0 引言

    電動(dòng)汽車(chē)作為一種以清潔能源為動(dòng)力的汽車(chē)， 正處于產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期^[1]。實(shí)時(shí)、充分掌握電動(dòng)汽車(chē)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(guò)程中的重要環(huán)節(jié)， 這些數(shù)據(jù)為政府、汽車(chē)廠商以及用戶對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的評(píng)價(jià)與維護(hù)提供了重要依據(jù)。

    近年來(lái)，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)被大量研究。天津大學(xué)開(kāi)展了基于GPRS和Internet的電動(dòng)汽車(chē)示范運(yùn)行無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究，提出了示范運(yùn)行過(guò)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(duì)多輛電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模示范運(yùn)行過(guò)程中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中取得了良好的效果^[3，4]。

    本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(jì)。一方面提出了電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可行技術(shù)方案；另一方面，基于對(duì)車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)的分析處理，實(shí)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(dòng)汽車(chē)上的遠(yuǎn)程監(jiān)控車(chē)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(gè)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(chē)載終端實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的位置、速度、動(dòng)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(duì)車(chē)載終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控車(chē)載終端和客戶端對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，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(chē)載終端和客戶端之間均應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)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(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠性和高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，在汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用^[5]。通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)獲取電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行參數(shù)和故障信息，能保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。在電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用了CAN通信的方式采集車(chē)輛的運(yùn)行信息。

    現(xiàn)行的無(wú)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(chē)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(wú)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(chē)載終端設(shè)計(jì)

    車(chē)載終端需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集、發(fā)送和面向車(chē)輛的服務(wù)信息獲取。通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)和GPS模塊采集電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行信息上傳至服務(wù)器，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器獲取輔助駕駛信息，如車(chē)輛剩余里程、剩余電量等。另一方面，車(chē)載終端還需要實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)中心的設(shè)置功能。通過(guò)接收來(lái)自服務(wù)器的指令，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器對(duì)車(chē)載終端的控制，從而改變車(chē)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(chē)載終端的功能需求，設(shè)計(jì)出車(chē)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(shí)間和空間資源^[9]。SIM5320E通過(guò)天線與服務(wù)器進(jìn)行通信，通過(guò)GPS模塊獲取位置信息。CAN模塊用于讀取車(chē)輛狀態(tài)，F(xiàn)lash模塊用于存儲(chǔ)程序與數(shù)據(jù)。通過(guò)各模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車(chē)載終端的功能。

1.4 服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

    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(gè)系統(tǒng)中起到中轉(zhuǎn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的作用，服務(wù)器接收車(chē)載終端和客戶端軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)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(gè)功能模塊：存儲(chǔ)模塊、解碼模塊和數(shù)據(jù)接口模塊。

    存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3。其中存儲(chǔ)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(chǔ)于變量隊(duì)列中，存儲(chǔ)配置文件負(fù)責(zé)配置項(xiàng)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(shí)際物理量。數(shù)據(jù)接口模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口接收各種數(shù)據(jù)源包，通過(guò)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置。 

2 電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

    在系統(tǒng)已有架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，為用戶提供了電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、故障信息預(yù)警和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)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(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)顯示給用戶。但在本系統(tǒng)的車(chē)輛定位功能中，需要實(shí)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(mén)的商業(yè)軟件進(jìn)行交互，價(jià)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(shí)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(shí)現(xiàn)，地圖功能使用C/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)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(kāi)發(fā)采用了基于Eclipse RCP的架構(gòu)，底層使用JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[12]。RCP是基于Eclipse的插件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行機(jī)制，其提供的界面控件實(shí)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(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的管理功能、實(shí)時(shí)信息的查看功能、車(chē)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(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)

    電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集的車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)至服務(wù)器中。通過(guò)面向?qū)ο蠛湍Ｐ偷臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)，提取表征電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，可以獲取更多的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行信息。在本系統(tǒng)中，通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，并將該信息發(fā)送至車(chē)載終端，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)的遠(yuǎn)程服務(wù)。

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

    電池模型的特征參數(shù)與電池存儲(chǔ)電能正相關(guān)，而其他各模型的特征參數(shù)與車(chē)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(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程y通過(guò)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(dòng)汽車(chē)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(jì)當(dāng)前狀況下汽車(chē)的剩余續(xù)駛里程。

4 功能測(cè)試與試驗(yàn)

    為檢驗(yàn)系統(tǒng)功能，該遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)被安裝在長(zhǎng)城A0級(jí)小型城市純電動(dòng)轎車(chē)試驗(yàn)樣車(chē)上，分別對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行了測(cè)試。

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

    為測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際車(chē)速和系統(tǒng)采集車(chē)速信息進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。在60 min的采集時(shí)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(shí)刻，由于GPS信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，對(duì)單輛和多輛電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，延時(shí)時(shí)間隨測(cè)試時(shí)間變化規(guī)律如圖7。增加車(chē)輛數(shù)目并未使系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間增長(zhǎng)，系統(tǒng)延時(shí)時(shí)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(jì)了電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控與服務(wù)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)合理設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛運(yùn)行軌跡、運(yùn)行參數(shù)、故障信息的查詢與監(jiān)測(cè)。通過(guò)基于模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的遠(yuǎn)程服務(wù)。在測(cè)試過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和服務(wù)功能。

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