊安裝在汽車的窗戶和門上以獲取門窗的開關數據；GPS 定位模塊主要利用北斗衛星實現車輛的位置信息采集。

圖1 系統總體框架圖

2 系統硬件設計

車輛實時監控系統的基本原理如圖2 所示。該系統以STM32 單片機為主控芯片，由OBD 協議轉換模塊（ELM327）、GPS 模塊、4G 通信模塊、藍牙模塊、電源模塊及Flash 數據緩存模塊組成。

圖2 車輛遠程監控系統原理框圖

■2.1 OBD 協議轉換模塊

如圖3 所示，OBD 協議轉換模塊利用了ELM327 芯片，將OBD 協議數據轉換成RS232 輸出，從而準確地把車輛信息傳送到CPU[3]。

圖3 ELM327 電路圖

目前 OBD 系統的標準由國際標準化組織（ISO）頒布的 OBD-II 標準推動，OBD-II 標準規定了故障碼的格式、數據的通信協議等，以確保不同品牌和型號的車輛都能使用相同的診斷工具。本設計中，OBD-II 協議是汽車電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）與車載終端通信的基礎[4]。車載設備利用多個外置傳感器獲取數據，借助ECU 進行處理，并利用CAN 總線進行信息傳輸。CAN 總線還用于輪胎壓力監測系統、GPS、安全帶警示設備及車速監控器等各種信息的傳輸。

■2.2 GPS 定位模塊

NEO-6M 模塊屬于GPS定位模塊中的一種，它以TTL 電平作為輸出方式，可通過串行接口與監控系統連接，并能對不同參數的串口進行設置。該模塊不僅有著高效和低能耗的優點，同時還具有較好的兼容性[5]。該GPS 定位模塊的電路如圖4所示。

圖4 GPS 定位模塊電路圖

■2.3 藍牙模塊

本設計采用的是 HC-05 藍牙模塊，其電路如圖5 所示，它主要由藍牙芯片和外部電路組成。藍牙芯片是模塊核心部件，它負責處理藍牙通信的各種協議。HC-05 是一款符合藍牙2.0 規格的串行通信模塊，它有能力通過串行端口與微控制器交互，從而實現微控制器與藍牙設備之間的無線數據傳輸。此外，HC-05 藍牙模塊采用了藍牙從機模式，可以與主機設備（如手機、電腦等）進行藍牙通信。當藍牙模塊接收到藍牙信號后，便以串口的形式向主控芯片發送消息。

圖5 藍牙模塊電路圖

■2.4 電源模塊

電源模塊采用的芯片是ME6210A30PG。ME6210 系列屬于線性調壓器類別，特征為低靜止和低耗損，能應對最高18V 的工作電壓。特別是ME6210A30PG 型號，它的輸出電路能夠釋放出高達500mA的電流，其穩定的輸出電壓為3.3V，并且能夠有效地為各個模塊供電，詳細電路設計如圖6 所示。

圖6 電源電路圖

3 系統軟件設計

本文所設計的車輛遠程監控系統軟件，基于 OBD 協議，主要分為 OBD 終端監控程序和監測界面設計兩部分。OBD終端監測程序通過運用定位模塊和車輛數據收集模塊，獲取車輛位置的經緯度信息。此后，它會與手機和云端服務器建立聯系，向手機和遠程管理平臺傳送數據。在數據上傳至手機和遠程管理平臺之前，車載終端會遵照預先設置的數據規格格式化和包裝數據，然后通過使用 JT/T808 協議將其發送至服務器。一旦手機和遠程管理平臺接收數據，會開始對數據的解析工作。最終通過手機APP 和Web 網頁端來呈現車輛運行數據信息，軟件整體流程如圖7 所示。

圖7 軟件整體流程圖

■3.1 OBD 檢測程序設計

本文所設計系統利用 EST327 協議轉換芯片實現與汽車ECU 的交流，借由 JT/T808 協議使車載終端與控制平臺進行通信。在OBD 監控系統的程序中，首先是對系統 I/O 接口、傳輸功能以及應用功能的初始化；然后用 AT 命令進行對 EST327的讀取與寫入，讀完車輛內部 ECU 的實時數據后，將其轉化為統一的 OBD 數據，再通過CAN 總線方式將其發送至車輛各個ECU, 并在此過程中對數據進行是否正常的判斷。如果數據正常，就將其上傳至服務器；假如數據出現異常，就解析異常數據的錯誤編碼，產生錯誤編碼儲存后上傳至服務器。其程序流程如圖8 所示。

圖8 OBD 檢測程序流程圖

■3.2 JT/T808 通信協議

車載終端與本地手機和遠程監控平臺的通信標準由交通部發布的 JT/T808 協議設定，它基于TCP 或UDP 進行數據傳輸，且每個數據包都包含標志位、消息頭、消息體和校驗碼。為了使系統數據近距離傳輸時更加高效安全，手機數據通過藍牙模塊進行傳輸。藍牙模塊會整理收到的數據，并以數據包的方式將其發送到手機。手機接收數據并對數據進行處理和保存，同時立即將接收到的數據進行顯示。這樣用戶就可以隨時登錄手機APP 數據管理平臺實時了解當前汽車的狀態以及位置等相關信息。

藍牙模塊程序設計流圖如圖9 所示。為了讓系統的藍牙模塊能夠無阻礙地傳輸數據，首先必須對藍牙模塊進行初始化，緊接著啟動主控制單元。接下來，主設備會開始搜尋周圍的藍牙設備，一旦找到相關設備，會立即釋放構建連接的命令以便建立起鏈接。鏈接成功后，就可以開始數據傳遞。此類通信完成后，主設備和配套設備都能發布切斷連接的命令。在搜尋周邊藍牙設備的過程中，可能會無法獲取查詢結果，因此上述步驟僅為常規模式的流程。如果在發送任何一次指令包時，接收到錯誤的事件包，那么這條指令就需要不斷地重復發送，直到成功為止。

圖9 藍牙模塊數據傳輸流程圖

遠程監控平臺的數據傳輸則主要通過4G 無線模塊實現。其他模塊向4G 無線通信模塊發送的所有數據，在向遠程監控管理平臺發送前都需要經過JT/T808 協議進行定義封裝，然后經由TCP/IP 協議，最終到達遠程監控管理平臺。由于遠程監控管理平臺接收到的數據信息是由JT/T808 協議封裝過的，所以其他模塊對接收到的數據要經由JT/T808 協議解析才能最終返回結果。

4 系統測試分析

所設計的車輛實時監控系統如圖10 所示。通過將整個OBD 檢測裝置連接到車輛的DLC 接口，啟動小車，就能獲取相關的車輛數據。

圖10 系統實物測試數據圖

測試過程中，近端車輛使用用戶的手機會收到車輛行駛的實時數據，并通過設計手機端APP 界面進行數據顯示，如圖11 所示，可以正常顯示車輛的剩余油量、續駛里程、總里程、油壓、門鎖開關等基本信息，同時通過車況查詢、車輛定位等菜單還可進一步顯示車輛的其他行駛數據。

圖11 近端手機APP 人機交互界面

在遠程的云端服務器，也可同步接收到車輛的實時行駛數據，如圖12 所示。這里選擇的是阿里云服務器，從圖中看出，遠端可以同樣監測到車輛的燃油狀況、車輛速度、汽車胎壓等各種車輛狀態信息。

圖12 遠程Web 人機交互界面

5 結束語

本文采用模塊化設計，提出了一種基于STM32 單片機的車輛實時監控系統，通過建立硬件電路，監測與收集車輛引擎ECU 相關的參數，成功地將信息實時發送至手機和服務器。該系統可以有效地獲取車輛信息和故障代碼，通過手機APP 或網頁端查看動態數據，實現了對車輛的實時監控和故障檢測，為車主提供了車輛引擎健康狀況和汽車維護需求的數據依據，滿足了系統設計的終極目標。