基于物联网及车联网的汽车养护预警监测

刘勇良

摘 要：伴随着科技的进步，物联网正在迅速崛起并成为现代生活中必不可少的基础支撑。“车联网”是一种术语，通常与汽车和其他乘用车相关联，能够与后端应用程序进行互联网连接和各种数据共享。同时，“车联网”所连接的汽车也可以相互通信，并且可以在某些情况下（如可能的事故等）向对方发送警报。由此，本文讨论了“车联网”的概念及其如何用于执行“预测性汽车维护”，并对如何使用某些技术来实现预测性车辆维护进行了讨论。

关键词：物联网;车联网;维护预警;智慧城市

中图分类号：F426.471 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0135-04

Abstract： With the progress of science and technology， the Internet of Things is rapidly rising and becoming an indispensable basic support in modern life. "Vehicle Networking" is a term that is usually associated with cars and other passenger cars， and can be used to connect to the Internet and share various data with back-end applications. At the same time， the cars connected by the "Vehicle Network" can also communicate with each other， and in some cases （such as possible accidents， etc.） can send alarms to each other. Therefore， this paper discussed the concept of "Vehicle Networking" and how it could be used to implement "Predictive Vehicle Maintenance"， and discussed how to use some technologies to achieve predictive vehicle maintenance.

Keywords： Internet of Things （IOT）;Vehicle Networking ;predictive maintenance;intelligent city

目前，大多数消费者和汽车服务公司都在关注汽车的定期维护。在定期维护指南中，通常会建议车主在行驶了特定时间段或距离之后，对车辆进行保养。例如，建议车辆每隔5 000km或6个月（以先到者为准）进行一次保养。紧急保养及维修则是在车辆部件发生故障之后。汽车的定期养护大体如图1所示。

但是，汽车定期养护也存在缺点，主要总结为以下两点。

第一，汽车定期养护成本过高。在定期保养过程中，即使车辆部件完好，相关保养人员也会更换部件，而这在一定程度上造成浪费。此外，定期养护实质上并没有充分考虑汽车的使用环境及行驶工况，简单的定期养护必然导致部分车辆养护成本过高。

第二，如果某些零部件未完全损坏，暂时工作正常，而定期养护在很大程度上无法检查出这些可能会导致车辆故障的零部件。而车辆一旦发生故障，就会对车主造成较大的经济损失。

1 汽车定期维护的替代方法

针对定期养护的问题，本文提出基于传感器和物联网的汽车养护预警监测系统，该系统可以收集和分析汽车不同部件的运行状况，并将数据发送到后台进行集中管理。在系统中可以进一步分析从联网车辆中接收的数据。同时，如果需要其他服务，系统还可以向后台集中管理系统发出服务请求。该系统还可以生成紧急预警，以防止故障的发生，从而避免汽车部件故障[1]。

该系统具有以下几方面优势：第一，对汽车部件实行精准监测，实时警告可能出现故障的部件，降低维护保养成本;第二，分析和报告仪表板可用于查看汽车在不同时间段和不同位置的运行情况;第三，可以分析驾驶员的驾驶习惯，并对其驾驶陋习发出提醒。

2 预测性汽车养护的优势

车联网可以从安装在汽车中的各种传感器收集与车辆部件的健康状态相关的数据，并通过互联网将其发送到后端应用程序，用于分析车辆当前状况。如果某些车辆部件需要进行养护，则后端应用程序中车辆健康状况监测模块则会与汽車服务提供商取得联系，并将实时预警发送给相关方面。这可以大大节省汽车的维护费用。

3 预测性车辆养护技术简介

3.1 MQTT协议

消息队列遥测传输（MQTT）是一种基于“发布-订阅”模型的轻量级消息传递协议。MQTT使用客户端-服务器体系结构。其中，客户端（例如，汽车上的传感器设备）连接到MQTT服务器（称为代理）并将消息发布到服务器主题。代理将消息转发给订阅主题的客户端。MQTT适用于设备具有有限的处理和内存资源且网络带宽较低的受限环境。

3.2 MQTT详解

MQTT是一种标准化的发布/订阅消息传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使其适用范围非常广泛。单个MQTT服务器可以支持多达数千个远程客户端。MQTT适合在网络带宽较低的受限环境中使用，或者对具有有限处理能力和内存的远程设备提供支持。MQTT协议的发布者可以将消息发送到在MQTT服务器（也称为MQTT代理）上配置的主题。客户可以订阅这些主题，并接收与这些主题有关的消息。MQTT发布及订阅模型描述见图2。

虽然MQTT的“发布-订阅”模型与多数现有的企业消息系统相同，但其优势主要在于有完全成熟的“企业消息传递”系统，且低占用空间，这使其成为开发具有小型传感器、设备和其他低端设备的物联网应用的理想选择。例如，一些社交软件在移动平台上使用MQTT作为其消息产品，以确保最小化此应用程序的电池使用。

MQTT协议的优势为：发布-订阅模型提供一对多的消息传输;网络连接使用“TCP/IP”协议;支持SSL/TLS安全加密;支持三种消息传递模式：最多一次、至少一次以及恰好一次。此三种模式在网络、发布端或者客户端故障的情况下依然正常工作。此外，简单易用的API使开发人员更容易使用基于MQTT的产品;MQTT中的消息很短，最小的数据包大小在2个字节，因此非常适合小型和性能受限的设备;不限数据格式，保障灵活性;异常的客户端及传感器会被及时感知;基于MQTT协议的商业及开源产品均可用，其中包括IBM WebSphere MQ v 7.1及以上版本，EclipseIoT Mosquitto，ActiveMQ和HiveMQ。

3.3 Eclipse Mosquitto

Eclipse Mosquitto是一个开源的MQTT代理中转服务器。Mosquitto基于轻量级MQTT协议，是具有较低处理能力的设备、传感器和其他物联网设备的理想选择。MQTT客户端可以连接到给定的Mosquitto代理，并发布及订阅来自主题的消息。

Eclipse Mosquitto主要负责在发布者及发送者、订阅者及接收者之间提供通信渠道。任何使用Eclipse MQTT 客户端API的发布者都可以将消息发布到MQTT中转代理。这些MQTT客户端应指定要在其上发布消息的主题。这些主题在MQTT代理上配置。任何想要接收消息的订阅者或接收者都需要订阅该特定主题。代理中转的任务是将所有相关主题的消息传递给所有感兴趣的客户。由于不同的客户端（发布者和订阅者）只需要知道代理中转及主题的详细信息，因此两者都是相互分离的。

3.4 Eclipse Paho

Eclipse Paho是一个EclipseIoT项目，是MQTT协议的实现。Eclipse Paho提供多种语言的MQTT客户端库，包括Java/C，C#，.NET和Python。Eclipse Paho还具有MQTT-SN（传感器网络）的实用工具。发布者和订阅者（如图2所示）都可以使用Eclipse Paho MQTT Client库提供的API，并向/从MQTT代理（如Eclipse Mosquitto）发送/接收消息。

4 在车联网中使用MQTT技术的必要性

①适用于低性能设备，如连接汽车上安装的传感器。

②支持多种语言，因此兼容性对于汽车制造商的任何现有技术平台都不会成为问题。

③与经过验证且采用良好的行业领先的消息传递系统（如WebSphere MQ和ActiveMQ）集成。

④消息格式可以自定义，允许制造商定制和创建基于MQTT协议及其规范的解决方案。

5 使用Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho的预测性汽车维护系统架构

①“车联网”以预定义的格式向Eclipse Kura等物联网网关发送数据。

②汽车可以使用任何可能的方式发送数据，如通过WiFi、电信服务等。

③物联网网关将此数据发送到托管在云环境中的基于MQTT的Eclipse Mosquitto 中转代理（Broker）。

④架构中的控制器节点将对各种设备收集的车辆数据进行预处理及聚合，然后发送到云端。

⑤Eclipse Mosquitto获得处理后的数据并开始进行数据推送，订阅者使用Eclipse Paho API接受数据消息。

⑥在进行验证和数据转换后，订阅者可以使用数据集成组件将此消息数据发送到下游应用程序。

⑦对接收到的数据进行实时分析，形成可视化的结果，紧急情况下则发送警报对可能发生的汽车故障进行预警。

系统中的数据流如图4所示。在现实生活的复杂场景中，架构中可能涉及更多组件，如配置服务、策略管理器、规则引擎等。

6 使用Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho客户端工具实施预测汽车维护的示例

在本节中将使用Eclipse Paho客户端实用程序来模拟车联网，将发送汽车所在的城市（也可以发送确切位置）、速度和当前汽车健康状况，还包括是否需更换部件。

在真实情景下，车联网设备首先将数据发送到物联网网关，如图3中的架构图所示。此数据将被处理和汇总，然后再推送到其他下游应用程序。根据实际情况，可以将应用程序设计为基于所接收的数据而采取适当的动作。例如，如果速度过高则发送警报;如果需要更换某些部件或者润滑剂则预约汽车服务商。

在本文中，笔者使用Eclipse Paho MQTT工具（基于Java Swing的GUI应用程序）模拟车联网的行为，以连接到Mosquitto服务器，将消息发布到Mosquitto服务器上配置主题内容。订阅者将收到此消息，并将在GUI中显示此消息内容。

7 预测性汽车维护的经济效益

预测性汽车维护可以解决传统定期汽车维护存在的问题，提高经济效益。具体优势如下：①降低服务和维护成本，因为需要更换的部件才会得到维护;②对可能出现故障的部件进行实时预警，从而避免车辆突发故障导致的经济损失;③可以使用分析和报告仪表板查看汽车在不同时间段和不同地点的状况;④可以分析驾驶员的驾驶习惯并进行适当的提醒与介入。

8 汽车预测性维护面临的挑战

实施汽车预测性维护面临的挑战为：①与位置和其他敏感数据共享和传输相关的安全问题;②缺乏行业标准;③需要有适当的IT分析系统，这可能涉及巨额成本;④需要在通信、蓝牙、WiFi和其他网络方面实现更好的连接，以便从传感器传输实时数据;⑤所需的传感器数量较大，购买新车的成本可能会上升。

9 结论

随着时代的发展，传统的汽车定期养护在成本、效率、可靠性、环保等各个角度都渐渐凸显出各种问题，而利用MQTT等物联网协议实现预测性汽车养护已然成为解决这些问题的关键。本文讨论了基于物联网和车联网的汽车养护预警监测的部分内容，介绍了使用Eclipse Paho和Eclipse Mosquitto实现汽车养护预警监测的系统架构，以及Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho等MQTT协议的具体应用实例，展示了汽车养护预警监测系统的巨大优势。相信在不久的将来，汽车养护预警监测將逐步替代传统的汽车定期养护，成为新的行业准则。

参考文献：

[1]杨晓勤，杨浩. 汽车维修与汽车维修技术网络服务[J]. 内蒙古科技与经济，2003（2）：93.