新能源汽车远程实时监控系统的研究与设计

黄世祥 黄宏成 杨 松

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）

0 引言

早在2009年，工信部就颁布了处于起步期和发展期的新能源汽车必须按比例进行远程监控的法规［1］，且2011年四部委又联合作了进一步强调；上海市也于2012年发布了相应地方标准［2］，该标准对远程实时监控系统功能作了基本规定；上海交通大学开展“绿色校园”示范网项目，其核心是基于电动车和充电设施的数据采集监控研究中心。

目前的车辆远程监控系统，大多基于GSM/GPRS等2.0/2.5G 无线网络［3－7］，GPRS在实际使用中，通信时延较大，RTT（Round Trip Time）通常在1000ms－3000ms，甚至可能膨胀到10s；数据吞吐率受实际通信条件，如终端移动速度、小区切换、网络拥塞等影响，变化范围非常大，且会伴随丢包率的增加，系统实时性和通信可靠性受到极大影响；由于原理性因素，其TCP性能稳定性和网络安全性也不如CDMA 1xEVDO网络。鉴于这些原因，GPRS将不能满足数据流量较大、交互性强的应用需求，如目前发展的Telematics业务。

针对GPRS网络以上不足，系统采用CDMA 1xEVDO网络作为无线通信方案，以备图像、声音等多媒体业务拓展对通信带宽的需求，且在系统硬件和软件架构设计方面充分考虑可扩展性和软件可移植性；为了提高系统实时性和对资源的管理能力，引入RTOS进行车载终端实时任务设计；同时对通信数据进行校验，合理设计通信程序，将数据丢包率控制到最小，提高通信可靠性；数据采集监控中心对访问用户进行身份验证和权限管理，保证安全性；此外，系统支持数据本地、远程的实时查询，历史统计信息查询，车载终端运行自检，软件远程在线升级等功能。

1 CDMA 1xEVDO TCP性能及系统通信过程

CDMA 1xEVDO是专门针对分组数据业务而经过优化了的技术，其设计峰值速率可达下行3.1 Mbps/上行1.8Mbps（Rev.A），下行2.4Mbps/上行153Kbps（Rev.0），且向下版本兼容。据实际测试，其数据吞吐率可达下行304－572Kbps/上行85－135Kbps，能稳定在下行300Kbps/上行80Kbps以上；数据包差错率90%的概率在下行0.2%/上行1%以下；通信时延（RTT）通常150－1400ms且90%的概率在220ms以下，另外，CDMA 1xEVDO增加了不同接入网（AN）之间的接口，提高了不同AN之间的切换性能，可见CDMA 1xEVDO（以下简称EVDO）TCP性能比GPRS网络提高很多。基于EVDO网络的远程监控系统组成如图1所示。

图1 基于CDMA 1xEVDO的远程监控系统通信链路Fig.1 Architecture of vehicle remote monitoring system

系统通信过程可分为上行通信、下行通信和客户端的远程访问3个过程，其详细描述如图2所示。

上行通信：如图2上半部分所示，车载终端控制器通过控制EVDO模块先后建立HRPD（High Rate Packet Data）和PPP（Point－to－Point Protocol）会话，PDSN （Pocket Data Service Node）为模块分配IP地址，从而将车载终端接入Internet，进而与远程监控中心服务器建立TCP连接（假如使用TCP协议），如此，终端可将从车载总线及GPS接收器采集的数据上传至数据采集监控中心数据库，传输结束后，关闭TCP连接。

下行通信：如图2下半部分所示，假设车载终端EVDO模块处于服务器侦听状态，此时远程通信服务器主动向车载终端发起TCP连接请求，车载终端应答后，可建立下行TCP连接，进而下行传输数据，传输结束后，关闭TCP连接。

远程访问：如图2右下部分所示，数据采集监控中心构建WEB/WAP服务器，授权用户可通过PC、智能手机等客户端浏览器登录查询所属车辆的实时、历史信息或故障信息。

2 车载终端设计

2.1 总体设计

车载终端工作环境与3种工作模式如图3所示，其将完成如下功能：数据定时采集、定时传送，本地、远程实时数据查询，故障报警与提示，软件远程在线升级。此外，终端还支持运行自检，数据本地存储，上行数据与下行数据校验等功能。

2.1.1 外部接口及协议

图3显示了车载终端工作环境，其具有4类外部接口：接收GPS卫星广播信号接口、与新能源汽车通信的CAN总线接口、与远程通信服务器的无线通信接口以及与用户交互的人机接口。GPS接收器为接收卫星信号接口，完成对卫星的捕捉和终端定位；CAN控制器与CAN收发器组成CAN总线接口；EVDO模块为无线入网接口，完成数据远程传输；人机接口则由按键、蜂鸣器、LCD或麦克风、扬声器等设备构成。

图2 系统通信过程描述Fig.2 System communication process

图3 车载终端环境与功能模型Fig.3 Vehicle terminal environment and function model

由于电动汽车等新能源汽车的CAN通信网络应用层协议在产业界并未形成标准，大多基于SAE J1939协议设计，如CN2004A（B），应用时需修改参数以适应具体车型；而远程通信基于TCP/IP协议，但应用协议需自行设计（详见2.3.2）。

2.1.2 工作模式

M0：定时模式。车载终端的一般工作模式，完成车辆状态数据定时采集，如图4所示，定时采样GPS数据（A）和车载数据（B），并将其本地存储，采样周期不大于10s［2］；定时传送，将格式化后的GPS数据（A′）与车载数据（B′）上传至远程通信服务器，上传周期不大于60s［2］。同时，对车载终端的运行状态进行监控，保证其有序、可靠运行。

M1：中断模式。车载终端进入中断模式有2种情况：按键中断和远程中断，如图4所示：

按键中断将对车辆状态数据（A，B）进行实时采集，数据（此时无需格式化，仍为A，B）通过CAN总线被发送至车载信息终端进行显示（车载信息终端应有相应的显示驱动）；

远程中断通过信令解析后，又将出现3种情况：若是故障信息，则终端进行相应的故障处理调用；若是查询命令，则对车辆状态数据（A，B）进行实时采集，数据（此时无需格式化，仍为A，B）被上传至远程通信服务器；若是升级命令，则终端将进行升级处理调用，从而进入升级模式。

M2：升级模式。当需要升级车载终端软件时，远程通信服务器向终端发送升级命令，终端从中断模式进入升级模式，完成远程下载映像文件（C）和Flash编程，实现在线升级。升级结束后，终端将重新启动定时模式。

图4 车载终端行为过程及数据流模型Fig.4 Logic behaviors of vehicle terminal

2.1.3 车辆状态数据

车载终端至少采集车辆位置，动力电池电压、电流、温度、SOC、充放电状态，驱动电机温度、转速、转矩等状态信息［2］，此外，根据应用需要，可采集其它数据。

2.2 硬件设计

按上述功能与行为要求，车载终端应该包括主控制器、CAN控制器和收发器、无线通信EVDO模块、GPS接收器模块、辅助存储单元（如SD卡、U盘）、人机接口（如LCD，蜂鸣器，按键）、供电单元、时钟单元、复位单元（包括运行监控，如Watchdog）、编程与调试接口（如BDM（Background Debug Model），JTAG）以及各种接口适配器等保证终端正常工作的器件。设计的示例硬件结构如图5所示。

各模块连接关系说明如下：

由于主要采样的是车辆动力总成状态数据，故车载CAN网络采用高速CAN协议，通信速率一般为250Kbps或500Kbps；GPS接收器与MCU采用UART连接，输出采用NMEA 0183协议；SD卡模块与MCU采用SPI总线连接，可实现高速读写；蜂鸣器采用PWM驱动方式，可根据故障等级输出不同频率的声音；EVDO模块（核心器件为华为MC703EVDO模块）与 MCU采用标准 RS－232－C连接，可分别制作PCB，方便拆卸或更换；TFT LCD和Button采用GPIO（Generic Purpose Input Output）与MCU连接；对于其它的模块，MCU具有相应的专用接口与之连接。

另外，终端还可按需增加模块，实现功能扩展，如增加语音模块或CCD图像传感器等，实现多媒体应用。

2.3 软件设计

由于车载终端任务较多，为了保证系统实时性和对资源的充分利用，故引入μC/OS－II实时内核进行车载终端软件设计。μC/OS－II是一种基于优先级的、抢占式调度实时内核，提供如信号量、消息邮箱、消息队列等多种任务通信与同步机制，且经过少量修改，可使其满足OSEK/VDX OS标准。

2.3.1 软件架构

按照抽象设计、接口与实现分离理念，对车载终端软件逐层抽象，可建立一个终端应用程序设计的通用方案，其软件架构如图6所示。

图5 车载终端硬件结构Fig.5 Hardware block diagram of vehicle terminal

车载终端软件设计可抽象为3个层次：基础软件层、系统接口层、应用层，分别阐述如下：

基础软件层。包括μBoot（表示内核尚未启动之前完成MCU寄存器，中断向量和存储空间等C运行环境配置，引导内核的一段汇编程序）、IAP（In Application Programming）程序（软件远程在线升级的核心程序）、MCU及外围器件驱动程序（其中FatFs是一种适用于小型嵌入式应用的开源文件系统）、μC/OS－II实时内核（需要移植和进行少量修改），基础软件提供了访问车载终端底层硬件的接口。

系统接口层。对基础软件提供的各种API（Application Programming Interface）进一步封装成统一的系统API，为应用层实时任务提供运行时环境（RTE（Run－time Environment））。

应用层。实现车载终端功能和行为的核心程序，其核心是任务划分及其优先级确定，任务设计应满足系统实时性，且使任务间通信和同步代价最小。

图6 车载终端软件架构Fig.6 Software architecture of vehicle terminal

图7 远程通信模型Fig.7 Remote communication model

定时模式设计为4个任务：Task1数据采样（DataSampler），优先级为5，运行周期为5s（指对车载数据B的采样，GPS数据A是定时输出的，中断方式接收）；Task2数据存储（DataStorer），优先级为7，运行周期为20s；Task3数据传送（DataTransfer），优先级为9，运行周期为40s；Task4运行监控（RunningSupervior），优先级为11，运行周期设计为60s，实现对终端硬件运行时状态的监控，如图7所示。其中，Task1和Task2需要进行同步，可采用μC/OS－II提供的消息队列机制实现。

中断模式设计为2个中断服务任务，如图5所示（不包括其它 MCU或内核内部中断）：Button－ISR，中断优先级设计为15，完成车辆状态数据的本地实时查询；RemoteComISR，中断优先级为13，根据信令类型，完成车辆故障报警、远程实时查询或切换到软件在线升级程序。

2.3.2 通信协议

由于MCU内部具有CAN控制器、SPI控制器，使用的都是标准CAN2.0和SPI通信协议，所以这两种协议不予讨论；MCU与GPS Receiver通信采用基于UART的NMEA 0183V3.0和UBX协议，其中UBX用于设置GPS Receiver的输出数据速率、定位刷新频率、定位模式等参数，NMEA 0183V3.0定义了输出报文格式，设置波特率为9600bps，刷新频率为0.2Hz，定位模式为车载模式，MCU为中断接收方式。

远程通信协议分为上行通信协议和下行通信协议，下行通信协议又包括对车载终端的控制协议和用于软件远程在线升级的文件传输协议，其通信模型如图7所示。TCP/IP协议具有超时和重传、校验、流量控制等机制，保证了通信可靠性，因此，只要保证UART的传输可靠性就能保证车载终端远程通信的可靠性。

定义上行数据和下行控制数据格式如下：

上行通信协议。假如MC703已经接入Internet，上传数据时，MCU首先发送AT指令控制MC703与远程通信服务器建立TCP连接并开启透明传输模式，然后按上述数据包格式传输数据，传输结束后，远程通信服务器发送应答信号，MCU根据应答信号决定结束传输（发AT指令控制MC703断开TCP连接），或者重传。如果超过15s没有接收到应答信号，则认为通信失败，并重启传输。

下行控制协议。MC703工作在服务器侦听状态，远程通信服务器向MCU按上述数据包格式发送数据，数据到达时MCU的USART1产生接收中断，MCU进入RemoteComISR中断服务程序（首先发送接收应答信号，然后根据ID类型进行响应）。远程通信服务器根据应答信号决定结束传输（断开TCP连接）或重传，如果超过10s没有接收到信号，则重新发送。

程序映像文件传输协议。软件远程在线升级程序需要将远程宿主机编译生成的程序映像文件（二进制文件）下载到车载终端，必须定义相应的文件传输协议。幸运的是，已经有这样的文件传输协议可用，如Xmodem、Ymodem、KERMIT等，如采用常用的Ymodem传输协议，其对下载数据进行CRC校验、错误重传等机制，保证了传输可靠性。

3 数据采集监控中心服务器群模型

数据采集监控中心需要完成与车载终端远程通信、管理车辆状态数据、数据分析与故障诊断、提供车辆用户远程查询所属车辆信息、程序文件管理以及软件开发功能，是一个C/S、B/S的混合架构模型，实现一定的结构和功能冗余，提高系统可靠性。

通信服务器（Communication Server）实现与各车载终端的远程通信（C/S模式），并发率不能小于其所监控车辆总数的10%［2］，可采用端口复用、多线程等技术实现；WEB/WAP服务器采用MVC模式［4］进行设计（B/S模式，只有实时查询时才与车载终端通信，其余实时都从中心数据库获得数据），需兼顾PC、移动客户端的多种浏览器且对访问用户进行权限管理，授权用户可访问车辆实时、历史统计信息和故障状态信息。

4 结论

将CDMA 1xEVDO和GPRS网络的TCP性能进行了对比研究，指出CDMA 1xEVDO具有更好的实时性、安全性、稳定性，可满足对多媒体业务扩展的需求。将CDMA 1xEVDO技术应用于新能源汽车的远程实时监控系统设计中，对系统的通信过程进行了详细论述；对采用模型方法对车载终端功能和行为进行了详细描述；设计了可扩展及层次分明的硬件、软件架构和保证通信可靠性的基于UART和TCP/IP协议的远程通信协议，提出了一种C/S，B/S混合架构的数据采集监控中心服务器群模型，对新能源汽车远程实时监控系统的设计具有一定的指导意义，也可供其它设备的远程监控系统设计借鉴。

［1］ 工业与信息产业部.新能源汽车生产企业及产品准入管理规则［R］.2009.

［2］ 上海市地方标准.《电动乘用车运行安全和维护保障技术规范》，DB31/T634－2012，2012年11月1日起实施.

［3］ 谢辉，肖斌，郝明德，等.电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究［J］.汽车工程，2006，28（8）.

［4］ 张新丰，沈勇，宋蜀，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）.

［5］ 彭剑，叶枫，辛兢泽.汽车远程监控诊断系统的功能设计和应用研究［J］.上海汽车.设计研究，2011（3）.

［6］ 沈阳.基于GPRS网络电动汽车远程监控系统设计的研究［J］.上海交通大学硕士学位论文，2013.

［7］ 航天新长征电动汽车技术有限公司.电动汽车远程监控和信息服务系统.2011.