车辆燃油消耗量远程实时监控系统设计

张永栋，郭海龙，曹华（.广东交通职业技术学院，广东 广州 50640；.广东省电子信息技工学校，广东 广州 50450）



车辆燃油消耗量远程实时监控系统设计

张永栋1，郭海龙1，曹华2
（1.广东交通职业技术学院，广东 广州 510640；2.广东省电子信息技工学校，广东 广州 510450）

摘要：实施对营运车辆油耗量的实时监控，可以反映车辆技术状况以及驾驶行为的变动情况，为及时改善车辆技术状态及纠正驾驶员的不良驾驶行为提供科学依据。间接测量燃油消耗量是通过测量发动机其他的数据参数通过其与油耗的换算关系来间接获得的一类方法，间接测量法具有不需要改变供油管路、安装测量方便的特点。文章即依托车辆OBD系统，实现车辆油耗的间接检测。

关键词：OBD；单片机；油耗检测；进气量

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-98-03

前言

随着经济的持续快速稳定发展，全国汽车工业呈现持续增长的态势。截止到2014 年汽车产销量超过 2300万辆[1]，创全球历史新高，全国汽车保用量超过1.5亿辆。汽车保有量的增长特别是私人轿车保有量的高速增长带来了巨大的能源和环境压力。汽车排放污染已经成为城市大气污染的重要来源，2014年，全国机动车排放污染物4547.3万吨，比2013年削减0.5％，其中氮氧化物（NOx）627.8万吨，颗粒物（PM）57.4万吨，碳氢化合物（HC）428.4万吨，一氧化碳（CO）3433.7万吨[2]。因此，努力降低汽车燃油消耗和尾气排放是我国汽车产业发展的首要任务。

据统计，运输车辆燃油消耗量与车辆技术状态及驾驶员的驾驶习惯密切相关。不良的驾驶习惯及车辆技术的恶化已导致油耗的激增。因此，实施对营运车辆油耗量的实时监控，可以反映车辆技术状况以及驾驶行为的变动情况，为建立交通运输行业能源消费的统计、监测与考核体系，为及时改善车辆技术状态及纠正驾驶员的不良驾驶行为提供科学依据。

1、理论分析

一般测量汽车燃油消耗方法主要分为两大类：一是直接测量法，是指通过在发动机燃油供给管路中加装专流量测量仪器来实现对车辆油耗的测量，如容积法、重量法和流量计法；间接测量法是通过测量发动机其他的数据参数通过其与油耗的换算关系来间接获得的一类方法，如碳平衡法、电喷测量法。其中间接测量法具有不需要改变供油管路、安装测量方便的特点。本文即依托车辆OBD系统，实现车辆油耗的间接检测。

OBD(on-board diagno stics)是车载诊断系统的简称。起初是为了检测车辆氧传感器等排气系统相关零部件在使用中的情况, 能够及时发现并解决故障而导入车辆的[3]。当了现代，随着发动机电控技术的发展，OBD的功能日趋完善，能够对车辆实际使用过程中的各项运行参数进行实时监控,为间接计算发动机燃油消耗量提高依据。

图1　电控发动机工作原理

根据电控发动机工作的基本原理（如图1）可知，发动机每循环喷油量=循环进气量×空燃比，其中空燃比由OBD采集空燃比传感器（氧传感器）获得，每循环进气量可按下式计算[4]：

Hendricks 对充量系数进行了研究与推导，得出：

其中，∆T为进气冲程中进气温度的变化量；k为绝热指数， k=1.4；r为压缩比；TO为进排气门迭开时的缸内气体平均温度，k；mo为进排气门迭开时的气体质量损失，Kg；ρm为进气歧管内气体的密度，Kg/m3；pe为排气管的背压，bar。

上式中系数计算较为复杂，Hendricks 通过大量实验，去除了转速对充量系数的影响，使得模型大为简化：

其中，学者严明给出的系数si、yi分别约为：0.952、0.0793。

最终，循环喷油量公式为：

公式中pm、n等参数由OBD系统实时读取。

2、系统设计

车辆燃油消耗量远程实时监控系统主要有三个部分组成：车辆油耗数据采集系统、通讯系统、电源系统和数据分析系统。以PIC18F25K80为核心完成OBD通讯，在其周围配置GSM链接到服务器，配置相应的存储卡进行数据存储，采集数据包括了括进气歧管压力、车速、空燃比等参数。其具体的结构框图如图2 所示。

图2　系统结构框图

第一是先完成系统硬件设计。主要有OBD数据处理平台，平台接收车辆数据，实时计算车速瞬时油耗，当油耗出现异常时，系统通过蜂鸣器报警，提醒车主及时维修或改善驾驶习惯。第二是数据采集系统开发板，此开发板核心板块为PIC18F25K80，并有标准OBD接口、存储器、蜂鸣器等接口。PIC18F25K80通过OBD协议实现与发动机ECU通讯，并将采集的发动机运行参数进行信息的存储，图3所示。第三是解决状态信息传送。信息传输时采用基于GMS的GPRS网络，实现采集数据的传输，GSM即全球移动通讯系统Global System of Mobile communicanon的简称，它采用全数字的信令和语音信道，是目前基于分时多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的系统[5]。

图3　数据采集系统开发板

3、电源系统设计

总电源采用车辆OBD诊断端口的第16号引脚进行12V输入，经过LM7805降压至5V，满足单片机需求。继续使用二极管降压至4.3V供给GSM和其他设备使用，电源电路如图4所示。

图4　系统电源电路

4、GSM通讯部分设计

GSM模块选用Siemens 的TC35作为通讯模块，单片机发送AT 命令至TC35，同时TC35可以返回数据至单片机，所以GSM 模块通过串口与单片机进行对连。将点火引脚直接接地，在一上电的时候模块便可以进入工作， 另外电源引脚和接地引脚都分别需要并联在一起。

5、数据采集系统设计

为使汽车的故障诊断和检测维修更加方便，SAE及ISO组织为OBDⅡ制定了统一的标准[6]，通常OBDII或EOBD装备的汽车都必须有：标准化的数据诊断接口(SAE-J1962)，标准化的解码器(SAE-J1978)、标准化的电子通讯协议(ISO 14230、CANBUS、J1850 PWM、ISO9141等)、标准化的诊断故障码（DTC，SAE-J2012）、标准化的维修服务情报(SAEJ2000)等。为了兼容各种车型的OBD 系统, 数据采集系统必须必须支持以上所有协议。

控制单元采用PIC系列单片机，PIC系列单片机由美国Microchip（微星）公司推出的产品，采用了RISC结构的嵌入式微控制器，具有高速度、低电压、低功耗、低价位等特点，具有广泛的应用前景。单片机通过I/O口与发动机通讯，读取相应的数据，经处理后经GSM发送到服务器，单片机电路如图6所示。

图6　单片机电路

6、结论

本文在高性能单片机的基础上，依托GSM公众网，利用GSM无线通信对车辆燃油消耗量进行实时监控，对有效判断车辆技术状态，及时发现相关车辆故障，纠正驾驶员存有的不好驾驶习惯，降低车辆油耗起到积极作用，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]http://news.xinhuanet.com/auto/2015-01/12/c_127379594.htm.

[2]环保部.2015年中国机动车污染防治年报.

[3]王建海,方茂东等.汽油车车载诊断系统(OBD)基本原理及其应用[J].汽车工程,2006,5.

[4]郭海龙.基于行驶状况识别的混联式HEV多模式能量控制策略研究[D].广东:华南理工大学,2013.

[5]http://baike.baidu.com/view/116812.htm?fr=aladdin&fromtitle=gsm &fromid=210860&type=syn.

[6]温福军,肖心远.基于Zigbee 技术的车辆监控信息的无线传输系统研究[J].广东交通职业技术学院学报.2015,3.

Design of Real-time Monitoring System of Vehicle Fuel Consumption

Zhang Yongdong1, Guo Hailong1, Cao Hua2
（1.Guang Dong Communication Polytechnic, Guangdong Guang Zhou 510650; 2.Guang Dong Technical School of Electronic Information, Guangdong Guangzhou 510450）

Abstract:The implementation of the operation of real-time monitoring of vehicle fuel consumption, may reflect changes in the situation and the technical condition of vehicles driving behavior, provide a scientific basis for the timely improvement of the technical state of the vehicle and correct bad driving behavior of the driver. Indirect measurement of fuel consumption by measuring other engine data parameters through a class method in terms of its relationship with the fuel consumption indirectly acquired an indirect measurement method has no need to change the oil pipeline, installation and measurement of convenient features. This paper relies on the vehicle OBD system, indirect detection of vehicle fuel consumption.

Keywords:OBD; Microcontroller; Fuel detected; Intake air

中图分类号：U462.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-98-03

作者简介：张永栋，讲师，就职于广东交通职业技术学院。研究方向：车辆节能减排。项目来源：2014年广东省交通厅科技项目（节能-2014-06-002）；广东交通职业技术学院院级项目“车辆燃油消耗量远程实时监控系统研发”。