基于中移物联网4G模组的车载智能监测系统设计

2022-08-24杨宝男刘金东

无线互联科技 2022年12期

杨宝男，刘金东，杨兵

(西京学院计算机学院，陕西西安 710123)

0 引言

随着汽车工业的快速发展和汽车保有量迅速增加，现代汽车技术的升级已经进入“车联网”的智能时代，也就是将车辆融入物联网和互联网，使车辆的使用更安全、更经济、更稳定、更可靠[1-2]。当车辆性能下降和有故障出现时就需要及时、快速、可靠地恢复和排除，由于车辆技术先进和配置高档，给维修技师带来了较大困难[3]，因此需要在车联网技术中应用车载智能终端诊断系统。

随着远程诊断技术的发展，车辆智能终端诊断系统接口与移动App相结合的模式已经被广泛应用，但该技术在智能联网车辆中的应用相对较少。通过移动终端读取车辆运行参数，实现对车辆运行状态的故障云诊断，以较低的成本实现传统智能联网车辆的功能，降低智能联网车辆的开发成本，为智能联网车辆的设计提供新的角度。

针对目前车辆在车辆状态诊断等方面存在的不足，设计了一款具有车辆故障诊断、在线升级、定位等功能的车辆智能监控系统。该系统包括3部分：车载终端、移动App和云服务器。构建了车辆状态实时监测网络系统，设计了车辆终端的总体框架。移动App使用MQTT协议与车载终端和云服务器传输信息，远程实时监控车辆，通过4G网络下载升级文件，通过CAN总线升级第三方设备。

1 基于中移物联网4G模组的车载智能监测系统设计总体方案设计

图1为车载智能监测系统总体设计，该系统包括3部分：车载终端、移动App和云服务器。车载设备由4G通信卡板与传感器信息采集板卡组成，两张板卡通过CAN协议进行通信，这样的设计是为了提供更大的兼容性，设计单独的4G通信板卡可以通过CAN 给更多的设备进行升级，每个车载终端都安装物联网卡，可以通过4G通信进行车辆的相关参数传输，也可以在车辆更换了传感器，缺少新传感器的驱动程序无法对新传感器进行识别时，把更新的固件程序挂载在云服务器上。通过App发送的相关指令对新的固件程序进行在线烧写，并具有GPS定位的功能。当4G网络稳定时，车载终端负责通过4G网络向云服务器发送车辆位置信息、车辆故障信息等。云服务器负责信息的存储和转发。车主需要在自己的智能手机上安装终端助手软件，这样就可以“形影不离”，随时随地监控车辆状态。

图1 车载智能监测系统总体设计

2 关键原理分析

2.1 CAN通信原理

CAN是控制器局域网络[4]，它由BOSCH公司开发，是国际上应用最广泛的现场总线之一。近年来，因其具有高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强及振动大的工业环境。

与具有时钟信号的同步通信方式，如I2C，SPI等不同，CAN通信是一种仅使用CAN_High和CAN_Low信号线的异步通信，它们共同构成一组差分信号线，以差分信号的形式进行通信。

CAN物理层的形式主要有两种，本文选用的CAN通信网络是一种遵循ISO11898标准的高速、短距离“闭环网络”，它的总线最大长度为40 m，通信速度最高为1 Mbps，总线的每一端都需要一个120 Ω的电阻。

2.2 4G模组工作原理

4G物联网模块是将硬件配置加载到特定频段，软件适用于标准LTE协议，硬件软件高宽比集成化模组化的一种商品的通称。它具有通信速度快、网络带宽宽、通信方便等特点。硬件配置将射频和基带芯片集成在一块PCB板上，实现无线网络中基带信号的接收、发送和解决。4G物联网模块通过高速连接网络将所有终端设备和机器设备运行的业务流程数据信息实时传输到业务流程管理中心，按照管理方法监控管理平台，实时监控智能终端的运行情况，能够及时检查机器设备的常见故障。从运营成本、运营规模、服务项目及时性等方面提高效率。

3 软件设计与流程

3.1 App程序设计

App背后的逻辑完全由Appinventor[5]编写，其程序流程如图2所示，在程序编写过程中需要注意，在切换屏幕的时候MQTT客户端会跟百度云服务器断开。

这是因为每个屏幕的MQTT控件的客户端标识一致，修改后恢复正常。为了避免整个程序一直在查询是否有客户端断开，造成系统响应卡死，此时需要创建一个后台线程来监控服务器连接情况。

连接到服务器后，App需要订阅相关主题才能接收到数据。

本设计有3个主题，分别是下位机用来上传数据，App发布升级请求，下位机用来发布升级完成的信息。

在使用高德地图定位时，当服务器接收到NEMA格式的GPS数据后，需要将数据处理成高德地图能识别的格式才能调用高德API接口函数。在高德地图API的使用过程中，高德开发者控制台需要对应用的SHA1码和应用包进行填写，否则应用无法使用。

3.2 下位机程序设计

3.2.1 通信板卡程序设计

(1)通信板卡的数据通信程序。

另一方面,“一带一路”背景下的高等教育国际化发展又面临着一些新的问题。如需进一步深化课程教学的改革，将国际意识和能力的强化渗透到课程教学与科研当中，将“一带一路”国家和地区的有关情况作为应用情景，培养学生运用知识和能力去分析和处理国际事务的能力。又如建立国际化的师资队伍，引入国外师资力量，提升国内教师的国际化视野等等。如何“吐故纳新，中外结合”将会是我国高等教育改革的一大挑战。

本次设计使用的是ML302 Cat.1模组中带有定位功能的GNLM版本。使用卫星定位和通信二合一模组，通常会比使用独立的通信模组加卫星定位模块更加节省PCB的版面面积，减少电路的外围元件。

本次连接服务器采用MQTT协议进行连接。ML302内置MQTT协议的适配，仅仅使用简单的AT指令就可完成与服务器之间的通信。模组首先要进行开机然后初始化配置。初始化完成后检查SIM卡驻网情况等，与服务器之间的交互使用缓存模式。

当服务器发布主题或者发送消息时，模组会有提示，检测到相应的提示后，通信板卡会进行对应操作或者任务。

通信板卡接收到CAN总线上传输过来的模拟数据时会自动进行。

下载是收到服务器的通知命令后，与服务器进行一系列的握手认证等操作，然后开始进入数据下发和接收流程，升级包的内容包含包头、流水号、数据、单包CRC校验等，数据的大小为1 K。

(2)通信板卡的通过CAN的UDS。

通信板卡使用CAN总线的标准ID进行通信，每次通信传输为 8个字节。

通信板卡与数据板卡的信息交互：使用标准 ID，每次传输 8个字节，每个字节0～255的范围，一帧的报文数据就足够本作品当前演示的采集内容交互。

通信板卡与数据板卡的刷写升级：参考UDS协议，使用0×10服务切换会话模式。使用0×27安全访问服务交换种子验证密钥。使用0×34，0×36，0×37，0×31等服务完成请求下载、传输数据、请求传输退出。下载完所有字节后，用CRC校验本次数据传输的完整性。最后使用服务0×11服务重启完成升级。

3.2.2 数据采集板卡程序设计

数据采集板卡的程序主要是对传感器的数据进行采集，其程序流程如图3所示，通过数据采集板卡的STM32单片机的外部中断对电机驱动产生的脉冲进行采集从而进行计数，电机驱动板VCC接3.3 V，脉冲输出的频率为1 kHz左右，根据电机驱动说明书频率除以4得到电机的转速。

图3 数据采集板卡程序流程

温度传感器DS18B20是通过1 wire协议进行通信，且时序十分严格，由于温度这种物理量变化缓慢，所以对DS18B20的读取应该有一定间隔，开启定时器对DS18B20间隔一定时间进行读取。

油量跟电压的模拟是根据通过电位器，ADC对模拟的电量进行采集，在做 ADC采集的时候应该注意选择采样时间，如果采样时间不合理，可能会产生较大的采样误差。ADC采样需要给内部电容较小的电容充电，当外部阻抗(信号调理电路输入到ADC引脚的输出阻抗)较大时，电流相对较小，充电时间相对较长。

根据实际判断，ADC对电位器进行采样的周期最终选择为55.5个周期。数据采集完成后，数据采集板通过CAN协议与通信板进行通信。当上位机发送升级指令给数据采集板卡升级的时候，通信板卡下载数据板卡的升级包到flash，通信板卡向数据采集板卡发送相关命令，使数据板卡的MCU跳转到提前分好的 BOOT区域，在BOOT区域的程序中通过CAN传输升级包的数据给单片机另外一块新的flash区域，传输完毕后双方会比对CRC的校验结果，当双方的CRC校验结果均相等，说明本次数据传输完整，可以进行升级。

此时BOOT会清除需要升级的Flag标志位，开始将程序从存储分区搬运到启动分区，搬运完成后BOOT会再次进行CRC校验，确认文件搬运完整后会再次复位，此时BOOT会跳转到新的程序运行。