车载终端数据发送系统改进设计

辛英 张延良 武迎迎 李国朋 孙龙洋

(潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 261061)

0 引言

车联网概念由物联网衍生而来,是未来智能交通系统应用的主要组成部分之一[1]。数据采集与监测系统作为车联网的重要组成部分,为车辆及其主要部件的设计、开发、评估及改进提供依据,例如发动机试验依靠数据采集获得精确可靠的试车数据,用来判断和识别发动机是否工作正常。数据采集与监控作为车联网技术发展的重要应用,为完善整车控制策略提供数据支持,也为未来智能化汽车与无人驾驶领域的推动打下了坚实的基础[2]。

本文以车载终端数据采集的远程传输为研究对象,系统分析了数据采集远程传输的基本过程。针对当前数据采集中存在的易丢包问题,改进车载终端数据发送系统的架构设计,引入数据缓存池方法,识别输入数据并进行元素模型构建,将车载终端数据的接收和发送过程分开。

1 数据传输现状分析

在车联网传输及监控系统中,监控平台、车载终端、网联车辆组成远程数据采集传输及监控系统的三大节点,其连接过程可通过如图1 进行展示。

图1 远程数据传输主要节点示例Fig.1 Example of remote data transmission main node

在某些特殊应用领域,机器运行时的数据采集与监测信息的回传意义尤为重要。例如新型航空发动机研制过程中的科研试飞、定型试飞均离不开精确的测试数据支持[2]。在汽车领域的意义类似,当前车联网信息普遍采用基于GPRS 的GSM 系统进行运行数据的采集及回传。通过GPS 模块接收的车辆位置信息和CAN 总线采集的车辆实时运行数据,由GPRS网络将数据发送到中心服务器上[3],可通过手机客户端或上位机等的APP 进行数据查看,中心服务器可对数据进行相应处理后将处理结果通过手机客户端或其他上位机进行效果展示[4]。

如图1所示在车联网系统中,车辆运行数据的采集及回传是一个回路形式。远程监控平台根据客户具体需求,下发相应的车辆数据采集指令到车载终端,它们之间进行基于GPRS的无线通讯;车载终端接收到远程监控平台下发的数据采集指令后向网联车辆的指定控制单元(例如,网联车辆的发动机ECU)发送数据采集指令,它们之间通常通过整车CAN 总线进行通讯,具体采用哪种通讯协议,可由ECU和车载终端协商决定;网联车辆的控制单元接收到数据采集指令后,在适当条件下会将需要采集的数据通过CAN 总线发送到车载终端;车载终端将采集到的数据通过无线通讯方式传送给远程监控平台,通过平台进行回传数据的汇总、查看及分析,进而通过手机客户端或其他上位机方式展示。在此过程中,车载终端接收到网联车辆回传的数据后先存储到车载终端内置的存储介质中,比如SD卡、FLASH 等,在车载终端与远程监控平台通讯正常的情况下,才能开始进行采集数据的实时传输。如上分析过程可以看出,数据采集、存储和实时上传可以是两个相对独立的过程。本文重点关注图1 所示的过程④,即数据从车载终端回传到远程监控平台的过程。车载终端会实时监控数据且车载终端与监控平台通讯状态正常的情况下,车载终端会将数据通过远程方式发送到监控平台;监控平台接收数据后会发送接收成功的应答信息,车载终端收到应答信息后继续进行后续数据的传输;若车载终端未收到监控平台发出的接收成功应答信息则会进行数据链路状态确认。此过程中车载终端在数据接收完毕后直接进行发送,在通讯信号较差的情况下,车载终端无法及时将数据发送到平台;由于没有缓存过程,易发生丢包,且无法实现数据重发。

2 数据缓存设计及验证

实际应用中,为了降低整车造价成本,车辆安装的车载终端一般均对成本有严格要求,导致车载终端使用的核心部件MCU性能相对较低。基于这一特征,本文进行数据缓存池设计,将车载终端的数据打包和数据发送进行分离,构造缓存数据池并实时监控数据池的状态,识别数据及数据池的状态特征进行数据发送。

下面从数据缓存池设计、数据缓存过程设计及系统效果测试三个方面描述数据缓存池的整个设计思路及系统测试效果。

2.1 数据缓存池设计

数据缓存池设计模型如图2 所示。数据缓存池由若干个结构体数据元素组成,每个元素需要包含三个必要的信息,分别是该数据元素使用状态的状态机、数据长度、数据内容。数据元素使用状态的状态机可分为三种情况:0表示没有数据,1表示有待发送数据,2表示数据发送成功;当有调度任务对该元素完成操作后,则进行状态机切换。数据元素的数据长度,以字节个数为单位计数,当数据缓存池中待发送数据元素个数小于等于总个数N,则进行数据存储;当数据缓存池待发送数据元素个数等于总个数N,则进入等待发送状态。

图2 数据缓存池设计图示Fig.2 Data cache pool design diagram

2.2 数据缓存过程设计

在数据缓存的设计中,数据存储前增加数据打包过程设计。其任务是将数据缓存池中数据元素进行封装,既可使数据存储得到缓冲又实现了数据的规整存放。具体实现过程如图3 所示。

图3 数据打包实现过程Fig.3 Data packaging implementation process

首先,系统查询缓存池中数据元素的状态机,确定数据元素是否具备存储新包数据的条件。如果数据元素的状态机是0 或2,则可以写入数据并将数据元素的状态机置为1,然后查询下一个数据元素,如此循环直到将数据缓存池中N 个元素全部查询完毕。

接上步,在数据打包完成后,系统将打包好的数据推入数据缓存池。系统采用轮询方式对进入数据缓存池中的数据元素进行状态识别并进行信息标注,确认数据缓存池状态达到发送的要求后即进入数据发送状态。系统判断在网络连接正常且数据缓存池状态为可发送状态时,将满足条件的数据缓存池中数据元素发送出去进行数据传输。

2.3 系统效果测试

本文采用行业常用的MCU STM32-405 搭载SIM7600 G-H 通讯模组的4G 车载终端,以发动机ECU 用于分析油耗高的数据采集配置为例进行测试及数据分析。试验现场环境如图4 所示,基于模拟台架进行数据采集回传测试。车载终端根据监控平台下发的数据采集配置进行数据采集并实时回传远程监控平台,在运行一段时间后(>24h),从监控平台导出约24h的过程数据进行分析。经统计此时间段理论应该回传数据条数为:89529,实际平台收到数据条数:88728;回传数据率达到了99%,同之前的92%的回传率相比,提升了7.6%。

图4 实验室环境测试及报文记录Fig.4 Laboratory environment test and message record

3 结语

在智能化、网联化推动下,车辆配套车载终端已为常态。大数据量的分析需求对车联网系统的性能要求也日趋升高。本文在车载终端现有数据发送系统的基础上进行了改进设计,简要介绍了车载终端数据采集系统的实现过程,详细介绍了车载终端到远程监控平台的数据传输过程。并基于该过程进行车载终端数据传输系统改进设计,提出了数据缓存池的设计方案,基于缓存池实现元素状态的变更记录及数据发送过程的优化。该方案实现后,采用STM32-405芯片搭载芯讯通SIM7600G-H通讯模块的4G车载终端进行了实验室环境的以发动机数据采集配置为例的数据采集及回传信息分析。试验证明此设计提升了发送数据的准确性,提高了数据发送的容错能力。