0 引言

    電動汽車作為一種以清潔能源為動力的汽車， 正處于產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期^[1]。實時、充分掌握電動汽車關(guān)鍵部件的運(yùn)行參數(shù)和故障狀態(tài)成為其示范運(yùn)行和推廣過程中的重要環(huán)節(jié)， 這些數(shù)據(jù)為政府、汽車廠商以及用戶對電動汽車的評價與維護(hù)提供了重要依據(jù)。

    近年來，針對電動汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)被大量研究。天津大學(xué)開展了基于GPRS和Internet的電動汽車示范運(yùn)行無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究，提出了示范運(yùn)行過程中遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一種解決方案^[2]。吉林大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)則針對多輛電動汽車規(guī)模示范運(yùn)行過程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，并在實際運(yùn)行過程中取得了良好的效果^[3，4]。

    本文對電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)闡述和優(yōu)化設(shè)計。一方面提出了電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行技術(shù)方案；另一方面，基于對車輛運(yùn)行參數(shù)的分析處理，實現(xiàn)了面向駕駛員的遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)由安裝在電動汽車上的遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端、運(yùn)行在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器以及運(yùn)行在個人PC上的遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端三部分組成。圖1表示了本系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

    遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端實現(xiàn)對電動汽車的位置、速度、動力系統(tǒng)狀態(tài)等信息的采集，并將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心對車載終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端和客戶端對服務(wù)器進(jìn)行訪問，為用戶和駕駛員提供信息查詢和顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端與數(shù)據(jù)中心之間、車載終端和客戶端之間均應(yīng)實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)功能并確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1.2 數(shù)據(jù)通信與傳輸

    為確保信息的快速獲取和高效傳輸，討論和制定了數(shù)據(jù)采集、傳輸使用的通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，最終確定采用基于CAN網(wǎng)絡(luò)和CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)采集機(jī)制，以及基于WCDMA網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

    CAN是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠性和高實時性的特點，在汽車通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用^[5]。通過CAN網(wǎng)絡(luò)獲取電動汽車的運(yùn)行參數(shù)和故障信息，能保障數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。在電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用了CAN通信的方式采集車輛的運(yùn)行信息。

    現(xiàn)行的無線通信網(wǎng)絡(luò)主要包括WiFi網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)。WiFi由于其傳輸距離短、覆蓋率不高，在車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中并不適用。3G網(wǎng)絡(luò)是新一代的蜂窩通信技術(shù)，其通信速率高于GPRS，且覆蓋率高，更適用于遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸^[6]。本系統(tǒng)采用3G網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。

1.3 車載終端設(shè)計

    車載終端需要實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和面向車輛的服務(wù)信息獲取。通過CAN網(wǎng)絡(luò)和GPS模塊采集電動汽車運(yùn)行信息上傳至服務(wù)器，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取輔助駕駛信息，如車輛剩余里程、剩余電量等。另一方面，車載終端還需要實現(xiàn)面向服務(wù)中心的設(shè)置功能。通過接收來自服務(wù)器的指令，實現(xiàn)了服務(wù)器對車載終端的控制，從而改變車載終端的運(yùn)行狀態(tài)，如改變數(shù)據(jù)上傳的速率、發(fā)出故障狀態(tài)提醒等。

    根據(jù)車載終端的功能需求，設(shè)計出車載終端基本架構(gòu)如圖2所示。在本系統(tǒng)中，選擇Infineon XC2000系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，該芯片具有高速處理性能以及豐富的硬件接口和軟件功能，成本較低，適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)^[7]。選擇SIMCOM SIM5320E作為系統(tǒng)通信芯片，該芯片嵌入有TCP/IP協(xié)議^[8]，節(jié)省了微處理器的時間和空間資源^[9]。SIM5320E通過天線與服務(wù)器進(jìn)行通信，通過GPS模塊獲取位置信息。CAN模塊用于讀取車輛狀態(tài)，F(xiàn)lash模塊用于存儲程序與數(shù)據(jù)。通過各模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，實現(xiàn)車載終端的功能。

1.4 服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計

    服務(wù)器的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)當(dāng)達(dá)到安全性、可靠性、可定制性、可拓展性、可維護(hù)性^[10]。選擇Linux+Apache+PHP+MySQL作為服務(wù)器系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。服務(wù)器在整個系統(tǒng)中起到中轉(zhuǎn)和存儲數(shù)據(jù)的作用，服務(wù)器接收車載終端和客戶端軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。服務(wù)器軟件應(yīng)該具備3個功能模塊：存儲模塊、解碼模塊和數(shù)據(jù)接口模塊。

    存儲模塊的設(shè)計架構(gòu)如圖3。其中存儲引擎負(fù)責(zé)調(diào)度程序中各模塊的運(yùn)行，變量信息采集器負(fù)責(zé)將服務(wù)器獲取的信息存儲于變量隊列中，存儲配置文件負(fù)責(zé)配置項目的工程信息。解碼模塊將數(shù)據(jù)包按照遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議解析成實際物理量。數(shù)據(jù)接口模塊通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口接收各種數(shù)據(jù)源包，通過組合、拆解的方式組成待解碼數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)接口采用配置文件導(dǎo)入系統(tǒng)的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。 

2 電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

    在系統(tǒng)已有架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，為用戶提供了電動汽車參數(shù)實時顯示、故障信息預(yù)警和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，實現(xiàn)了對電動汽車實時運(yùn)行情況的監(jiān)控。

    服務(wù)器和客戶端之間的架構(gòu)方式主要有B/S架構(gòu)和C/S架構(gòu)^[11]。本系統(tǒng)為典型的B/S架構(gòu)的系統(tǒng)，客戶端直接向服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)請求，并將數(shù)據(jù)顯示給用戶。但在本系統(tǒng)的車輛定位功能中，需要實現(xiàn)地圖信息系統(tǒng)。如果使用B/S結(jié)構(gòu)的地圖信息系統(tǒng)，用戶需要使用專門的商業(yè)軟件進(jìn)行交互，價格昂貴。隨著到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可以使用Google Maps、百度地圖等實現(xiàn)WebGIS，將系統(tǒng)成本大大降低。因而地理信息系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)。運(yùn)行參數(shù)顯示功能使用B/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，地圖功能使用C/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，整個系統(tǒng)為C/S、B/S的混合結(jié)構(gòu)。

    圖4所示為遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端定位界面。本系統(tǒng)客戶端軟件開發(fā)采用了基于Eclipse RCP的架構(gòu)，底層使用JAVA語言開發(fā)[12]。RCP是基于Eclipse的插件開發(fā)和運(yùn)行機(jī)制，其提供的界面控件實現(xiàn)了本監(jiān)控系統(tǒng)的界面應(yīng)用。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端實現(xiàn)了車輛的管理功能、實時信息的查看功能、車輛定位功能、軌跡回放功能、分析圖表功能、設(shè)置菜單功能、文件功能等。

3 電動汽車遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)

    電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)被存儲至服務(wù)器中。通過面向?qū)ο蠛湍Ｐ偷臄?shù)據(jù)存儲，提取表征電動汽車運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，可以獲取更多的電動汽車運(yùn)行信息。在本系統(tǒng)中，通過電動汽車的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前運(yùn)行狀況，提取出當(dāng)前電量下電動汽車的續(xù)駛里程，并將該信息發(fā)送至車載終端，實現(xiàn)了電動汽車的遠(yuǎn)程服務(wù)。

    位置模型存儲車輛所在位置的精度、緯度、海拔等信息，得到車輛路況的特征參數(shù)。電池模型存儲了電池的電壓、電流、容量、SOC等信息，得到車輛的剩余電量信息。電機(jī)模型存儲了電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信息，得到動力電機(jī)能量消耗的特征參數(shù)。車輛模型存儲了車速、踏板位置、附件（空調(diào)等）運(yùn)行狀況，得到車輛運(yùn)行狀況參數(shù)。

    電池模型的特征參數(shù)與電池存儲電能正相關(guān)，而其他各模型的特征參數(shù)與車輛單位里程能量消耗率負(fù)相關(guān)。以e₁，e₂…e_n表征各模型參數(shù)，電動汽車的續(xù)駛里程y通過式(1)線性擬合得出：

式中函數(shù)f為各特征參數(shù)與續(xù)駛里程之間的擬合函數(shù)。隨著電動汽車行駛里程的增加，數(shù)據(jù)樣本量增大，擬合函數(shù)的精確性得到提升，從而使遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)能夠估計當(dāng)前狀況下汽車的剩余續(xù)駛里程。

4 功能測試與試驗

    為檢驗系統(tǒng)功能，該遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)被安裝在長城A0級小型城市純電動轎車試驗樣車上，分別對該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性進(jìn)行了測試。

    用戶通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端界面獲取車輛的位置和各部件運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，如圖5所示。

    為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，對實際車速和系統(tǒng)采集車速信息進(jìn)行對比，如圖6所示。在60 min的采集時間內(nèi)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)保持一致，僅在10 min時刻，由于GPS信號較弱產(chǎn)生了數(shù)據(jù)偏差，數(shù)據(jù)偏差在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)準(zhǔn)確性滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需求。

    為測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性，對單輛和多輛電動汽車的數(shù)據(jù)傳輸時間進(jìn)行測試，延時時間隨測試時間變化規(guī)律如圖7。增加車輛數(shù)目并未使系統(tǒng)延時時間增長，系統(tǒng)延時時間小于2 s，符合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需求。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)了電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)傳輸。通過合理設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，實現(xiàn)了對車輛運(yùn)行軌跡、運(yùn)行參數(shù)、故障信息的查詢與監(jiān)測。通過基于模型的數(shù)據(jù)存儲與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車的遠(yuǎn)程服務(wù)。在測試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了電動汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控和服務(wù)功能。

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