《电子技术应用》

电动汽车远程监控与服务系统开发

2016年电子技术应用第12期 作者:李亚伦1,徐 健1,柳 伟2,杨世春1
2017/1/11 14:01:00

李亚伦1,徐  健1,柳  伟2,杨世春1

(1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院,北京100191;2.上海大众汽车有限公司,上海201805)


    摘  要: 针对电动汽车设计了远程监控与服务系统。该系统基于数据采集和无线远程数据传输,实现了车辆运行参数的实时上传与存储。车载控制器完成数据采集与发送,服务器按照模型对象对数据进行存储、分析与处理,客户端为用户提供监控和命令视图,实现车辆的监控功能。服务器通过对运行数据进行分析处理获取车辆服务信息并发送给车载终端控制器,实现车辆的远程服务功能。该系统在长城A0级小型城市纯电动轿车试验样车上测试,具有良好的实用性及稳定性。

    关键词: 远程监控;远程服务;车载控制器;服务器;客户端

    中图分类号: U461.8

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.008


    中文引用格式: 李亚伦,徐健,柳伟,等. 电动汽车远程监控与服务系统开发[J].电子技术应用,2016,42(12):34-36,40.

    英文引用格式: Li Yalun,Xu Jian,Liu Wei,et al. Development of remote monitoring and serving system for electric vehicle[J].Application of Electronic Technique,2016,42(12):34-36,40.

0 引言

    电动汽车作为一种以清洁能源为动力的汽车, 正处于产业的导入期[1]。实时、充分掌握电动汽车关键部件的运行参数和故障状态成为其示范运行和推广过程中的重要环节, 这些数据为政府、汽车厂商以及用户对电动汽车的评价与维护提供了重要依据。

    近年来,针对电动汽车的远程监控系统被大量研究。天津大学开展了基于GPRS和Internet的电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的研究,提出了示范运行过程中远程监控系统的一种解决方案[2]。吉林大学和同济大学则针对多辆电动汽车规模示范运行过程中的远程监控系统进行了设计,并在实际运行过程中取得了良好的效果[3,4]

    本文对电动汽车远程监控系统的架构和技术方案进行了详细阐述和优化设计。一方面提出了电动汽车远程监控系统的可行技术方案;另一方面,基于对车辆运行参数的分析处理,实现了面向驾驶员的远程服务系统。

1 系统基本架构和工作原理

1.1 系统拓扑结构

    系统由安装在电动汽车上的远程监控车载终端、运行在数据中心的服务器以及运行在个人PC上的远程监控客户端三部分组成。图1表示了本系统的拓扑结构。

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    远程监控车载终端实现对电动汽车的位置、速度、动力系统状态等信息的采集,并将获取的数据发送至数据中心。数据中心对车载终端上传的数据进行存储和处理。远程监控车载终端和客户端对服务器进行访问,为用户和驾驶员提供信息查询和显示。远程监控客户端与数据中心之间、车载终端和客户端之间均应实现双向数据传输,实现系统功能并确保系统运行稳定。

1.2 数据通信与传输

    为确保信息的快速获取和高效传输,讨论和制定了数据采集、传输使用的通信网络和通信协议,最终确定采用基于CAN网络和CAN协议的数据采集机制,以及基于WCDMA网络和TCP/IP协议的数据传输机制。

    CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络,具有高性能、高可靠性和高实时性的特点,在汽车通信网络中得到广泛应用[5]。通过CAN网络获取电动汽车的运行参数和故障信息,能保障数据的实时性和可靠性。在电动汽车远程监控系统中,采用了CAN通信的方式采集车辆的运行信息。

    现行的无线通信网络主要包括WiFi网络、GPRS网络、3G网络。WiFi由于其传输距离短、覆盖率不高,在车辆远程监控系统中并不适用。3G网络是新一代的蜂窝通信技术,其通信速率高于GPRS,且覆盖率高,更适用于远程无线数据传输[6]。本系统采用3G网络作为数据传输的载体。

1.3 车载终端设计

    车载终端需要实现监控数据的采集、发送和面向车辆的服务信息获取。通过CAN网络和GPS模块采集电动汽车运行信息上传至服务器,同时通过无线网络从服务器获取辅助驾驶信息,如车辆剩余里程、剩余电量等。另一方面,车载终端还需要实现面向服务中心的设置功能。通过接收来自服务器的指令,实现了服务器对车载终端的控制,从而改变车载终端的运行状态,如改变数据上传的速率、发出故障状态提醒等。

    根据车载终端的功能需求,设计出车载终端基本架构如图2所示。在本系统中,选择Infineon XC2000系列单片机作为系统的主控芯片,该芯片具有高速处理性能以及丰富的硬件接口和软件功能,成本较低,适用于远程监控系统[7]。选择SIMCOM SIM5320E作为系统通信芯片,该芯片嵌入有TCP/IP协议[8],节省了微处理器的时间和空间资源[9]。SIM5320E通过天线与服务器进行通信,通过GPS模块获取位置信息。CAN模块用于读取车辆状态,Flash模块用于存储程序与数据。通过各模块之间的协调运行,实现车载终端的功能。

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1.4 服务器架构设计

    服务器的系统架构应当达到安全性、可靠性、可定制性、可拓展性、可维护性[10]。选择Linux+Apache+PHP+MySQL作为服务器系统的软件架构。服务器在整个系统中起到中转和存储数据的作用,服务器接收车载终端和客户端软件发送的数据,同时能够对接收到的数据进行分析处理。服务器软件应该具备3个功能模块:存储模块、解码模块和数据接口模块。

    存储模块的设计架构如图3。其中存储引擎负责调度程序中各模块的运行,变量信息采集器负责将服务器获取的信息存储于变量队列中,存储配置文件负责配置项目的工程信息。解码模块将数据包按照远程监控系统通信协议解析成实际物理量。数据接口模块通过网络数据传输接口接收各种数据源包,通过组合、拆解的方式组成待解码数据包。数据接口采用配置文件导入系统的方式实现系统的灵活配置。 

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2 电动汽车远程监控系统

    在系统已有架构的基础上,开发出远程监控客户端,为用户提供了电动汽车参数实时显示、故障信息预警和历史数据回放等功能,实现了对电动汽车实时运行情况的监控。

    服务器和客户端之间的架构方式主要有B/S架构和C/S架构[11]。本系统为典型的B/S架构的系统,客户端直接向服务器进行数据请求,并将数据显示给用户。但在本系统的车辆定位功能中,需要实现地图信息系统。如果使用B/S结构的地图信息系统,用户需要使用专门的商业软件进行交互,价格昂贵。随着到网络技术的发展,可以使用Google Maps、百度地图等实现WebGIS,将系统成本大大降低。因而地理信息系统采用C/S架构。运行参数显示功能使用B/S结构实现,地图功能使用C/S结构实现,整个系统为C/S、B/S的混合结构。

    图4所示为远程监控客户端定位界面。本系统客户端软件开发采用了基于Eclipse RCP的架构,底层使用JAVA语言开发[12]。RCP是基于Eclipse的插件开发和运行机制,其提供的界面控件实现了本监控系统的界面应用。远程监控客户端实现了车辆的管理功能、实时信息的查看功能、车辆定位功能、轨迹回放功能、分析图表功能、设置菜单功能、文件功能等。

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3 电动汽车远程服务系统

    电动汽车远程监控系统采集的车辆运行数据被存储至服务器中。通过面向对象和模型的数据存储,提取表征电动汽车运行状态的特征参数,可以获取更多的电动汽车运行信息。在本系统中,通过电动汽车的历史数据和当前运行状况,提取出当前电量下电动汽车的续驶里程,并将该信息发送至车载终端,实现了电动汽车的远程服务。

    位置模型存储车辆所在位置的精度、纬度、海拔等信息,得到车辆路况的特征参数。电池模型存储了电池的电压、电流、容量、SOC等信息,得到车辆的剩余电量信息。电机模型存储了电机的电压、电流、转速和转矩信息,得到动力电机能量消耗的特征参数。车辆模型存储了车速、踏板位置、附件(空调等)运行状况,得到车辆运行状况参数。

    电池模型的特征参数与电池存储电能正相关,而其他各模型的特征参数与车辆单位里程能量消耗率负相关。以e1,e2…en表征各模型参数,电动汽车的续驶里程y通过式(1)线性拟合得出:

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式中函数f为各特征参数与续驶里程之间的拟合函数。随着电动汽车行驶里程的增加,数据样本量增大,拟合函数的精确性得到提升,从而使远程服务系统能够估计当前状况下汽车的剩余续驶里程。

4 功能测试与试验

    为检验系统功能,该远程监控与服务系统被安装在长城A0级小型城市纯电动轿车试验样车上,分别对该系统的数据传输的准确性、数据传输的实时性进行了测试。

    用户通过远程监控系统的客户端界面获取车辆的位置和各部件运行状态参数,如图5所示。

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    为测试系统数据传输准确性,对实际车速和系统采集车速信息进行对比,如图6所示。在60 min的采集时间内,远程监控系统采集数据与参照数据保持一致,仅在10 min时刻,由于GPS信号较弱产生了数据偏差,数据偏差在系统可接受范围内。系统准确性满足远程监控系统需求。

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    为测试系统数据传输实时性,对单辆和多辆电动汽车的数据传输时间进行测试,延时时间随测试时间变化规律如图7。增加车辆数目并未使系统延时时间增长,系统延时时间小于2 s,符合远程监控系统需求。

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5 结论

    本文设计了电动汽车远程监控与服务系统,通过对系统架构的设计,实现了电动汽车远程监控系统的大量数据传输。通过合理设计远程监控客户端,实现了对车辆运行轨迹、运行参数、故障信息的查询与监测。通过基于模型的数据存储与分析,能够实现电动汽车的远程服务。在测试过程中,系统运行稳定、可靠,实现了电动汽车的远程监控和服务功能。

参考文献

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[3] 陈燕虹,沈帅,刘宏伟,等.多辆电动汽车远程监控系统[J].吉林大学学报(工学版),2013,43(2):285.

[4] 张新丰,沈勇,宋謌,等.面向规模示范运营的新能源汽车远程监控系统设计[J].汽车工程,2012,34(5):470.

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[12] 高恒国,罗克露,雷剑.Eclipse平台架构技术分析及基于RCP的应用研究[J].计算机与信息技术,2006(5).

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