基于移動(dòng)終端的車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董曉璐，金 鵬

(北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144)

目前移動(dòng)終端與車(chē)的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行通信的產(chǎn)品或者應(yīng)用還處于開(kāi)發(fā)階段，汽車(chē)監(jiān)控產(chǎn)品只能顯示部分位置、定位等的基本數(shù)據(jù)，將設(shè)備放置在車(chē)上專(zhuān)用于定位監(jiān)控。而本設(shè)計(jì)是基于移動(dòng)終端上的研究，可方便車(chē)主全面地了解汽車(chē)狀態(tài)，實(shí)時(shí)地更新數(shù)據(jù)，甚至能用移動(dòng)設(shè)備控制車(chē)輛。另一方面，方便管理和監(jiān)控，保護(hù)了車(chē)主的隱私，當(dāng)打開(kāi)移動(dòng)終端的客戶軟件和控制器時(shí)，實(shí)時(shí)通信;當(dāng)關(guān)閉軟件和控制器，并不傳播無(wú)線信號(hào)，保證車(chē)輛信息的安全。這樣，汽車(chē)通過(guò)與移動(dòng)終端的互動(dòng)，就能分享汽車(chē)本身的基本信息，如位置、油量、里程等，而無(wú)需增加成本安裝GPRS 或者中控臺(tái)，做到資源的最大化利用和管理［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選取藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，利用藍(lán)牙芯片的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編寫(xiě)協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信;移動(dòng)終端的上層應(yīng)用在安卓平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，Java編寫(xiě)相關(guān)程序，生成的apk 安裝在移動(dòng)終端上，藍(lán)牙上傳的數(shù)據(jù)可保存，通過(guò)移動(dòng)終端的蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行摹?S 店、分享中心等。

圖1 系統(tǒng)總體流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本文選取飛思卡爾X 系列單片機(jī)MC9S12XF512，集成CAN 控制器，SCI/SPI 接口，雙通道FlexRay，方便日后連接汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。CTM8251 是一款帶隔離的通用CAN 收發(fā)器芯片［2］，CAN 模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。

圖2 CAN 模塊設(shè)計(jì)框圖

藍(lán)牙模塊，采用CSR 主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓3.3 V，可通過(guò)SCI/SPI/USB 等接口連接外圍電路，有效傳輸范圍10 m。根據(jù)藍(lán)牙模塊的實(shí)際大小畫(huà)出原理圖和封裝，其中原理圖如圖3 所示。

圖3 藍(lán)牙模塊原理圖

電源電路設(shè)計(jì)采取兩種供電方式，由汽車(chē)上的供電電源(24 V/12 V)或USB 供電，當(dāng)距離較遠(yuǎn)不能連接汽車(chē)電源時(shí)，使用備選USB 接口充電，充電電源由移動(dòng)電源或者電腦USB 口提供。設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，根據(jù)模塊工作電壓需要提供5 V 給單片機(jī)供電，3.3 V 給藍(lán)牙模塊供電，保障模塊的正常供電和反接保護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層軟件設(shè)計(jì)

底層軟件設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)式控制，整體采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)功能分解為多個(gè)子模塊。系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化，完成之后，即進(jìn)入主循環(huán)。在主程序被引導(dǎo)后，第一步執(zhí)行軟硬件初始化任務(wù)，申請(qǐng)需要的軟件資源，配置硬件參數(shù)，如時(shí)鐘、定時(shí)器、IO 口、串口、CAN 等，并使能相關(guān)外設(shè)。第二步進(jìn)入主循環(huán)，包括電源管理、CAN 數(shù)據(jù)采集及故障診斷、SCI 通信、發(fā)送任務(wù)管理等子模塊。其中采用中斷接收SCI 接口的數(shù)據(jù)和CAN 總線的數(shù)據(jù)，設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的優(yōu)先級(jí)最高，保證數(shù)據(jù)的完整性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。數(shù)據(jù)通信的處理過(guò)程:在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，使用自定義的數(shù)據(jù)幀［3］。所以單片機(jī)接收到CAN 幀時(shí)，要處理數(shù)據(jù)，讀取CAN 幀中的有用數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)的TXD 發(fā)送出去;同理，單片機(jī)接的RXD 接收到數(shù)據(jù)，也要處理數(shù)據(jù)，還原成CAN 幀。這樣，數(shù)據(jù)通過(guò)加前后校驗(yàn)和標(biāo)識(shí)，上層通過(guò)判斷這些標(biāo)識(shí)來(lái)確定汽車(chē)的基本信息，也可保障安全性。底層軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖

在底層軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，最重要的是CAN 總線通信的設(shè)置。當(dāng)CAN 總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，無(wú)論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，均對(duì)其進(jìn)行接收［4］。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，要設(shè)置總線的標(biāo)識(shí)符，可通過(guò)配置CANIDARX 和CANIDMRX 實(shí)現(xiàn)ID 濾波，這種配置，節(jié)約了時(shí)間和空間，將不需要的ID 濾除，只保留有效ID，大幅提高了運(yùn)行速度［5］。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，汽車(chē)上的控制器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自身的標(biāo)識(shí)符傳送給CAN 控制器，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)其收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN 芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)處理器處于接收狀態(tài)，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收。由于CAN 總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置，在CAN 總線中加進(jìn)一些新的接收站而無(wú)需在硬件或軟件上進(jìn)行修改［5］。

系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)使用周立功的CANTest 工具［6］模擬汽車(chē)的CAN 總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù);藍(lán)牙適配器與藍(lán)牙模塊配對(duì)連接，藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙適配器上傳到虛擬串口。這樣，CANTest 與串口助手的數(shù)據(jù)能直觀地反映通信過(guò)程［7］。調(diào)試結(jié)果如圖5 所示，虛擬串口的數(shù)據(jù)與CAN 總線的數(shù)據(jù)一致，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)通信。當(dāng)控制器與藍(lán)牙適配器的距離在8 m 以內(nèi)時(shí)，傳輸速率9 600 bit·s－1，通信正常;距離＞8 m 時(shí)，由于環(huán)境的干擾和藍(lán)牙本身的距離約束，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，無(wú)法保證通信。

圖5 通信調(diào)試結(jié)果圖

3.2 上層應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上層應(yīng)用選擇在開(kāi)發(fā)的安卓操作系統(tǒng)下進(jìn)行，安卓系統(tǒng)廣泛用于移動(dòng)終端設(shè)備，適用性強(qiáng)。采用流行的開(kāi)發(fā)工具Eclipse，安裝ADT(Android Development Tools)，Java 編寫(xiě)程序［8］。

上層軟件首先通過(guò)請(qǐng)求獲得藍(lán)牙的響應(yīng)權(quán)限，來(lái)操作移動(dòng)終端上的藍(lán)牙模塊，配置本地的藍(lán)牙，打開(kāi)、關(guān)閉、名稱(chēng)、密碼等。然后移動(dòng)終端通過(guò)自帶的藍(lán)牙模塊去搜索訪問(wèn)主控制板上的藍(lán)牙芯片，建立連接通信，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)操作［9］。上層應(yīng)用程序使用這些數(shù)據(jù)做成相關(guān)的應(yīng)用，圖形化曲線、報(bào)警、優(yōu)化、控制操作等。最終生成Android 安裝包，移動(dòng)終端可以安裝更新，用戶可根據(jù)需要下載相關(guān)的應(yīng)用［10］。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從應(yīng)用的角度介紹了滿足用戶體驗(yàn)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的硬件和底層軟件設(shè)計(jì)以及上層軟件的實(shí)現(xiàn)方法。開(kāi)發(fā)過(guò)程證明，在本設(shè)計(jì)中硬件方面選用實(shí)用性強(qiáng)的藍(lán)牙協(xié)議芯片HC－05 和高性能的微處理器MC9S12XF512MLM，滿足系統(tǒng)的要求并且將開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使產(chǎn)品具有更高的性價(jià)比和后續(xù)開(kāi)發(fā)的實(shí)用性。該部分的高效率應(yīng)用為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。雖該系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)該功能，但仍需完善，比如本系統(tǒng)的上層軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，希望今后在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)更多的應(yīng)用，讓用戶體驗(yàn)更多的功能。

［1］ 劉峰.瀏覽器服務(wù)器結(jié)構(gòu)的車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［2］ 李偉.基于雙MsP430F149 單片機(jī)的車(chē)載監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［3］ 王嬋娟.基于CAN 總線的汽車(chē)車(chē)載遠(yuǎn)程終端監(jiān)控系統(tǒng)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009(3):127－128.

［4］ 張弘.基于CAN 總線的信號(hào)采集與處理模塊研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［5］ 曹珊，于秀敏，高瑩，等.CAN 總線在混合動(dòng)力電動(dòng)公共汽車(chē)中的應(yīng)用［J］.汽車(chē)技術(shù)，2005(6):13－17.

［6］ 呂京建，張宏韜.CAN 總線的淺析CANopen 協(xié)議［J］.電子產(chǎn)品世界，2002(9A):24，26－27.

［7］ 鄭海燕.基于GPS 的車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013(3):148.

［8］ Venkat Subramaniam，薛笛.Java 虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)編程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［9］ 史雅云.車(chē)載導(dǎo)航終端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2007.

［10］王盟，馬艷崢，徐曉輝，等.一種無(wú)線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(1):30－32.