基于物联网的汽车智能管理系统的开发与设计

纪文煜

(无锡南洋职业技术学院汽车工程与管理学院 江苏省无锡市 214081）

1 引言

在当前物联网技术快速发展的背景下，物联网行业需求以及用户体验急需升级、完善，从挑选典型产品进一步实现智能化过渡到小型本地系统，整体智能化到最后实现不同场景下物品的无缝连接，即物物连接。作为传统物联网的重要领域，即汽车行业和智能技术这两个领域发展相对完善，尤其智能交通工具不仅是简单代步，人们更倾向于地域跨越平台，使用各种交通工具以达到目的地，在快速移动时能够感知不同信息处理。当前，移动交通占据人们大量的时间，也是人们日常生活的重要构成，人们生活已不再局限于办公室，家庭等小区范围内，通过交通工具可实现跨省份、跨国界的节奏成为常态，更多人希望通过将固定的家庭生活以及移动交通工具融合，随时随地通过移动客户端来查看汽车运行信息，并进行信息处理，实现远距离问题解决。本研究提出新型的智能汽车管理系统，其能够满足人们对智能出行的需求，同时，借助物联网用于不同场景需要是符合未来发展趋势的，同时对于云服务器所储存的信息进行挖掘分析，利于政府和有关部门的决策制定，能够为企业带来良好的经济效益，促使智能产品汽车销售，维修，尤其是运营商流量管理等市场提升。

2 系统总体架构

2.1 物联网架构

在我们日常生活中物联网技术发挥着重要作用，在智慧交通，智能家居，安全防控等方面获得广泛应用。物联网从一定程度上来看是指借助传感器设备，全球定位系统，激光扫描器等多种传感器，其通过互联网遵循一定的标准通信协议，以实现物与人，物与物之间的信息交互，更好地实现对物体的监测，识别，控制。早期是在1988年由美国麻省理工学院提首次提出物联网概念，之后衍生了物联网构象。美国AUTO-ID 阐明物联网是基于信息编码，射频识别，物联网技术上对事物的智能化控制。物联网的框架是由以下几个层次构成的，其中感知层主要用于感知被测物理量和信息采集，网络层主要包括延伸专用、电信网，完成信息的交互和传输，应用层主要用于程序代码的存放与完成，信息处理以及解析，更好的实现对系统的远程智能化管理，满足用户的使用需求。

2.2 Zigbee以及5G无线通信网络

Zigbee 无线通讯网络是一种短距离无线通信技术，是于新工业时代开展的，随数字通信技术发展，Zigbee 与Wi-Fi 逐渐进入人们的日常生活中。无线电波是信息传输的主要媒介，也被认为是短距离通信的介质，其具有相对稳定的传输信号。目前Zigbee 无线通讯网络能够支持65535 个节点，在其网络覆盖条件下节点之间可实现通信互联。在汽车系统应用过程中为延长通信距离，需要在cc2530无线通讯模块中进一步强化功率放大芯片，延长节点通信距离，使其达到1km 以满足汽车通信需求。Zigbee 是基于IEEE802.15.4 标准面向信息化以及远程智能控制工作，在2.4GHZ 频段的技术，是实现自组网近距离无线通信协议，具有良好性能，功率低，数据稳定传输等特点，也是目前短距离通信的重要设备。在设计的过程中，可将cc2530 将其作为Zigbee 无线通信芯片，随Zigbee 技术以及通信协议规范的发展，该通信方式成为了智能汽车的发展趋势。5G是基于GSM 网络前提下搭建的远距离通信网络，具有流量耗费低，覆盖范围广，信息传输稳定等特点，能够借助TCP/IP 通讯协议，花费较短时间响应，并且能够实现永久在线，将多种网络传输技术实现数据融合，在远距离通信过程中可利用全国范围内的GSM 网络，实现信号稳定传输，因此5G 无线通信也被称为是远距离通信的重要方式。

2.3 系统总体设计

从整体上来看，汽车管理系统在设计时是以物联网作为背景研发的，能够将车联网和汽车实体进行融合，这也是一种新型创新模式，且能够在低成本和简单技术应用上来实现。因此在系统总体框架设计过程中，应当使用低成本，易实现的方式来实现系统设计，进一步达到对汽车状态的实时管理，如图1 所示为智能系列管理系统总体架构模式以及模块之间的通信协议。

图1

上述两个子系统可分为三层架构体系，在传感器中采集数据，应用技术不同。在家庭子系统中能够借助Zigbee 技术实现数据收集，在车系统中为能够节省传感器成本，可采用ODB 协议可进一步解析ECU 的数据信息，网络层采用低成本数据传输方式，Zigbee网关能够通过5G 或Wi-Fi 接入家庭路由器，这种情况下，完成Zigbee 协议可转为TCP/IP 协议，进一步通过互联网将数据传送到云服务器中，用户可实现掌上汽车状态信息获取。在汽车上可通过OBD 自带的LTE 上传同一云服务器，以实现系统融合。在应用层中仅能够通过安卓移动客户端，使用户通过账号密码的登录，进而实现汽车实时相关信息同步处理。在本系统设计过程中，主要针对传感层和网络层进行设计，网络层可借助现有家庭路由宽带以及移动流量数据传输，使其达到同一云服务器中，具体模块如下：

（1）调感器，采用FB250X RF 传感器，其可借助cc2530 芯片并采用一系列的传感器，包括水浸、可燃气体。人体红外、光照等传感器。紧急求助按钮，高清视频监控。

（2）协调器，也就是智能网关，是借助GD32F107 以及cc2530 芯片集成化设计的传感器，通过cc2530 芯片能够将数据传送到zigbee 无线网络中，而将cc2530 芯片所接受的数据传送给GD32F107 芯片，进一步将整个协调器连接于路由并上传到互联网中，其能够完成由zigbee 协议转换TCP/IP 协议的过程。

（3）汽车OBD 模块，其能够用于汽车ECU 数据核心模块解析，OBD 模块中可插入16 针区OBD 接口，ECU 能够将整合汽车各种形成数据，将其接入到CAN 总线并将数据传送给MCU 实现数据解析处理，最终可通过SIM 模块借助LET 移动流量将数据传送给云端，以完成数据信息采集。

（4）安卓终端能够基于Java 语言进一步提取云服务器中的汽车数据，可实现人性化界面设计，包括汽车数据分析，家庭以及家车互联这四个模块。

3 系统硬件设计

（1）汽车系统硬件设计。比如主控模块其常采用STM32F107芯片，但通常GD32F107 系列的芯片具有较多性能优势，包括丰富的产品和封装，能够制成高主频、flash 集成，更多ADC 点。主控模块是GD 网关设计的重点，能够实现汽车无线传感器网络与互联网互联通信，进一步实现数据传输，能够做到Zigbee 协议以及TCP/IP 协议的无缝转换，将数据快速传输到以太网中，在整个过程中确保数据传输的高效性，稳定性，可靠性，同时利用GD32F107芯片将其作为处理器，ARM CM3 内核的频率最高可达到72M 赫兹，其拥有60 和100 针两种管脚配置，含有多种封装方式，能够支持SWD 以及JTAG 调试接口，拥有十个定时计数器和14 个通信接口。在网络模块设计中，采用由美国SMSC 公司所生产的LAN8720A，以太网协议芯片，该芯片能够集成以太网phy，Mac 层以及TCP/IP协议栈，其具有低功耗和低能量探测功能的待机模式，其广泛应用于商业和工业领域中，整个网络模块的电路由四个部分构成。在供电模块设计中，要求电源模块能够同时提供给以太网模块，Zigbee射频模块以及GD32F107 主控模块。在指示灯电路设计过程中，网关中含有不同类型的指示灯，在运行过程中可通过指示灯来查看网关的运行情况，包括Wi-Fi 指示灯，正常运行指示灯，Zigbee 数据指示灯以及网络连接指示灯。

（2）传感器子系统，在汽车无线网络子系统中传感器子系统是最底层的数据收集系统，在硬件设计时采用Zigbee 模块，串口连接不同类型的传感器，能够将所采集的数据传送给GD 网关中。传感器是由三个节点部分构成的，包括传感器模块，底板供电模块以及Zigbee 射频模块，其中传感器的节点所使用的Zigbee 模块其是于GD 网关的Zigbee 模块设计方式基本一致的，但唯一不同的是增加了传感器模块，其可在汽车任意部位放置传感器节点。在设计传感器节点电源供电时，可以选择直流电源供电或电池模式，由于传感器网络属于低功耗设备节点，在未启动时可进入休眠状态，在使用电池时可提供较长时间运行。传感器模块可以满足汽车需要检查的任何信息，包括温度，湿度，气体排放量等，传感器的底板能够集成按键，传感器接口，电位器，电源接口，JTAG 接口以及时钟模块，外扩存储存模块等。在硬件设计过程中可以将GD32F107芯片作为网关，控制单元主芯片主要用于以太网协议LAN8720A转换芯片的控制，传感网络终端节点能够将所采集信息通过网关Zigbee 射频协调模块收集之后，进一步通过串行接口将其传送给CPU，而CPU 可通过地址数据总线控制器写入到以太网芯片，以太网的芯片接收数据之后，能够将原有GD 数据打包为以太网协议包，通过网络连接传送给互联网，同时从互联网打包到并传送给主控GD32F107，主控模块可执行一次读数操作，并将所读信息通过Zigbee 射频模块传送给Zigbee 业网络子节点以实现Zigbee 网络与互联网络的数据传输。在这一过程中，网关协议能够实现Zigbee数据报文以及以太网报文的双线转换。比如，当Zigbee 一端能够接收发往以太网端Zigbee 数据包时，此时网关路由表控制层进入到ARP 解析，确定并转发给以太网网络地址，进一步生成TCP/IP数据包，经过TCP/IP 物理层能够将其包装到以太网中，进而实现由Zigbee 一端向以太网端的数据有效传输。

（3）OBD 子系统，从该系统的运行原理上来看是通过安卓客户端通过信息交互，从汽车获取数据进一步完成数据无线传输分析处理的，相关功能如下所示为OBD 系统的整体设计方案。

该系统采用集成封装ELM327，包括复位电路，供电电路，晶振电路，蓝牙模块，I/O 模块，CAN 通信模块以及OBD 接口电路等。其中ELM327 是RS232 端口和车载诊断的重要通信桥梁，能够通过AT 指令进一步完成其与汽车之间的数据转换。以实现对汽车运行情况的故障简测解析，确保乘车人员的安全性。在本系统中OBD 的硬件采用双层板的结构设计模式，能够直接集成OBD 接口电路，底面可选择ELM327 芯片进一步对汽车区OBD 数据的实时解析，将配置基于STM32F107 高速CAN 数据感知硬件，顶层可接有SIM 卡，通过移动网络即5G 进行数据上传。如图2 所示。

4 系统的软件设计

从APP 的应用程序开发上来看，对于路途信息板块的功能实现其采用高德地图SDK 基础地图，导航，定位这三个模块。基础地图在实验过程中可通过map view 控件进一步显示，，而在activity 的oncreat 函数实现初始化map view 设置地图参数。如图3所示为路途导航的关键实现代码。

完成定位之后可设置Latlonpont 对象经纬度，并进一步调用函数更新目前的位置信息以及地图界面显示情况，切换地图模式时需要调用amap 中setmaptyp 方法，共有四种地图模式，包括卫星，矢量，夜景和导航地图。搜索位置时，当用户输入信息之后可调用Poisearc 中的query 方法进行位置信息查询，点击选择地点将其设为目的地，则能够调用方法路径并调用高德地图进行汽车行驶导航。整个APP 采用上下结构设计模式，其中上部分包括位置信息和天气信息，而下部分包括不同模块的信息，其能够采用线性布局的模式，属于纵向布局方向。其中天气和位置信息采用线性布局，水平布局能够保持整个界面布局的简洁性，通过includ 标签进一步引入模块代码。GD 采用高的定位SDK，能够在home activity 初始化时初始化对象并调用函数设置监听器，进一步获得汽车的定位结果，如果定位准确则能够返回定位对象获取目前城市信息，根据城市是信息进一步调取当前天气，成功获取天气气后则会调用接口方法，设置天气并将其显示到界面中，进而能够完成天气和定位信息获取，需要注意的是，在位置信息获取是需要对权限进行处理。针对GD网关子程序来说该程序可实现双向数据传输，系统能够接受由用户从云端所发来的数据并完成数据解析处理，之后可将所解析的指令通过串口进一步发送给协调器，由协调器将数据通过zigbee 网络发送给设备。最后由该设备执行对应的动作，该设备能够将报警记录通过zigbee 网络传送给协调器，协调器所采集的数据通过串口发送给GD32F107 系统解析数据之后，并且将解析的数据发送到云端，通过云端将数据发送给用户，进一步实现数据采集上传。

图2

图3

5 系统测试

汽车子系统采用OBD 模拟器以实现车辆CAN 总线协议模拟，该模拟器能够实现不同功能，通过实时LCD 显示各种参数，该系统具有六个模拟按钮，能够分别对汽车的六个重要数据进行有效调节，其中氧传感器值为0-1V，发动机转速为600-7000rpm，进气管绝对压力为20Kpa-101Kpa，汽车行驶速度为0-260Km/h，发动机冷却液温度为-40-120℃，空气流量为0-30g/s。针对单独DTC 开关能够控制模拟并生成DTC 错误码，能够用于支持多种协议。汽车子系统的无线传感器网络是由地理坐标，汽车行驶速度，水箱温度，故障码，里程数，油耗数构成的，该系统具有实时跟踪并反馈汽车运行情况的能力，利于车主及时进行汽车维修保养，可显著提升行车的安全性，能够使人们出行更加安全，通过对各种类型传感器的功能测试，其符合设计需求并且各项功能能够实现正常运行。

6 结语

本研究中基于对Zigbee 技术，安卓系统理论研究开展实验，设计符合实际应用的智能汽车管理系统，实现汽车信息实时管理。阐述了整个智能汽车管理系统所需要的关键理论技术即Zigbee 技术，该技术是家庭无线传感网络的重要支持，设计智能汽车管理系统，研究z-stck 协议栈，通过移植协议栈的方式将其转移到cc2530 芯片，进一步实现Zigbee 模块，无线数据通信，并且使用GD32F107嵌入主控芯片，可设计Zigbee 协议和TCP/IP 协议的无缝转换，利用C 语言编程以实现芯片外围设备驱动，同时可利用OBD 模块连接汽车CAN 总线，可解析ECU 汽车数据。本研究通过对基于物联网的汽车智能管理系统进行反复测试，该系统能够实现对汽车数据的远程监控，具有易于移植和良好的通用性，能够在安卓操作平台中使用，表明该系统具有较高的市场应用价值。