基于Telematics的电动汽车远程监控系统设计

刘金江，颜伏伍，杜常清

（武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070）

随着人们环保意识的增强，电动汽车受到越来越多的关注。目前，由于动力电池能量密度和稳定性的限制，电动汽车的续航和稳定性也有一定的局限性。因此，为了保证电动汽车的安全性，掌握行车的实时及历史信息，从而指导电动汽车的优化设计，建立监控电动汽车运行状况和车辆信息的实时监控系统显得相当重要，这也成为汽车发展的一个重要研究课题[1]。

伴随着汽车工业和互联网技术的高速发展，特别是GPRS/2G/3G/4G等技术的实现，汽车电子与无线通信技术相结合的远程信息处理（telematics）技术得到了广泛的重视、研究和发展。Telematics技术的发展为汽车远程监控和远程服务的研究提供了基础。文献[2]提出了采用投影法和曲线拟合算法对车辆进行实时定位的方法；文献[3]采用Modbus TCP协议与数据服务器建立连接，实现了协议转换；文献[4]提出了一种基于无线网络技术的车辆实时信息监视方法。然而，这些研究仅仅实现了单向的采集车辆信息，无法实现监控中心与车辆的双向交互，也无法对车辆进行远程控制。

以下介绍基于Qtouch组态软件的电动汽车远程监控系统，重点阐述车载终端的软硬件实现方法。基于设计的系统在实车试验中实现了对车辆与监控中心实时双向的数据交互，并且基于无线网络对车辆实现远程控制，控制对象包括车门、空调、发动机。

1 远程监控系统的架构

远程监控系统主要由两大部分组成，即服务终端和车载终端，系统的总体架构如图1所示。

图1 远程监控系统的架构Fig.1 Architecture of the remote monitoring system

车载终端完成汽车数据的采集和执行远程控制指令，主要由3G模块、GPS模块、存储模块、TRC（telematics remote controller）模块和CAN接口模块组成[5]。其中，TRC模块主要完成远程控制指令的解析，CAN接口模块与整车CAN网络相连接，实现数据采集和车辆控制。

服务终端一般放置在监控中心，主要对监控车辆的重要信息进行实时分析和处理，同时可以对车辆实现远程控制。服务终端的软件基于Qtouch组态软件设计，可同时监控多辆汽车，并将数据存储至MySQL数据库。

远程监控系统的监视流程是车载终端通过CAN总线获取整车关键信息，通过UART接口与3G模块通信，然后借助移动网络将数据传送至服务终端。

远程监控系统的控制流程是服务终端通过3G移动网络给指定的被监控车辆发送控制指令，车载终端接收3G网络指令并解析，然后通过CAN总线控制报文的形式实现对车辆执行机构的控制。

2 远程监控系统的设计

2.1 车载终端的设计

车载终端在硬件架构上，包含有无线通信模块（3G）、CAN总线通信接口模块、TRC模块、数据存储模块、人机交互界面模块等。其总体硬件架构如图2所示。

图2 车载终端的硬件架构Fig.2 Hardware architecture of vehicle terminal

车载终端高度智能化，核心控制单元必须提供相应的控制和通信接口才能实现复杂的功能。

车载终端设计的关键是解决设备与整车电气及通信系统的兼容性问题。目前大多数汽车都提供诊断接口，该接口采用J1962的标准接口，如图3所示。由于当前电动汽车并没有采用统一的OBDⅡ通用通信接口协议，故针对不同电动汽车通信协议的差异，设计了OBDⅡ与UART的转换模块，由此根据车辆OBDⅡ协议类型，自动选择相关协议与汽车诊断接口通信。

图3 J1962标准诊断接口Fig.3 J1962 standard diagnostic interface

转换模块的设计选用埃尔姆公司的OBDⅡ到串口的转换芯片ELM327。该芯片支持 CAN、ISO 91412、SAEJ 1850等多种协议，能够根据车辆OBDⅡ协议类型，自动选择相关协议与汽车诊断接口通信。ELM327可将上述协议转换为串口通信协议，从而与车载终端的主MCU实现信息交互。

车载终端的软件采用分层设计的方式，由下往上依次是硬件层、驱动层、操作系统层、中间接口层和应用层。各层相互独立，下层为上层提供服务。车载终端的软件架构如图4所示。

图4 车载终端的软件架构Fig.4 Software architecture of vehicle terminal

在上述ARM+DSP的硬件平台上，加载嵌入式操作系统，如Android、Win CE等。嵌入式操作系统可以提高系统级任务管理和调度功能，提供良好的HMI和GUI。应用层软件可以通过各类API接口，很好地完成各种服务功能。

2.2 服务终端的设计

基于Qtouch组态软件设计的服务终端为系统提供监控平台，其主要功能为解析并展示车载终端上传的数据；实现远程控制汽车执行机构；数据分析、离线回放、数据存储，故障报警。

服务终端的监控界面如图5所示。用户可以通过服务终端实时查看车辆状态信息，只有具备权限的用户才能进行登录访问。用户能够通过监控平台实时了解电动汽车的行驶状态以及关键零部件的工作情况，如电池、电机、整车控制器、里程等信息。用户也能够对监测数据进行数据处理，包括统计报表和趋势分析等。当汽车出现异常时，监控中心能够接收到实时故障报警的提示，并将报警提示远程发送至车载终端进行提醒，视情况可对车辆包括车门、车窗、空调和发动机等进行远程控制，从而更加方便快捷和智能。

图5 服务终端监控界面Fig.5 Monitoring interface of service terminal

2.3 智能化功能说明

远程系统可以实现车载终端与服务终端信息的实时双向交互，更加智能化。

信息推送服务终端可以根据车载终端上传的信息推送相关的报警或提示信息，例如：提示当前电量还可行驶的距离，推送最近的充电站位置信息，还可以推送实时路况信息等；

远程控制根据车载终端用户的设定，定时远程控制汽车的相关系统，比如天气炎热时提前远程开启空调。

3 试验验证

为了验证远程监控系统的功能，利用一台连接无线网络的电脑作为服务终端，运行Qtouch监控软件。车载终端通过CAN接口模块与实车连接，完成了以下功能验证：①车辆定位及状态监控，远程监控系统实时定位车辆位置，获取GPS信息，还能够获取车速、运动方向等信息，并实现超速报警功能；②通过服务终端实现对指定车辆空调系统和车门系统的远程控制。功能测试截图如图6所示。

图6 测试截图Fig.6 Testing screenshot

4 结语

远程监控系统是Telematics技术在汽车领域的专业运用，实现了车载CAN网和3G无线传输技术的融合。该系统具有开放性，为车联网技术的研究奠定了基础；具有超强的数据处理和传输能力，能够实时反映车辆运行状况、位置信息和CAN数据信息，对其进行分析、生成图表，并可以对车辆的部分系统进行远程控制。

虽然Telematics汽车远程监控系统发展迅速，但是行业内尚未形成完善的体制和技术标准，汽车制造商和移动通信运营商应积极开展合作，共同开发、制定统一的标准规范，以推动Telematics产业更好更快的发展。可以预见，随着3G/4G技术、VR技术、定位技术等高新技术的发展成熟，Telematics产业必将发展成熟并带来无限商机。

[1]鲁松涛.基于Internet的汽车电子远程诊断技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2004.

[2]杜常清，杜刚.电动汽车远程监控技术研究及平台开发[J].汽车工程，2015，39（9）：1071-1076，1083.

[3]李晶，孟利民.Modbus TCP协议在远程监控系统中的应用设计[C]//第二届亚太地区信息论学术会议论文集.北京：中国电子学会信息论分会，2011年亚太地区信息论学术会议组委会，2011.

[4]黄爱蓉.车辆信息实时监控系统的设计和实现[J].计算机工程与设计，2010，31（8）：1839-1843，1847.

[5]苏子林，韩晓玲.基于GIS/GPS/GSM的车辆监控系统设计与实现[J].计算机工程与应用，2003，39（19）：206-209.