基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車智能管理系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

紀(jì)文煜

(無錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程與管理學(xué)院 江蘇省無錫市 214081）

1 引言

在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)需求以及用戶體驗急需升級、完善，從挑選典型產(chǎn)品進一步實現(xiàn)智能化過渡到小型本地系統(tǒng)，整體智能化到最后實現(xiàn)不同場景下物品的無縫連接，即物物連接。作為傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的重要領(lǐng)域，即汽車行業(yè)和智能技術(shù)這兩個領(lǐng)域發(fā)展相對完善，尤其智能交通工具不僅是簡單代步，人們更傾向于地域跨越平臺，使用各種交通工具以達到目的地，在快速移動時能夠感知不同信息處理。當(dāng)前，移動交通占據(jù)人們大量的時間，也是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾獦?gòu)成，人們生活已不再局限于辦公室，家庭等小區(qū)范圍內(nèi)，通過交通工具可實現(xiàn)跨省份、跨國界的節(jié)奏成為常態(tài)，更多人希望通過將固定的家庭生活以及移動交通工具融合，隨時隨地通過移動客戶端來查看汽車運行信息，并進行信息處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離問題解決。本研究提出新型的智能汽車管理系統(tǒng)，其能夠滿足人們對智能出行的需求，同時，借助物聯(lián)網(wǎng)用于不同場景需要是符合未來發(fā)展趨勢的，同時對于云服務(wù)器所儲存的信息進行挖掘分析，利于政府和有關(guān)部門的決策制定，能夠為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益，促使智能產(chǎn)品汽車銷售，維修，尤其是運營商流量管理等市場提升。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

在我們?nèi)粘Ｉ钪形锫?lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮著重要作用，在智慧交通，智能家居，安全防控等方面獲得廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)從一定程度上來看是指借助傳感器設(shè)備，全球定位系統(tǒng)，激光掃描器等多種傳感器，其通過互聯(lián)網(wǎng)遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，以實現(xiàn)物與人，物與物之間的信息交互，更好地實現(xiàn)對物體的監(jiān)測，識別，控制。早期是在1988年由美國麻省理工學(xué)院提首次提出物聯(lián)網(wǎng)概念，之后衍生了物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)象。美國AUTO-ID 闡明物聯(lián)網(wǎng)是基于信息編碼，射頻識別，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上對事物的智能化控制。物聯(lián)網(wǎng)的框架是由以下幾個層次構(gòu)成的，其中感知層主要用于感知被測物理量和信息采集，網(wǎng)絡(luò)層主要包括延伸專用、電信網(wǎng)，完成信息的交互和傳輸，應(yīng)用層主要用于程序代碼的存放與完成，信息處理以及解析，更好的實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能化管理，滿足用戶的使用需求。

2.2 Zigbee以及5G無線通信網(wǎng)絡(luò)

Zigbee 無線通訊網(wǎng)絡(luò)是一種短距離無線通信技術(shù)，是于新工業(yè)時代開展的，隨數(shù)字通信技術(shù)發(fā)展，Zigbee 與Wi-Fi 逐漸進入人們的日常生活中。無線電波是信息傳輸?shù)闹饕浇?，也被認(rèn)為是短距離通信的介質(zhì)，其具有相對穩(wěn)定的傳輸信號。目前Zigbee 無線通訊網(wǎng)絡(luò)能夠支持65535 個節(jié)點，在其網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下節(jié)點之間可實現(xiàn)通信互聯(lián)。在汽車系統(tǒng)應(yīng)用過程中為延長通信距離，需要在cc2530無線通訊模塊中進一步強化功率放大芯片，延長節(jié)點通信距離，使其達到1km 以滿足汽車通信需求。Zigbee 是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)面向信息化以及遠(yuǎn)程智能控制工作，在2.4GHZ 頻段的技術(shù)，是實現(xiàn)自組網(wǎng)近距離無線通信協(xié)議，具有良好性能，功率低，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)忍攸c，也是目前短距離通信的重要設(shè)備。在設(shè)計的過程中，可將cc2530 將其作為Zigbee 無線通信芯片，隨Zigbee 技術(shù)以及通信協(xié)議規(guī)范的發(fā)展，該通信方式成為了智能汽車的發(fā)展趨勢。5G是基于GSM 網(wǎng)絡(luò)前提下搭建的遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)，具有流量耗費低，覆蓋范圍廣，信息傳輸穩(wěn)定等特點，能夠借助TCP/IP 通訊協(xié)議，花費較短時間響應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)永久在線，將多種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，在遠(yuǎn)距離通信過程中可利用全國范圍內(nèi)的GSM 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信號穩(wěn)定傳輸，因此5G 無線通信也被稱為是遠(yuǎn)距離通信的重要方式。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

從整體上來看，汽車管理系統(tǒng)在設(shè)計時是以物聯(lián)網(wǎng)作為背景研發(fā)的，能夠?qū)④嚶?lián)網(wǎng)和汽車實體進行融合，這也是一種新型創(chuàng)新模式，且能夠在低成本和簡單技術(shù)應(yīng)用上來實現(xiàn)。因此在系統(tǒng)總體框架設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)使用低成本，易實現(xiàn)的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計，進一步達到對汽車狀態(tài)的實時管理，如圖1 所示為智能系列管理系統(tǒng)總體架構(gòu)模式以及模塊之間的通信協(xié)議。

圖1

上述兩個子系統(tǒng)可分為三層架構(gòu)體系，在傳感器中采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用技術(shù)不同。在家庭子系統(tǒng)中能夠借助Zigbee 技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，在車系統(tǒng)中為能夠節(jié)省傳感器成本，可采用ODB 協(xié)議可進一步解析ECU 的數(shù)據(jù)信息，網(wǎng)絡(luò)層采用低成本數(shù)據(jù)傳輸方式，Zigbee網(wǎng)關(guān)能夠通過5G 或Wi-Fi 接入家庭路由器，這種情況下，完成Zigbee 協(xié)議可轉(zhuǎn)為TCP/IP 協(xié)議，進一步通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器中，用戶可實現(xiàn)掌上汽車狀態(tài)信息獲取。在汽車上可通過OBD 自帶的LTE 上傳同一云服務(wù)器，以實現(xiàn)系統(tǒng)融合。在應(yīng)用層中僅能夠通過安卓移動客戶端，使用戶通過賬號密碼的登錄，進而實現(xiàn)汽車實時相關(guān)信息同步處理。在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要針對傳感層和網(wǎng)絡(luò)層進行設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)層可借助現(xiàn)有家庭路由寬帶以及移動流量數(shù)據(jù)傳輸，使其達到同一云服務(wù)器中，具體模塊如下：

（1）調(diào)感器，采用FB250X RF 傳感器，其可借助cc2530 芯片并采用一系列的傳感器，包括水浸、可燃?xì)怏w。人體紅外、光照等傳感器。緊急求助按鈕，高清視頻監(jiān)控。

（2）協(xié)調(diào)器，也就是智能網(wǎng)關(guān)，是借助GD32F107 以及cc2530 芯片集成化設(shè)計的傳感器，通過cc2530 芯片能夠?qū)?shù)據(jù)傳送到zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)中，而將cc2530 芯片所接受的數(shù)據(jù)傳送給GD32F107 芯片，進一步將整個協(xié)調(diào)器連接于路由并上傳到互聯(lián)網(wǎng)中，其能夠完成由zigbee 協(xié)議轉(zhuǎn)換TCP/IP 協(xié)議的過程。

（3）汽車OBD 模塊，其能夠用于汽車ECU 數(shù)據(jù)核心模塊解析，OBD 模塊中可插入16 針區(qū)OBD 接口，ECU 能夠?qū)⒄掀嚫鞣N形成數(shù)據(jù)，將其接入到CAN 總線并將數(shù)據(jù)傳送給MCU 實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析處理，最終可通過SIM 模塊借助LET 移動流量將數(shù)據(jù)傳送給云端，以完成數(shù)據(jù)信息采集。

（4）安卓終端能夠基于Java 語言進一步提取云服務(wù)器中的汽車數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)人性化界面設(shè)計，包括汽車數(shù)據(jù)分析，家庭以及家車互聯(lián)這四個模塊。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）汽車系統(tǒng)硬件設(shè)計。比如主控模塊其常采用STM32F107芯片，但通常GD32F107 系列的芯片具有較多性能優(yōu)勢，包括豐富的產(chǎn)品和封裝，能夠制成高主頻、flash 集成，更多ADC 點。主控模塊是GD 網(wǎng)關(guān)設(shè)計的重點，能夠?qū)崿F(xiàn)汽車無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)通信，進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，能夠做到Zigbee 協(xié)議以及TCP/IP 協(xié)議的無縫轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)中，在整個過程中確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，穩(wěn)定性，可靠性，同時利用GD32F107芯片將其作為處理器，ARM CM3 內(nèi)核的頻率最高可達到72M 赫茲，其擁有60 和100 針兩種管腳配置，含有多種封裝方式，能夠支持SWD 以及JTAG 調(diào)試接口，擁有十個定時計數(shù)器和14 個通信接口。在網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計中，采用由美國SMSC 公司所生產(chǎn)的LAN8720A，以太網(wǎng)協(xié)議芯片，該芯片能夠集成以太網(wǎng)phy，Mac 層以及TCP/IP協(xié)議棧，其具有低功耗和低能量探測功能的待機模式，其廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域中，整個網(wǎng)絡(luò)模塊的電路由四個部分構(gòu)成。在供電模塊設(shè)計中，要求電源模塊能夠同時提供給以太網(wǎng)模塊，Zigbee射頻模塊以及GD32F107 主控模塊。在指示燈電路設(shè)計過程中，網(wǎng)關(guān)中含有不同類型的指示燈，在運行過程中可通過指示燈來查看網(wǎng)關(guān)的運行情況，包括Wi-Fi 指示燈，正常運行指示燈，Zigbee 數(shù)據(jù)指示燈以及網(wǎng)絡(luò)連接指示燈。

（2）傳感器子系統(tǒng)，在汽車無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中傳感器子系統(tǒng)是最底層的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，在硬件設(shè)計時采用Zigbee 模塊，串口連接不同類型的傳感器，能夠?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)傳送給GD 網(wǎng)關(guān)中。傳感器是由三個節(jié)點部分構(gòu)成的，包括傳感器模塊，底板供電模塊以及Zigbee 射頻模塊，其中傳感器的節(jié)點所使用的Zigbee 模塊其是于GD 網(wǎng)關(guān)的Zigbee 模塊設(shè)計方式基本一致的，但唯一不同的是增加了傳感器模塊，其可在汽車任意部位放置傳感器節(jié)點。在設(shè)計傳感器節(jié)點電源供電時，可以選擇直流電源供電或電池模式，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于低功耗設(shè)備節(jié)點，在未啟動時可進入休眠狀態(tài)，在使用電池時可提供較長時間運行。傳感器模塊可以滿足汽車需要檢查的任何信息，包括溫度，濕度，氣體排放量等，傳感器的底板能夠集成按鍵，傳感器接口，電位器，電源接口，JTAG 接口以及時鐘模塊，外擴存儲存模塊等。在硬件設(shè)計過程中可以將GD32F107芯片作為網(wǎng)關(guān)，控制單元主芯片主要用于以太網(wǎng)協(xié)議LAN8720A轉(zhuǎn)換芯片的控制，傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點能夠?qū)⑺杉畔⑼ㄟ^網(wǎng)關(guān)Zigbee 射頻協(xié)調(diào)模塊收集之后，進一步通過串行接口將其傳送給CPU，而CPU 可通過地址數(shù)據(jù)總線控制器寫入到以太網(wǎng)芯片，以太網(wǎng)的芯片接收數(shù)據(jù)之后，能夠?qū)⒃蠫D 數(shù)據(jù)打包為以太網(wǎng)協(xié)議包，通過網(wǎng)絡(luò)連接傳送給互聯(lián)網(wǎng)，同時從互聯(lián)網(wǎng)打包到并傳送給主控GD32F107，主控模塊可執(zhí)行一次讀數(shù)操作，并將所讀信息通過Zigbee 射頻模塊傳送給Zigbee 業(yè)網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點以實現(xiàn)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。在這一過程中，網(wǎng)關(guān)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)Zigbee數(shù)據(jù)報文以及以太網(wǎng)報文的雙線轉(zhuǎn)換。比如，當(dāng)Zigbee 一端能夠接收發(fā)往以太網(wǎng)端Zigbee 數(shù)據(jù)包時，此時網(wǎng)關(guān)路由表控制層進入到ARP 解析，確定并轉(zhuǎn)發(fā)給以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址，進一步生成TCP/IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)過TCP/IP 物理層能夠?qū)⑵浒b到以太網(wǎng)中，進而實現(xiàn)由Zigbee 一端向以太網(wǎng)端的數(shù)據(jù)有效傳輸。

（3）OBD 子系統(tǒng)，從該系統(tǒng)的運行原理上來看是通過安卓客戶端通過信息交互，從汽車獲取數(shù)據(jù)進一步完成數(shù)據(jù)無線傳輸分析處理的，相關(guān)功能如下所示為OBD 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。

該系統(tǒng)采用集成封裝ELM327，包括復(fù)位電路，供電電路，晶振電路，藍牙模塊，I/O 模塊，CAN 通信模塊以及OBD 接口電路等。其中ELM327 是RS232 端口和車載診斷的重要通信橋梁，能夠通過AT 指令進一步完成其與汽車之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。以實現(xiàn)對汽車運行情況的故障簡測解析，確保乘車人員的安全性。在本系統(tǒng)中OBD 的硬件采用雙層板的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，能夠直接集成OBD 接口電路，底面可選擇ELM327 芯片進一步對汽車區(qū)OBD 數(shù)據(jù)的實時解析，將配置基于STM32F107 高速CAN 數(shù)據(jù)感知硬件，頂層可接有SIM 卡，通過移動網(wǎng)絡(luò)即5G 進行數(shù)據(jù)上傳。如圖2 所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

從APP 的應(yīng)用程序開發(fā)上來看，對于路途信息板塊的功能實現(xiàn)其采用高德地圖SDK 基礎(chǔ)地圖，導(dǎo)航，定位這三個模塊?；A(chǔ)地圖在實驗過程中可通過map view 控件進一步顯示，，而在activity 的oncreat 函數(shù)實現(xiàn)初始化map view 設(shè)置地圖參數(shù)。如圖3所示為路途導(dǎo)航的關(guān)鍵實現(xiàn)代碼。

完成定位之后可設(shè)置Latlonpont 對象經(jīng)緯度，并進一步調(diào)用函數(shù)更新目前的位置信息以及地圖界面顯示情況，切換地圖模式時需要調(diào)用amap 中setmaptyp 方法，共有四種地圖模式，包括衛(wèi)星，矢量，夜景和導(dǎo)航地圖。搜索位置時，當(dāng)用戶輸入信息之后可調(diào)用Poisearc 中的query 方法進行位置信息查詢，點擊選擇地點將其設(shè)為目的地，則能夠調(diào)用方法路徑并調(diào)用高德地圖進行汽車行駛導(dǎo)航。整個APP 采用上下結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，其中上部分包括位置信息和天氣信息，而下部分包括不同模塊的信息，其能夠采用線性布局的模式，屬于縱向布局方向。其中天氣和位置信息采用線性布局，水平布局能夠保持整個界面布局的簡潔性，通過includ 標(biāo)簽進一步引入模塊代碼。GD 采用高的定位SDK，能夠在home activity 初始化時初始化對象并調(diào)用函數(shù)設(shè)置監(jiān)聽器，進一步獲得汽車的定位結(jié)果，如果定位準(zhǔn)確則能夠返回定位對象獲取目前城市信息，根據(jù)城市是信息進一步調(diào)取當(dāng)前天氣，成功獲取天氣氣后則會調(diào)用接口方法，設(shè)置天氣并將其顯示到界面中，進而能夠完成天氣和定位信息獲取，需要注意的是，在位置信息獲取是需要對權(quán)限進行處理。針對GD網(wǎng)關(guān)子程序來說該程序可實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)能夠接受由用戶從云端所發(fā)來的數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)解析處理，之后可將所解析的指令通過串口進一步發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過zigbee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給設(shè)備。最后由該設(shè)備執(zhí)行對應(yīng)的動作，該設(shè)備能夠?qū)缶涗浲ㄟ^zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器所采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給GD32F107 系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)之后，并且將解析的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，通過云端將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，進一步實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集上傳。

圖2

圖3

5 系統(tǒng)測試

汽車子系統(tǒng)采用OBD 模擬器以實現(xiàn)車輛CAN 總線協(xié)議模擬，該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能，通過實時LCD 顯示各種參數(shù)，該系統(tǒng)具有六個模擬按鈕，能夠分別對汽車的六個重要數(shù)據(jù)進行有效調(diào)節(jié)，其中氧傳感器值為0-1V，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為600-7000rpm，進氣管絕對壓力為20Kpa-101Kpa，汽車行駛速度為0-260Km/h，發(fā)動機冷卻液溫度為-40-120℃，空氣流量為0-30g/s。針對單獨DTC 開關(guān)能夠控制模擬并生成DTC 錯誤碼，能夠用于支持多種協(xié)議。汽車子系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由地理坐標(biāo)，汽車行駛速度，水箱溫度，故障碼，里程數(shù)，油耗數(shù)構(gòu)成的，該系統(tǒng)具有實時跟蹤并反饋汽車運行情況的能力，利于車主及時進行汽車維修保養(yǎng)，可顯著提升行車的安全性，能夠使人們出行更加安全，通過對各種類型傳感器的功能測試，其符合設(shè)計需求并且各項功能能夠?qū)崿F(xiàn)正常運行。

6 結(jié)語

本研究中基于對Zigbee 技術(shù)，安卓系統(tǒng)理論研究開展實驗，設(shè)計符合實際應(yīng)用的智能汽車管理系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車信息實時管理。闡述了整個智能汽車管理系統(tǒng)所需要的關(guān)鍵理論技術(shù)即Zigbee 技術(shù)，該技術(shù)是家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要支持，設(shè)計智能汽車管理系統(tǒng)，研究z-stck 協(xié)議棧，通過移植協(xié)議棧的方式將其轉(zhuǎn)移到cc2530 芯片，進一步實現(xiàn)Zigbee 模塊，無線數(shù)據(jù)通信，并且使用GD32F107嵌入主控芯片，可設(shè)計Zigbee 協(xié)議和TCP/IP 協(xié)議的無縫轉(zhuǎn)換，利用C 語言編程以實現(xiàn)芯片外圍設(shè)備驅(qū)動，同時可利用OBD 模塊連接汽車CAN 總線，可解析ECU 汽車數(shù)據(jù)。本研究通過對基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車智能管理系統(tǒng)進行反復(fù)測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對汽車數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有易于移植和良好的通用性，能夠在安卓操作平臺中使用，表明該系統(tǒng)具有較高的市場應(yīng)用價值。