基于智能手机的车辆定位监控系统的设计与实现

翁才恩,　严世榕

(福州大学 机械工程及自动化学院,福建 福州　350116)



基于智能手机的车辆定位监控系统的设计与实现

翁才恩,严世榕

(福州大学 机械工程及自动化学院,福建 福州350116)

摘要：随着私家车和企事业单位车辆的增加,针对车辆的有效管理和调度,传统的采用“车载终端+远程服务器”的模式不够人性化的问题,提出了采用“移动终端+远程服务器”的模式。该系统通过智能手机连接安装在车辆上的蓝牙设备,利用手机的无线通信功能与远程服务器连接,从而达到车辆定位监控的目的。为解决实验需要大量实际车辆进行测试的问题,该系统利用LabVIEW和蓝牙串口设备搭建车辆仿真数据发送平台,并进行了系统测试。研究结果表明,该系统发送接收数据的丢失率低,并且发送接收数据的时间间隔基本在0.5秒以下,可以满足车辆实时监控的要求,同时开辟了一种无需实际车辆的服务器测试方法。

关键词：智能交通; 车辆定位监控; 智能手机; 服务器; 蓝牙; OBD П

1引言

随着智能手机的发展,其功能日益强大,渗透到各行各业当中,并起到了积极的效果。近几年,利用智能手机与车载终端交互、乃至控制汽车的概念和产品实践引起了业界的广为关注,未来的汽车将更多地与智能手机、互联网联系起来,实现车联网。为了进一步增强车联网产品的功能,国外多家车厂商发布了智能手机应用。2012年9月,宝马已经将互联驾驶科技全面引入中国豪华汽车市场,全部BMW车型都配备了第三代的iDrive系统,目前BMW与苹果合作,开发了多款APP应用,使iDrive可以与iPhone连接,提供与车辆相关的车辆位置定位,离线导航等服务。日产公司也跟苹果iPhone合作,实现车辆的远程监控。国内对智能手机与汽车互联也开展了积极的探索和应用。广汽传祺推出的智慧传祺系统使用手机实现车况显示、远程定位等。中兴推出的“汽车智能诊断软件”可以通过WLAN与手机相连,实现车辆故障的实时监测[1]。因此,本文对车辆定位监控采用“移动终端+远程服务”模式具有一定的研究意义。

由于企事业单位的车辆不断增加,使他们迫切希望提高车辆活动的效率和有效的管理。传统的车辆定位监控需要在车辆上安装车载导航系统,以及必须要求车辆管理人员在监控中心的监控终端前才可以对车辆进行监控和车辆管理,并且这一套系统需要第三方来建立,费用昂贵,有隐私泄露的危险。因此,如果实现了手机定位监控功能,不仅可以减低车辆安装车载导航系统的成本,而且大大提高系统的灵活性、易用性和简便性[2]。只需一架智能手机就能实现所有功能,并且每人都会携带智能手机,因此不会增加携带的设备。本系统可以利用台式电脑作为服务器直接发布到外网上,自身建立一套运行系统,不仅节约成本和保护隐私,而且能够进行远程车辆故障监控,协助处理车辆故障问题。同时本文创新使用LabVIEW、串口和蓝牙模块的组合实现车辆运行数据仿真,并与智能手机蓝牙连接,实现系统测试,克服了对实际车辆的需求。

本系统总体架构和具体运行流程见图1、图2。车辆定位监控系统是集被监控车辆、定位智能手机、监控智能手机、互联网、监控中心、蓝牙、OBDП传输协议、AGPS定位、4G3GGPRS无线宽带通信、服务器、地理信息服务平台等多项技术与一身的智能手机车辆定位及监控系统。它是利用安装在车辆OBDП接口上的蓝牙设备与智能手机蓝牙连接,从而接收来自车辆上的运行信息,以及利用智能手机自身的AGPS定位系统进行车辆定位,然后通过智能手机的4G3GGPRS无线宽带通信将车辆运行信息和车辆定位信息传输到服务器或监控中心,服务器存储车辆运行信息到数据库以便日后查询行车记录,监控中心或监控手机端则可以根据接收到的信息进行GIS处理及显示,确定监控车辆的位置、运行状况和异常状况,更好的对车辆进行跟踪、调度、管理和维修[3]。

图1　系统总体架构Fig.1　Overall architecture of the system

图2　系统运行流程图Fig.2　Operation flow chart of the system

2车辆定位监控系统的硬件实现

2.1车载蓝牙设备

车载蓝牙设备是通过该设备的OBDП接口与汽车的OBDП接口连接,实时获取车辆运行信息,然后通过蓝牙向手机端发送数据的设备见图3。该设备的硬件主要包括OBDП接口、处理器MCU、蓝牙通信模块等[4]。

图3　车载蓝牙设备连接图Fig.3　Connection diagram of car Bluetooth

OBDП接口为统一标准的16PIN脚的DLC诊断室,一般位于驾驶室,驾驶侧表板下,其使用的通信协议基本有三种,分别为:1)ISO9141通讯协议电路,使用在所有欧洲汽车以及亚洲大多数国家的进口汽车上;2)SAEj1850VPW(可变的脉冲宽度调节)通讯协议电路,使用在美国通用(GM)生产的轿车以及轻型载货车上;3)SAEj1850PWM(脉冲宽度调节)通讯协议电路,使用在福特(ford)汽车公司生产的汽车上。根据ISO15031-5标准,CAN(控制器局域网)采用ISO15765-4标准[5]。因此,车载蓝牙设备与该车接口定义必须相同。

因为目前市场上已经有了该车载蓝牙设备,所以该设备的实用性可以保证。本文利用LabVIEW、串口和蓝牙模块代替了车辆和车载蓝牙设备,作为系统测试的车辆运行仿真平台见图4。通过电脑的LabVIEW与其自带VISA的I/O串口的功能,进行数据发送平台搭建,程序见图5。利用USB串口线连接蓝牙模块和电脑USB,实现仿真平台与智能手机数据传输。

2.2智能手机定位系统

随着智能手机功能的快速发展,以及网络技术的不断提高,目前的智能手机硬件功能不断更新,智能手机本身的AGPS定位精度,已经符合车辆行驶定位精度要求。最新的智能手机所使用的定位技术是AGPS(AssistedGPS:辅助全球卫星定位系统),它利用通讯基站信息来辅助GPS模块进行定位,主要优点为:

图4　车辆运行仿真平台Fig.4　Vehicle simulation platform

图5　LabVIEW的程序框图Fig.5　Program flowchart of the LabVIEW

1)有效弥补了使用GPS在有许多高大建筑、室内、地下车库和山洞等地方时,会存在定位精度不高或不能定位的盲区问题;

2)与纯GPS和纯基站定位相比,AGPS有更高的精度,一般精度在10米左右;

3)LBS基站定位是基于通讯运营商信号塔的定位方式,通过信号塔获取到手机SIM卡的经纬度信息,通过计算将该位置点并与电子地图API进行对接显示到地图上面,达到定位的目的。同时LBS基站定位具有强制性,由基站定位服务器端主动向终端发起定位,在监管类服务中起着重要作用[6]。

利用智能手机实现精确定位已经有很多的相关技术研究[7-8]。同时本文引进地图匹配技术,使车辆定位精度大大提高。因此,利用智能手机作为汽车定位监控调度的设备,不仅满足定位精度要求,而且非常方便,容易携带,成本低。

2.3服务器端

本系统的服务器端采用两台服务器,它们分别为数据服务器和应用服务器,数据服务器主要用来存储定位智能手机传输来的车辆运行信息和位置信息;应用服务器用来根据车辆运行信息,监控车辆异常信息并发出警告,以及根据车辆位置信息匹配地图,进行位置显示、跟踪、管理和调度。由于管理车辆有限,本系统可以利用台式电脑作为系统服务器使用,显示了本系统能够以最简单的方式实现车辆监控调度的目的。

本文实验使用个人台式电脑作为网络服务器,进行数据的接收、存储和发送。为了实现服务器的网络发布和稳定运行。首先到花生壳网站注册账号,获取免费的域名,安装新花生壳软件,通过注册的账号进行登入,通过添加映射将本机作为外网访问服务器地址,发布到网络上,具体设置见图6。外网通过输入外网访问地址就能访问服务器系统,即手机软件编程中数据的发送和接收只要加入该地址,就可以访问服务器。为了使服务器端口IP不发生改变,本系统加入路由器使内网IP不发生变化,这样就能使外网访问服务器地址时,不会因为内网IP变化而找不到服务器。

图6　花生壳外网映射设置Fig.6　Network mapping settings of the oray

3车辆定位监控系统的软件实现

3.1车载蓝牙设备与智能手机软件的实现

本系统通过STM32F103C8T6专用的烧写器将程序写入单片机,该程序主要是通过单片机接口获取车辆上的OBDП设备传输的数据,然后进行重新编码,再将新数据通过单片机串口传输到蓝牙模块,蓝牙模块再向外发送数据。其中单片机的编码规则见图7,前四位为防止数据丢失而加入的字母加数字的组合作为帧头;之后的编码为字母加单片机获取的数据的组合,其中字母为标识码,用途为使手机软件能够识别所传输字母之后的数据的含义,最后还有帧尾,为数据解码结束。

图7　数据的编码方式Fig.7　Data encoding

蓝牙模块用AT指令设置其波特率为9600Bd/s,这是由于蓝牙与智能手机蓝牙连接的波特率为9600Bd/s。

车载蓝牙设备只解读OBDП中的有用数据,为车速、发动机转速、加速度和故障码。其中最主要的是车速和故障码,车速用于了解该车的司机驾驶是否稳定和超速违章驾驶等;故障码用于发现车辆所存在的问题,同时远程系统可以实时监控车辆是否发生故障,帮助解决故障或者指导其到最近维修点进行维修。

SAEJ2010规定了一个5位标准故障代码,在参考文献[9]中已经对故障码的具体含义做出了解释。

本文使用的智能手机为Android智能手机,因此使用Eclipse软件进行Android软件开发,主要思想是:首先检测手机蓝牙设备是否开启,如果未开启,则开启蓝牙设备,如果开启,则检测车载蓝牙设备,并进行密码配对,绑定车载蓝牙设备,见图8;通过程序解码车载蓝牙设备发送的数据信息,并且利用手机自身的GPS和基站进行定位。本文使用百度地图开发包,因此需要到百度地图LBS开放平台,创建开发者密钥,平台会给你一个开发者密钥,只有这样程序才能加载百度地图进行实时当前位置显示。程序中使用doGet()方法将数据通过无线网络发送到服务器端,doGet()方法程序代码见图9。

图8　手机蓝牙搜索车载蓝牙设备Fig.8　Mobile phone Bluetooth search car Bluetooth devices

图9　doGet()方法程序代码Fig.9　The program code of doGet()method

3.2服务器端软件实现

本文实验利用个人台式电脑作为服务器,利用Myeclipse作为服务器编写软件,利用其插件Tomcat7.0进行服务器发布,其思想主要是:获取并解码手机软件发送的数据信息,然后存入数据库相应位置,数据库ID分配见图10;将获取的数据进行处理可以在地图上显示车辆的运行信息和位置信息,也可以通过手机软件获取数据库信息将其进行显示,达到移动远程监控的目的。

图10数据库的数据ID分配
Fig.10Data ID assignment of the database

3.3定位监控端软件实现

本系统的监控端,使用HTML、PHP、MySQL和Apache制作网页登入服务器,作为本系统客户端登入,其中HTML作为静态显示界面,在HTML代码中加入PHP作为动态数据库读取,获取数据库MySQL中存储的车辆运行信息,显示在网页界面中,利用Apache实现网站发布,利用网站方式进行监控不仅能在电脑上进行登入监控调度,还能通过手机登入进行监控调度,使用灵活、方便。

4实验结果及分析

4.1系统压力测试结果

服务器端压力测试是系统性能测试的重中之重,Apache服务器测试中最常用的工具有JMeter和Apacheab,本文使用Apacheab进行服务器压力测试,结果见表1。由表1可知,并发次数相同,请求次数越少,即处理任务越少服务器处理的速度越快;当请求次数相同,并发个数越少(即智能手机连接服务器个数越少),总耗时越少(即应激性越好),但是每秒处理个数也越少(即性能方面有所下降)。对于本系统而言,即便连接数目较多时,服务器也能很好的实现其功能。

表1　服务器压力测试结果Tab.1　Server stress test results

4.2系统通信性能实验结果

采用智能手机软件设置发送数据数目,服务器端记录数据数目的方式,进行系统数据丢失率测试。在一定距离下,向服务器发送数据,测得数据丢失率见表2。由表可知本系统数据丢失率较低,数据传输可靠,满足系统车辆监控对数据量获取的要求。

本系统的实时性测试是通过手机软件编程,在程序数据发送接收的语句中设置探针的方式,将数据的发送接收时间间隔进行记录并保存在手机中,数据发送接收时间间隔见图11。从图可

表2　数据丢失率Tab.2　Data error rate

以看出数据发送接收的时间基本在0.5秒以下,假设一辆汽车在城市里行驶一般速度都比较慢,速度为36km/h,也就是10m/s,延时误差为5m;如果速度为72km/h,也就是20m/s,延时误差是10m,这与GPS误差相当,所以该系统的实时性很强,能够保证对车辆进行实时监控。

图11　数据发送接收时间间隔Fig.11　The time interval of data sending and receive

5结束语

基于智能手机的车辆定位监控系统的实现,不仅能够使用户及时掌握车辆运行情况和故障状态,而且还能实时远程监控了解车辆运行状况,进行远程协助解决车辆故障,并进行车辆监控、调度和管理。特别是该系统的实现,使监控人员只需通过移动智能手机就能进行远程管理,大大提高了车辆的管理效率和速度。同时,仿真统测试实验方法的创新,使本系统的实验结果与实际结果符合度很高。下一步的工作是搭建专门的服务器,并将该系统安装到实际车辆上进行实际测试和验证。

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翁才恩男(1990-),福建沙县人,硕士研究生,主要研究为车辆与运载工具的电子、安全与智能交通技术方面的研究。

严世榕男(1960-),福建福州人,教授,主要研究为车辆动力学与电子控制方面的研究。

中图分类号：TP 39; TP 29

文献标识码：A

Design and Implementation of the Vehicle Positioning and Monitoring System Based on Smart Phone

WENG Caien,YAN Shirong

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)

Abstract：With the increasing of private cars and vehicles of enterprises and institutions,the mode of “mobile + remote server” is put forward to solve effective management and scheduling of vehicles,and that the traditional mode of “car terminal + remote server” is not humanization.The system is by using that smart phone connect with the Bluetooth device of installing on the vehicle,and then using that mobile wireless communication function connect with the remote server,so as to achieve the purpose of the vehicle positioning and monitoring.In order to solve the problems that test need a lot of the actual vehicle,the systems construct platform for vehicle simulation by using LabVIEW and Bluetooth serial port equipment,and has carried on the system test.The results indicate that the system has a low error rates to send and receive data,and the time interval is mainly under 0.5 seconds to send and receive data.The system can meet the requirements of vehicle real-time monitoring.At the same time,it is provided that the server method need not actual vehicle.

Key words：ITS (Intelligent Transportation System); vehicle positioning and monitoring; smart phone; server; Bluetooth; OBD П