新能源汽车远程监控终端的设计

王文扬，陈 正，陈祥威

（中国汽车技术研究中心汽车工程院，天津 300300）

新能源汽车是指使用非常规车用燃料 （或使用常规车用燃料但装载新型动力装置），具有新技术、新结构和先进技术原理的汽车。其中纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车 （HEV）和燃料电池电动汽车 （FCEV）发展前景最为良好，也是目前国家大力推广的主要新能源车型。

中国汽车技术研究中心汽车工程研究院依托工信部和天津市科委项目 “天津市电动汽车规模示范信息化管理平台建设及动力总成控制系统的优化与应用”，开发了新能源汽车监控管理系统。本系统参考国家相关标准：JT／T 794—2011道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求；JT／T 796—2011道路运输车辆卫星定位系统平台技术要求；JT／T 808—2011道路运输车辆卫星定位系统终端通信协议及数据格式；GB／T 19056汽车行驶记录仪。中国汽车技术研究中心汽车工程研究院根据以上国家标准制订了企业标准：新能源实时监控系统功能规范；新能源车辆GPRS通信内容规范；新能源实时监控系统车载终端设计规范；新能源实时监控系统监控管理平台软件设计规范［1］。本文将主要介绍远程监控终端。

1 国内外现状

1.1 国外汽车远程监控系统的研究现状

在美国，远程监控系统通过无线网络实时为行车提供各种所需信息，被定义为Telematics，它的大部分应用系统位于网络上，而非汽车内，如通信网络、卫星与广播等。驾驶者可运用无线传输的方式，连接网络传输与接收资讯和服务，也可以下载应用系统或更新软体等，所耗的成本较低，主要功能仍以行车安全与车辆保全为主，其特点如下［2］。

1）GPS导航：透过 GPS配合路线资讯，作路况报导与路线指引。

2）汽车防盗：透过卫星定位提供失窃车辆的搜寻与追踪。

3）自动防撞：透过传感器或雷达，感应车与车间安全行驶距离。

4）车况掌握：车辆性能与车况的自动侦测、维修诊断等。

5）个人资讯：收发电子邮件与个人化资讯等。

6）拖车追踪：通过车联网和移动网络联系地面拖车单位。

7）道路援救：行车过程中，假使发生车祸或车辆故障意外，通过按键，自动联系救援。

8）多媒体娱乐：高画质与高音质的视听设备、游戏机、上网机、个人行动资讯中心、随选视讯等。

9）车辆应急预警系统：信息通信技术为智能汽车应用开发提供根据，并提供车辆附近周围的车辆信息和基础设施目标的规定。

在所有的汽车企业中，美国通用公司首先把OnStar-Telematics技术应用于高档轿车领域，它通过无线网络连接服务中心，同时服务中心利用GPS卫星定位系统确定车辆位置，以最快的速度响应车辆的实时要求。同时，随着混合动力汽车的深入研究，国外出现了一些具有故障诊断记录功能的分析系统，例如德国Vector公司开发的工具软件CANoe和CANalyzer等数据采集分析系统，但系统的价格昂贵，一套CANoe系统27万元人民币，同时需要专人随车操作，在混合动力产业化的背景下，系统的通用性受到限制。

1.2 国内汽车远程监控系统的研究现状

在国内，早期的车辆监控系统一直停留在GPS卫星导航的层面上，没有出现对车辆状态信息进行分析处理的实时监控系统。由于工信部在2009年6月17日发布的 《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》中对于车辆监控系统的规定，现在国内运营的多数电动汽车都安装了相应的远程监控系统，并且取得了一定的成效。中国汽车技术研究中心汽车工程研究院自主研发的新能源汽车远程监控终端，目前多个整车厂家和运营公司的新能源汽车已经安装了本产品，包括纯电动汽车、混合动力公交车等车型。监控管理平台运行状况良好，能够实时显示新能源汽车的位置、故障、状态、基础数据等信息，而且实现了短信报警、数据分析等功能，对新能源车辆的安全运行起到了保障作用，并通过数据分析为新能源汽车的改进提供了依据。

2 实时监控管理系统简介

如图1所示，远程车载终端采集GPS定位信息和新能源汽车数据，通过GPRS网络发送到中心监控管理平台、协同管理平台、个人消费者管理平台。

远程车载终端：车载终端是新能源汽车监控管理系统关键部分，车载终端采集新能源汽车信息并转发到监控管理平台。传感器采集电路以及CAN网关网络对车辆本身运行状态、整车控制器、电池管理系统、电机控制器、新能源其它相关附件信息进行采集，利用铁电和Flash等数据存储技术储存相关信息。利用USB通信、USB HOST结构技术实现车载电子装置和驾驶员之间的信息交换。利用GPS定位技术，实现车载GPS的应用，为车辆的定位和保障提供有效手段。利用GPRS通信技术，实现车载电子装置和实时监控平台中心服务器的数据交换［3］。

监控管理平台包括中心监控管理平台、协同监控管理平台、个人消费者管理平台，下面对3种管理平台进行介绍。

中心监控管理平台：简称中心系统，所有被监控的新能源车辆信息都会录入到中心系统，同时所有车辆的数据也会发送到中心系统。中心系统只有一个，可以监控所有的安装远程终端的新能源车辆。被授以权限的用户可以通过远程访问中心系统，实时察看车辆信息。

协同监控管理平台：简称协同系统，协同系统指客户专用的监控管理平台，可以满足客户自己搭建服务器并在客户本地保留数据的要求。协同系统只能录入本公司或本车厂的车辆信息，不能监控本车厂以外的车辆。可以建立多个协同系统，组成协同系统群，通过网络和中心系统连接。

个人消费者管理平台：又称为个人消费者服务系统，这个系统主要为移动终端客户提供服务，客户可以随时通过移动终端登陆系统察看相关车辆信息。移动终端客户包括手机用户和PAD用户。个人消费者服务系统通过网络和中心系统连接。

3 车载终端设计

3.1 车载终端硬件设计

如图2所示，远程终端采用基于ARM7TDMI-S处理器的单片机作为主芯片，运行频率为72 MHz。远程终端硬件组成主要包括：CAN通信模块、GPS定位接收模块、GPRS通信模块、IC卡模块、Flash存储模块、SD卡模块、USB读取模块、时钟电路、低功耗唤醒、硬件看门狗。

1）CAN通信模块：远程终端采用汽车级的高速CAN收发器，完全符合ISO 11898标准低功耗模式，可通过总线唤醒预留两路CAN接口，波特率分别为250KB和500KB。

2）GPS定位接收模块：采用国际领先的GPS定位芯片，48通道并行接收，NMEA 0183协议。

3）GPRS通信模块：采用国际主流产品，双频EGSM 900／1800MHz， 符合GSM／GPRS协议栈3GPP版本4。

4）SD卡存储：LPC自带SD／MMC存储卡接口，采用4G SD卡进行数据大容量存储。

5）Flash存储：采用Flash存储器，寿命为10万次擦写。

6）USB读取模块：LPC2388自带USB 2.0设备／主机／OTG，带片上PHY和相关的DMA控制器。

7）时钟电路：LPC2388自带实时时钟 （RTC），带独立电源管脚，时钟源可设置为RTC振荡器或者APB时钟。

8）低功耗唤醒：利用LPC2388的外部中断输入进行低功耗唤醒。

9）硬件看门狗：设计了硬件看门狗电路，及时复位防止程序跑飞。

3.2 车载终端功能设计

远程终端的功能框图如图3所示，主要分为数据采集子系统、GPS子系统、GPRS子系统、参数存储子系统、IC卡管理子系统、低功耗唤醒子系统。

1）数据采集子系统：远程终端预留两路CAN接口，通过CAN网络进行数据采集。主要对车辆信息、整车控制器信息、电机控制器信息、电池管理系统、车载充电机等数据进行采集并解析。

2）GPS子系统：利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。远程终端可以接收GPS信息并解析出经纬度、高程等信息，用来实时确定车辆位置，追踪车辆运行轨迹。目前，民用导航精度在10m左右。

3）GPRS子系统：远程终端的远程数据传输主要是通过GPRS网络实现的。通过GPRS子系统把新能源数据、GPS数据、车辆本身数据发送到网络，监控管理平台通过网络得到这些数据并进行存储、分析、 显示［4］。

4）参数存储子系统：远程终端主要分为两种存储，Flash存储和SD卡存储。模块把车辆信息、终端参数、新能源参数、标定阈值按特定结构存储在Flash中；把新能源汽车的报警、状态、数据以文件形式存储在SD卡中。

5）IC卡管理：远程终端可以通过GPRS传输数据或USB导出数据，利用IC卡进行USB导出数据管理；需要注销的终端，要在中心系统上进行注销，利用IC卡进行终端注销管理。

6）低功耗唤醒：在新能源汽车停车后，远程终端会进入低功耗模式；通过钥匙信号、车载充电机或外部充电桩信号对远程终端进行唤醒，使其进入工作状态。

3.3 监控模块功能介绍

1）实时准确采集车辆整车控制器、电机控制器、电池管理系统、车载充电机等模块CAN总线数据。

2）通过新能源车辆监控平台软件对监控模块参数进行设置和查询。

3）实时准确测定车辆速度和经纬度。

4）SD卡方便数据上载和存储。

5）多种故障报警：无CAN报文报警、监控模块内部故障报警等。

本监控模块能储存最近7天的数据，在SD卡内部，数据以省域+市县代码+车牌号 （例如 “津A00000”）为根目录；在其下面，以TD+日期为子目录，例如TD120218表示2012年2月18日；再下一级文件是以CAN的ID为文件名称的数据文件，其储存频率都为1s。

4 车载终端监控范围

本监控管理平台可以兼容纯电动汽车、混合动力汽车等多种新能源车型，本文以纯电动汽车为例介绍远程终端监控范围。

如图4所示，纯电动汽车的数据监控范围主要包括整车控制器、电池管理系统、电机控制器、车载充电机以及车辆的故障、状态、基及础数据。远程终端全面监控了纯电动汽车故障类、状态类、数据类的相关数据，为监控管理平台监控、报警、数据分析提供了基础。

4.1 新能源汽车位置的显示

新能源汽车的位置信息可通过上位机系统进行查看，用户可通过手机、Ipad、笔记本电脑随时进行定位跟踪在线车辆，可查看车辆的位置信息。

在进入车辆监控功能之后，菜单栏把被监控的车辆分成了3组：①在线车辆 （），②超时车辆 （），③离线车辆 （）。3组中的车量是系统中所注册的所有车辆。

在线车辆表示当前正在和平台进行信息交互的车辆，括号中为在线车辆的数量。超时车辆表示可能由于信息不通畅或者其他问题，导致未主动离线的车辆在一定时间内没有和平台进行信息传输，此类车为超时车辆，括号中为超时车辆的数量。离线车辆表示下位机主动断电或者其他原因离线的车辆，括号中为离线车辆数量。如图5所示。

4.2 新能源汽车故障、状态、基础数据信息的显示

以整车控制器为例，分析车辆运行期间的故障、状态和基础数据信息的显示。

单击上位机系统界面的 “整车控制器”后，结果界面中共有三大部分，分别是：故障、状态、基础数据。

故障中包括：车牌号、VCU、通信、低压蓄电池、油门踏板、制动踏板、挡位、EPS／EHI、 DCDC、真空泵、空调、高压互镇、接受时间。整车控制器的故障报警信息见图6。

状态中包括：车牌号、状态、控制模式、空调继电器、DC继电器、运行控制、高压继电器、挡位、接受时间。整车控制器的最新状态信息见图7，此状态是动态更新的。

基础数据中包括：车牌号、车速 （km／h）、加速踏板开度 （%）、制动踏板开度 （%）、发电机温度 （℃）、 续驶里程 （km）、 累计里程 （km）、 控制转矩 （Nm）、 发电机电机当前转速 （r／min）、 空调转速 （r／min）、接受时间。整车控制器的基本数据信息见图8。

5 远程监控终端数据上传方式

远程终端的数据上传方式主要分为两种：本地上传和无线上传。

5.1 本地上传

远程终端会把最近一周内的数据以文件形式存储在SD卡中，用户可以通过U盘把数据导出到服务器或微机，供挖掘分析使用。

5.2 无线上传

通过GPRS网络直接把数据传送到监控管理平台，主要有3种上载方式：基本数据上载、域值触发数据上载、监控中心命令上载［5］。

1）基本数据上载 在车辆正常状态下，车载终端只按较低频率上载新能源汽车关键技术参数，能满足监控中心了解新能源汽车上关键部件的运行状态。

2）域值触发数据上载 在新能源汽车上，有很多参数比较重要，当其满足一定的域值条件时，必须对其重点监控，获得更多的数据来了解相关部件的运行状态；当这些域值条件满足时，车载终端就以较高的频率发送这些数据，以便更好更有效地观察到相关部件的运行状态。

3）监控中心命令上载 在新能源车辆运行过程中，监控中心如果想对某些未在基本数据中上载的参数实现数据上载，或者想改变某些正在上传参数的上载频率，这时候就需要命令上载数据；监控中心通过GPRS数据通道，发送参数上载命令给车载终端，车载终端响应命令后，将以上载命令所要求的形式上载。

［1］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，2011（3）：24-29.

［2］ 百度百科.Telematics［DB／OL］.http：／／baike.baidu.com／view／152906.htm， 2012-04-19.

［3］陈新，胡小龙.基于GPRS的汽车故障诊断仪的远程诊断的设计［J］.工业控制计算机，2006 （4）：6-7.

［4］曾锐利，肖云魁，周建新，等.汽车远程故障诊断与维修系统研究［J］.电子测量技术，2009 （7）：4-5.

［5］黄大超，孙德林，寒一兵，等.现代汽车远程诊断系统的研究［J］.自动化技术与应用，2007（7）7-8.