1.前言
近年來(lái)道路交通事故呈上升趨勢(shì)，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失。為此，國(guó)家相關(guān)部門(mén)已強(qiáng)制安裝行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀等措施。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)處于發(fā)展階段，電控發(fā)動(dòng)機(jī)試裝車(chē)階段常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)檐?chē)輛匹配不佳而導(dǎo)致大量的軟故障問(wèn)題發(fā)生，甚至在批量交付給終端用戶后都還會(huì)發(fā)生系統(tǒng)故障。目前發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的解決辦法都是依靠技術(shù)人員到實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障診斷以及電控單元的控制程序升級(jí)。由于車(chē)輛已經(jīng)交到用戶手中，在全國(guó)各地?zé)o規(guī)律的分布，這將導(dǎo)致技術(shù)人員來(lái)回奔波，影響客戶對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)的信任度。其次，售后服務(wù)的區(qū)域分布廣，差旅費(fèi)帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)極大，勢(shì)必增加電控發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)成本。遠(yuǎn)程行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀便是解決以上難題的較好方法。
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)涉及多個(gè)領(lǐng)域和技術(shù)，主要技術(shù)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。本軟件的硬件系統(tǒng)是基于飛思卡爾MCF51JM128為核心的控制器，使用CAN通道與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)通訊，使用串口與GPRS、GPS模塊通訊，AD采樣自身電池電壓，SPI操作SD卡文件系統(tǒng)。最終設(shè)計(jì)目標(biāo)在于兼容CCP、SAEJ1939等多種汽車(chē)CAN協(xié)議與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)通訊，設(shè)置需要采集的監(jiān)控變量，連續(xù)存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)的監(jiān)控變量與行車(chē)GPS數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器。一方面為專業(yè)客戶(汽車(chē)生產(chǎn)、研發(fā)和汽車(chē)維修部門(mén))，提供發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障調(diào)試服務(wù)。另一方面以網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)為主，為終端用戶(物流企業(yè)、團(tuán)體車(chē)隊(duì)、個(gè)人用戶)提供基于GPS的車(chē)輛軌跡監(jiān)控、防盜、油耗監(jiān)控等以及遠(yuǎn)程排故、遠(yuǎn)程控制等功能。
2.1 方案設(shè)計(jì)
如何做到不改變現(xiàn)有電控發(fā)動(dòng)機(jī)硬件設(shè)備，異地傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況？結(jié)合電控單元（ECU）的產(chǎn)品特性，如何對(duì)遍布全國(guó)角落的車(chē)輛運(yùn)行狀況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控以及故障診斷。針對(duì)車(chē)輛分布廣，地域性要求較高的特點(diǎn)，最為理想的則是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
GPRS是目前解決移動(dòng)通信信息服務(wù)的一種運(yùn)用較廣泛的業(yè)務(wù)，它是以數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度更快。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的地方，我們都可以實(shí)現(xiàn)行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
圖1 系統(tǒng)框圖
如圖1系統(tǒng)框圖所示,行車(chē)記錄儀通過(guò)CAN線與ECU連接，基于CCP/1939通訊協(xié)議與ECU交換數(shù)據(jù)，行車(chē)記錄儀將所獲的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡上，并根據(jù)需要將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及GPS經(jīng)緯數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程服務(wù)器可以搭建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以供客戶電腦監(jiān)控車(chē)輛運(yùn)行情況。同時(shí)服務(wù)器也可發(fā)送控制命令達(dá)到遠(yuǎn)程控制車(chē)輛的目的。
2.2 硬件設(shè)計(jì)
基于GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，不需要對(duì)現(xiàn)有的電控單元(ECU)產(chǎn)品做任何硬件改動(dòng)，只需引入GPRS無(wú)線模塊連接到發(fā)動(dòng)機(jī)通信診斷口上即可。GPRS模塊目前主要以DTU (Data Transfer unit)數(shù)據(jù)傳輸單元為主，用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為T(mén)CP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或?qū)CP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)。主控制器的選擇需要具備多路CAN通道，2路SCI通道,1路SPI通道，1路AD,1路IIC等必要硬件資源。
圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖
MCU選擇FREESCALE公司的MCF51JM128，芯片F(xiàn)LASH空間128Kbytes，RAM空間16 Kbytes，帶2路SCI，2路SPI，1路CAN，1路IIC，AD通道12路。GPRS選擇了SIM900A, GPS選擇了HOULUX定位系列芯片。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
2.3.1 單片機(jī)設(shè)計(jì)
單片機(jī)設(shè)計(jì)基于MCF51JM128芯片，采用CodeWarrior開(kāi)發(fā)完成。系統(tǒng)上電，軟件首先進(jìn)行必要的硬件初始化操作，判斷CAN接口、SD卡是否接觸良好？系統(tǒng)自檢完成后，即開(kāi)始讀取SD卡的監(jiān)控變量配置文件，將監(jiān)控變量需求通過(guò)CAN通訊提交給ECU，ECU接受監(jiān)控變量設(shè)置成功后，即按要求反饋監(jiān)控變量的CAN數(shù)據(jù)原文。軟件周期存儲(chǔ)CAN數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)，以及發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器。
圖3 軟件流程圖
2.3.1.1 CAN、SCI通訊
CAN通道支持125K,250K,500K,1M等4種波特率的數(shù)據(jù)傳輸，能有效適應(yīng)CCP、SAEJ1939等控制協(xié)議傳輸需求。此外，記錄儀設(shè)備的系統(tǒng)信息也可以通過(guò)CAN通訊設(shè)置，PC與單片機(jī)的CAN通訊協(xié)議為自定義協(xié)議，使用2組11位ID識(shí)別，分別為1)0x234，0x235；2)0x236，0x237。第一組ID用來(lái)對(duì)GPRS模塊進(jìn)行配置和通訊操作，第二組ID用來(lái)對(duì)系統(tǒng)配置常量的FLASH操作進(jìn)行控制。
SCI通訊主要用于MCU與GPS以及GPRS模塊通訊， GPS數(shù)據(jù)傳輸波特率為9600；GPRS數(shù)據(jù)傳輸波特率為11520。
2.3.1.2 時(shí)鐘設(shè)置及校準(zhǔn)
實(shí)時(shí)時(shí)鐘主要用于數(shù)據(jù)SD卡存儲(chǔ)提供文件命名來(lái)源，時(shí)鐘使用時(shí)鐘模塊提供的時(shí)鐘源，同時(shí)在能夠接收到GPS信號(hào)的狀態(tài)下，使用GPS時(shí)鐘源校準(zhǔn)時(shí)鐘保證了時(shí)鐘的準(zhǔn)確性�？紤]到時(shí)鐘模塊掉電以及GPS沒(méi)有信號(hào)的狀態(tài)可能同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致失去正常時(shí)鐘，所以將會(huì)在FLASH中保存時(shí)鐘源提供的最新一天的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，保存內(nèi)容為年月日，以辨別SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間真實(shí)與否。
2.3.1.3 SD卡文件系統(tǒng)
GPS數(shù)據(jù)保存在以創(chuàng)建文件時(shí)間（月日時(shí)分）命名的txt文檔中，以20k為一個(gè)單位，超過(guò)指定大小后，另開(kāi)一個(gè)文件繼續(xù)存儲(chǔ)。由于GPS保存數(shù)據(jù)并不能預(yù)先判斷設(shè)備斷電和SD卡狀態(tài)，所以在存儲(chǔ)文件時(shí)采用單次存儲(chǔ)，單次關(guān)閉的方式，避免由于設(shè)備斷電等未知情況導(dǎo)致的文件保存不完整、無(wú)法正常打開(kāi)。
2.3.1.4 GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
由于GPS響應(yīng)相當(dāng)頻繁，且對(duì)時(shí)間不太敏感，GPS數(shù)據(jù)采用開(kāi)緩存非實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后將$GPGGA（全球定位數(shù)據(jù)）取出，存入到SD卡txt文件，還可同時(shí)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。
2.3.1.5 GPRS模塊設(shè)置
該模塊設(shè)置通過(guò)CAN轉(zhuǎn)SCI的方式由PC實(shí)現(xiàn), GPRS模塊設(shè)置符合AT命令標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)SCI輸入AT命令，即可將GPRS模塊配置為數(shù)據(jù)透明傳輸模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。
常用的AT命令如下：
AT+CSTT="CMNET" //設(shè)置模塊的APN賬號(hào)
AT+CIPCFG=1,40,0,150,1000 //配置模塊自動(dòng)啟動(dòng)模式，斷線自動(dòng)重連等待時(shí)間
AT+CIPMUX=0 //設(shè)置為單鏈接模式
AT+CIPMODE=1 //設(shè)置為數(shù)據(jù)包模式
AT+CIPSCONT=0,"TCP","192.168.0.1",7100,2 //設(shè)置通訊協(xié)議、服務(wù)器地址、端口
2.3.1.7 設(shè)備系統(tǒng)信息
通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)配置信息可以選擇設(shè)備的使用插件、運(yùn)行模式，以及ID標(biāo)識(shí)等。該配置信息通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)讀、寫(xiě)功能。
系統(tǒng)配置信息位于設(shè)備Flash 區(qū)域0x0001FC00地址處，該功能的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)Flash 進(jìn)行格式化和寫(xiě)操作，相關(guān)代碼需要拷貝到RAM中執(zhí)行。
表1 系統(tǒng)信息存儲(chǔ)說(shuō)明
2.3.1.8 CCP數(shù)據(jù)監(jiān)控
該功能的數(shù)據(jù)監(jiān)控和SD卡存儲(chǔ)代碼實(shí)現(xiàn)保留第一版行車(chē)記錄儀的代碼實(shí)現(xiàn)，新添加遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)代碼實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)內(nèi)容如下：
行車(chē)記錄儀上電后依據(jù)系統(tǒng)配置信息得到當(dāng)前CAN數(shù)據(jù)協(xié)議是否支持CCP協(xié)議，如果支持則讀取SD卡上的CCP配置文件（DAQLst.inf、DAQTgt.lst、*.a2l），單片機(jī)主要讀取DAQTgt.lst文件，該文件包含CCP監(jiān)控變量的ECU地址信息，然后按照CCP協(xié)議與ECU通訊，設(shè)置開(kāi)啟DAQ數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)支持標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)型、10ms、100ms等三種標(biāo)準(zhǔn)DAQ數(shù)據(jù)。ECU反饋回的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息按CAN數(shù)據(jù)原文格式配以時(shí)間標(biāo)識(shí)存放在SD卡內(nèi)，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)配置信息得到是否支持CCP遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能，如果支持則按照預(yù)訂的發(fā)送周期（分鐘）采樣CCP數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器。由于CCP最大數(shù)據(jù)量為254×8＝2032字節(jié)，考慮到單片機(jī)內(nèi)存大小，CCP的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用分時(shí)間片傳輸模式，即建立一個(gè)小的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，將整個(gè)需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量按照該緩沖區(qū)大小分時(shí)間片在1分鐘內(nèi)分片發(fā)送。一個(gè)周期內(nèi)，關(guān)注的監(jiān)控信息只發(fā)送一次。
2.3.1.9 J1939數(shù)據(jù)監(jiān)控
行車(chē)記錄儀上電后依據(jù)系統(tǒng)配置信息得到當(dāng)前CAN數(shù)據(jù)協(xié)議是否支持J1939協(xié)議，如果支持則讀取SD卡上的配置文件（J1939.lst），然后按照J(rèn)1939協(xié)議解析監(jiān)控到的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)根據(jù)配置文件設(shè)定的存儲(chǔ)周期和發(fā)送周期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。
考慮到單片機(jī)內(nèi)存大小，同時(shí)由于選用的單片機(jī)不支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，所以提前設(shè)定了最大支持16組PGN的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每一組PGN最大支持30字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。具體文件格式如表2所示。
表2 J1939配置文件格式
PGN編號(hào)－需要監(jiān)控的PGN編號(hào)。
數(shù)據(jù)模式－PGN在總線上出現(xiàn)的模式。
0：自動(dòng)周期發(fā)送的PGN
1：請(qǐng)求發(fā)送的PGN，如DM1故障診斷。
2.3.1.10 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸
配置GPRS模塊為自動(dòng)數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ�，相�?dāng)于實(shí)現(xiàn)了片上SCI和TCP/IP數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,可以方便的通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。設(shè)計(jì)采用了自定義的報(bào)文格式封裝，具體數(shù)據(jù)如下：
表3 遠(yuǎn)程傳輸報(bào)文協(xié)議
數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：按照數(shù)據(jù)種類定義數(shù)據(jù)內(nèi)容的長(zhǎng)度。
數(shù)據(jù)種類：（數(shù)據(jù)內(nèi)容的類型）
0x33：J1939數(shù)據(jù)
0x34：CCP數(shù)據(jù)
0x35：數(shù)據(jù)（預(yù)留）
0xCC：GPS數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)校驗(yàn)：數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中有效數(shù)據(jù)內(nèi)容的累加校驗(yàn)值。
幀頭、幀尾：0xAA5555AA
2.3.2 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)適宜采用B/S瘦客戶端模式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案是以平臺(tái)自身為服務(wù)器端，監(jiān)聽(tīng)行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)起的遠(yuǎn)程連接，當(dāng)建立完成TCP連接之后，通過(guò)SOCKET套接字編程，交互數(shù)據(jù)，平臺(tái)根據(jù)遠(yuǎn)程傳輸報(bào)文協(xié)議，解析數(shù)據(jù)原文，將發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)。
數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)相對(duì)簡(jiǎn)單，按NEMA0183標(biāo)準(zhǔn)格式提取需要的經(jīng)緯信息，瞬時(shí)速度，UTC時(shí)間，海拔高度等數(shù)據(jù)即可。而發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控變量由于設(shè)置靈活，變量個(gè)數(shù)不定，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)庫(kù)字段無(wú)法預(yù)先設(shè)定，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)如SQLSERVER, MySQL ,Oracle等數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控變量的靈活存儲(chǔ)的需求。根據(jù)平臺(tái)需求特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用了Mongo DB非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控變量數(shù)據(jù)。MongoDB是一個(gè)介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的產(chǎn)品，是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中功能最豐富，最像關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的。他支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常松散，因此可以存儲(chǔ)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控變量靈活設(shè)置的存儲(chǔ)需求。
圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)效果圖
平臺(tái)監(jiān)控效果如圖4所示，功能大致如下：
①車(chē)輛信息管理：對(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、打印報(bào)表及增、刪、改的維護(hù)工作。
�、诓僮鲉T信息管理：對(duì)操作員信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、打印報(bào)表。
�、廴罩竟芾恚簩�(duì)日常操作（如用戶登錄、車(chē)輛查詢、區(qū)域報(bào)警設(shè)定、消息發(fā)送等）。
�、苘壽E信息管理：車(chē)輛軌跡，歷史數(shù)據(jù)回放，指定回放速度。
�、荼O(jiān)控狀態(tài)管理：區(qū)域監(jiān)控，多目標(biāo)監(jiān)控，單目標(biāo)監(jiān)控，非監(jiān)控狀態(tài)。
�、弈繕�(biāo)查詢：呼叫目標(biāo)，中止呼叫，連續(xù)跟蹤，取消連續(xù)跟蹤。
⑦報(bào)警管理：超運(yùn)行范圍報(bào)警，超速報(bào)警，違規(guī)線路報(bào)警。
�、喟l(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控：監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。
�、岚l(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷：發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷，并下發(fā)排故建議。
�、鈹�(shù)據(jù)庫(kù)備份恢復(fù)：支持系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的定期自動(dòng)備份。
3.總結(jié)與展望
總之，遠(yuǎn)程行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀作為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀的補(bǔ)充，利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，可以將分散且移動(dòng)的汽車(chē)有效管理起來(lái)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷、行車(chē)軌跡定位等功能。隨著我國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)基本建設(shè)完成，打破了無(wú)線帶寬瓶頸的限制，使網(wǎng)絡(luò)帶寬得到較大提升，基于3G網(wǎng)絡(luò)將使得遠(yuǎn)程行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)傳輸速度、測(cè)控命令響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)用戶體驗(yàn)將得到明顯的改善。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：遠(yuǎn)程行車(chē)數(shù)據(jù)記錄儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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