基于LabVIEW的汽车状态监测系统仿真开发

张洪华，张小珍

（福州职业技术学院，福建 福州 350008）

1 引言

进入21世纪以来，我国的汽车产业得以高速发展，已然成为我国的支柱产业，对国民经济发展起着重要作用。汽车的出现，极大的便利了人们的出行，但其安全问题也一直是国家、社会和国民所密切关注的现实问题。

对汽车安全的研究主要在主动安全[1]和被动安全[2]，分别从避免发生安全事故到发生安全事故后减轻事故后果两方面考虑。

目前在汽车状态监测方面，已有学者进行了一些研究，如对新能源汽车锂电池组温度状态进行在线测试[3]；基于CAN总线的汽车实时数据采集研究[4]等。对汽车状态的多参数远程监测的研究还较少，在此背景下，为响应智能网联汽车的发展，在车联网技术发展，故障预测及诊断、健康状态评估技术等算法的不断深入研究背景下开展基于虚拟仪器技术的汽车多状态监测显得很有意义。基于此基础可以开展一系列的监测数据应用以实现汽车健康状态评估、故障预测与诊断等重要研究。

研究了一种基于虚拟仪器技术的汽车状态监测系统，能将车辆安全息息相关的胎压、胎温、发动机振动、尾气等参数进行全仿真生成并在监测系统中进行实时在线监测，利用LabVIEW软件进行开发的监测界面直观生动，易于操作。

2 监测系统功能架构

监测系统主要实现对影响汽车健康状态的评估参数进行实时采集与监测。影响汽车健康状态的评估参数很多，本项目开发的系统旨在对汽车原有安全系统作一个补充，所以选取未在汽车本身电脑系统所普遍监测且重要的参数，如各轮胎的胎压、胎温，汽车发动机的振动，尾气参数作为本系统的主要在线监测对象（依所监测车辆实际情况与监测目的需求不同，本系统可以灵活增加或减少监测参数）。

由于本监测系统对象为随时可能移动的汽车，所以监测数据的传输方式宜选用不受连接对象位置限制的无线网络传输；系统的监测终端要能实时呈现汽车各项参数的状态，以方便相关人员实时查看；系统软件开发应高效、直观，系统应具备安全性、稳定性与可扩展性。

汽车状态监测系统架构如图1所示。由数据采集系统将汽车尾气、胎温、胎压、发动机振动参数数据进行采集，通过无线网关将数据传输至数据处理系统进行数据的接入、存储和处理等加工，再传输至功能服务系统实现对汽车状态的监测与异常报警，用户系统是支撑用户接入监测网络，使用状态监测、报警服务的接口系统，主要为企业用户，根据需要可增加政府监管用户。

图1 汽车状态监测系统功能架构

3 监测数据的选择与仿真生成

主要提出了一种对汽车参数进行状态监测和异常报警的系统，作为对现有汽车安全的一种补充。

汽车自身系统对各种重要参数进行着监测，其主要通过仪表板上的指示灯来显示，最常见的如发动机故障、机油不足或压力过低、电瓶（蓄电池）及发电系统故障、ABS（防抱死）系统故障、制动系统故障、安全带是否系好、燃油不足、后尾箱盖打开、引擎盖打开、安全气囊状态、车门未关闭等。但是目前很多车辆还未配置各轮胎的温度和压力监测，基本上所有车辆均未对发动机振动和尾气成分进行实时监测。轮胎温度和压力对车辆的安全行驶至关重要，据资料统计，在高速公路发生的交通事故中，由于轮胎原因引起的事故占45%以上，因轮胎原因导致中途抛锚的占84.8%[5]。轮胎气压越高，其侧偏刚度也愈大，轮胎气压要与车辆负荷相适应，与胎温适应，轮胎气压对轮胎寿命有着重要影响。发动机是汽车的心脏，其部件众多，由于各种因素叠加，其故障几率很大，汽车自身系统已有其故障检测与报警，但发动机的状态可以由其工作中的振动规律来体现，如果能对发动机振动进行实时集中监测[6]，通过对其波形、幅值或频谱分析，可以及早的发现其异常，在故障发生之前进行检修排除。汽车发动机结构复杂，其运行参数的变化很多都会通过对燃烧的影响直接反映在尾气上[7]，所以通过对发动机尾气进行分析以实现对发动机故障的诊断。

基于以上分析，为了对车辆原有安全系统进行有效补充，选取胎压、胎温、发动机振动、尾气参数作为本开发系统的状态监测参数。

该监测系统采用“参数数据生成器”实现对胎压、胎温、发动机振动、尾气参数的模拟，主要有以下几点理由：一是对监测系统采用模拟数据进行试验，以验证监测的可行性与监测效果，可提高开发效率和减少开发成本；二是车辆一般处于安全、稳定状态，实际尾气、胎压、胎温、发动机振动等参数异常情况很少发生且变化较小，这就给系统的异常情况监测及全幅度变化的监测效果检测带来很大的难度，但模拟数据可模拟出所有情况下的传感数值且可调整变化幅度，很适合对系统进行科学的严酷测试。

4 监测系统软件开发

通过选用合适的软件，依据各参数特点编写“参数数据生成器”，编写状态监测系统程序和历史监测数据程序并进行最终的调试，是本系统的核心。

4.1 需实现功能

汽车状态监测系统应具备传感数据采集，各参数阈值的设定以及对采集的数据进行存储和后续历史数据查看的功能。

（1）传感数据采集

在正式投入使用的情况下，系统应可通过用户系统进行远程设置，实现对汽车的相应传感器进行数据采集与存储，通过无线网络传输，并将相应传感数据直观显示于状态监测中心，监测人员可实现对汽车的远程状态监测。

（2）阈值设定

有权限的监测或管理人员可根据监测要求设置不同参数的阈值，当采集的相应参数值超出设定阈值时，系统会自动触发阈值报警，将异常情况进行实时反馈。

（3）存储与历史数据查看

汽车状态监测系统能将采集的数据信息捆绑时间信息进行自动存储，生成本地或云端数据文件，监测人员通过本系统端便捷操作即可实现对各参数历史数据进行直观查询，可实现溯源分析以及后续的数据开发运用。

4.2 开发环境选择

LabVIEW目前被广泛运用于科研实验及工业应用领域[8]。LabVIEW可以实现对虚拟仪器的自行建立。利用它进行原理研究、开发系统、测试系统，可以极大地提高工作效率。基于LabVIEW在数据采集方面还具有很大的优势，本课题采用LabVIEW实现数据采集、数据处理与分析及数据的显示这3部分的功能进行汽车状态监测平台的软件开发。

5 仿真实例分析

5.1 监测数据的实现

随着国家对环保的愈加重视，汽车尾气排放标准也在提高，现行的国六汽车尾气排放标准，其对碳氢化合物、氮氧化合物、CO和悬浮颗粒等机动车排放物的限制更为严苛。另外，通过汽车尾气中的CO、碳氢化合物、O2、CO2等气体的含量及变化，可以知道该汽车的相应状态及对其故障进行预测。一个调整好的闭环控制电控汽车的尾气排放中[9]，CO应低于0.5%，碳氢化合物的含量大约为55~100ppm，O2的浓度应该是1.0%~2.0%，CO2为13.8%~15.0%，依据这些要求，通过软件设置友好的人机界面，有权限人员通过人机界面中的各参数阈值设定窗口即可方便进行查看和设置。根据以上要求设计了可供调用的汽车尾气数据生成子程序，如图2所示。胎压、胎温和发动机振动数据生成子程序原理与此类似。

图2 汽车尾气数据生成子程序

对每种气体根据阈值分别通过逻辑运算设计得到1个通道的仿真数据，其仿真数据为随机值，且大多在正常值范围内，通过适当调整逻辑运算可方便调整超阈值数字的大小及比例，以利于对系统进行全面测试。利用LabVIEW中子VI的形式，对每种“参数数据生成器”进行单独的设计，通过其前面板的显示控件可以很容易的检验数据生成情况，在监测程序中只需调用这些子VI即可。

5.2 汽车状态监测的实现及效果

“数据生成器”子程序生成仿真数据，作为输入端为主程序提升监测数据来源，系统将带时间戳的各参数通过不同波形图表进行实时显示。

通过“数组插入”将模拟数据与当前时间信息进行捆绑，以电子表格形式写入，通过目录控件选择存储目录及文件，最终实现带时间信息的实时监测参数数据的存储。汽车尾气监测存储程序如图3所示，其余参数数据的监测存储程序与此类似。

图3 汽车尾气监测数据存储程序

在背板进行程序的设计，在前面板中进行显示控件的设置和调整。为了将实时监测数据的监测显示界面和历史数据界面在同一界面进行较为合理的设计，本设计利用显示卡控件，将实时监测面板与历史数据面板布置在不同页面，通过切换显示卡操作，即可实现对不同界面的切换。其各参数实时监测主界面如图4所示（家用小车胎温上、下限分别设为80℃和-5℃；胎压上、下限分别设为0.28MPa和0.18MPa；发动机振动的正常范围数据主要依据该车辆平时使用时的正常范围，在此系统先依据ISO2372中Ⅰ类A级，暂取上限值为0.71mm/s；尾气中监测类别及阈值设定按上文中要求进行设定，有相应权限人员可通过图4右侧界面对各参数上下限值进行相应设置）。其监测界面左侧将所有参数实时监测波形进行动态展现，右侧为系统存储目录、当前实时值、报警情况、阈值设置等界面。

图4 各参数实时监测主界面

通过波形图来呈现监测数据的变化趋势，通过右侧实时界面可直观看到当前各项监测值与对应的阈值，超阈值时阈值报警灯会亮起以提醒监测人员注意。如测试数据尾气中的CO2含量为13.45%，而正常值为13.8%~15%，系统触发阈值警报，尾气操作与显示界面如图5所示。

图5 尾气操作与显示界面

5.3 历史数据显示

历史数据界面与实时监测布局一致，分别显示带时间的胎温、胎压、各尾气、发动机振动数据等信息，如图6所示。通过垂直滚动条或鼠标滚轮即可实现历史数据的灵活查阅。

图6 各参数历史数据界面

6 结束语

研究了一种基于虚拟仪器的汽车状态监测系统，通过程序生成了丰富的试验数据，通过实验表明监测系统能将数据情况进行实时、准确的展现，各参数的实时监测曲线与当前数值及历史数值一一对应。对超阈值时的异常情况也能通过监测界面的阈值报警进行及时的呈现。为后续的汽车安全研究（故障预测、健康状态评估等）提供了一种思路。