基于Internet和3G的汽车远程诊断数据采集技术的研究*

颜伏伍，曹 恺，胡 杰，杨 辰

(武汉理工大学，现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070)

前言

汽车电控化程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，而电控化程度越高，汽车故障诊断越困难，有资料统计显示，当前故障诊断时间为70%左右，故障排除时间仅30%［1］。现代汽车电子控制单元都具备在线诊断系统(OBD)，它能实时监控汽车电子控制系统的工作情况和判别相关故障，并以故障码的形式记录［2］。但汽车电控技术发展迅速，能跟踪掌握的诊断专家匮乏，汽车服务商经常须要寻求厂商技术支持，导致诊断效率降低，维修成本增加。

Internet是全世界最大的互联网络，普通用户通过网络服务商可轻松接入，这为汽车诊断数据共享提供了方便途径［3］。而随着信息技术的发展，3G网络全IP化的不断推进，为克服地域障碍、实现汽车诊断数据共享、提供协同诊断服务的汽车远程故障诊断技术得到了广泛的关注和研究［4］。其中通用汽车公司和丰田汽车公司在这一领域已有成功的经验，而国内受网络基础和经济技术等条件限制起步较晚。通过建立基于Internet和3G的汽车远程诊断系统，着重研究实现汽车远程诊断的数据采集技术和方法，为汽车远程诊断技术的研究提供数据基础。

1 汽车远程诊断系统

汽车远程故障诊断技术是通过本地故障诊断设备读取汽车故障相关信息，以有线或无线方式传输至通信网络，由远程故障诊断服务中心管理汽车故障诊断数据共享，方便智能诊断系统和诊断专家在远端实时、高效地进行故障诊断，为远端客户提供诊断支持的技术［5］，它具备以下几点优势。

(1)采用多种网络组建企业级诊断监测系统，形成标准数据库，有利于数据的积累和资源共享。

(2)有利于进行协同诊断，实现企业和异地专家的联合会诊，提高诊断准确性和可靠性。

(3)具有良好的可扩展性，借助计算机技术和网络通信技术，汽车远程诊断系统可以灵活扩展。

(4)克服地域差异，满足对不断增强的诊断实时性和移动性的需求，减少专家出差次数，节约售后成本［6］。

(5)方便实施主动诊断，对车辆进行实时监控，预防汽车故障恶化，提供可靠的技术保障［7］。

(6)提供远程技术教学，提高售后人员技能水平，有效解决故障诊断技术的更新和掌握问题。

通过构建汽车远程诊断系统实现对相关技术进行深入研究，该系统包括汽车故障诊断通信装置、PC与手机诊断客户端和远程故障诊断服务中心等部分，如图1所示。

1.1 汽车故障诊断通信装置

ECU的大量使用和各种不同的通信协议得到广泛应用［8］，导致车载网络复杂化程度的增加。为解决不同协议间的数据转换，设计了通用型诊断协议转换装置。该装置以飞思卡尔公司的HCS12系列16位微处理器为主控单元，集成CAN通信控制器;使用车载诊断通信接口芯片MC33290进行K线电平转换;使用 CAN收发器芯片 PCA82C250实现CAN控制器到车载网络的电平转换和驱动，集成网络通信协议;而在上层应用方面，则通过USB、蓝牙和3G模块提供数据服务。

1.2 PC和手机诊断客户端

手持式汽车故障诊断仪受性能影响，系统运行慢，且无法提供智能诊断和指导，而PC和智能手机式诊断设备依赖强大的硬件配置能有效克服上述问题。在单机模式下，PC和手机诊断客户端能实现故障码、冻结帧和数据流的读取以及动作测试和帮助查询等功能。在联网模式下，通过远程诊断辅助等功能，对故障车辆进行远程诊断，并对本地技术人员进行指导，必要时比对ECU信息，远程刷新ECU程序，并归纳最终诊断结果，形成车辆病例，上传至服务器，以方便统计分析。

1.3 远程故障诊断服务中心

远程故障诊断服务中心由专家、数据库服务器、管理服务器和诊断服务器组成，主要负责管理汽车故障诊断网络，提供远程诊断数据的共享，实现远程故障智能诊断和专家协助等。远程服务中心信息系统还提供数据共享服务和智能诊断算法，能更有效地提高设备的稳定性和安全性，减少设备维修时间，降低维修成本［9］。

2 汽车远程诊断数据的采集

2.1 汽车诊断数据获取

汽车故障诊断通信装置负责汽车诊断原始数据的获取，实现诊断软件和车载网络之间的协议转换。以诊断数据流通信为例，其数据流采集流程如图2所示。

当汽车故障诊断通信装置收到上层应用服务请求后，首先确定工作模式，并确定车载网络协议类型;在K线网络下，先设置波特率、握手时间和报文头等，再转发读取命令，并对反馈数据进行简单计时和校验。在CAN总线网络下，为解决通信双方的同步问题，须采用流控制管理机制［10］，在首帧数据到达后计算数据长度，并激活N_Cr超时定时器，同时反馈流控制帧至ECU等待连续帧数据。若在N_Cr时间内，未接受到连续帧将进行超时处理;否则对接受到的连续帧进行计数，并根据接收方还可接收的连续帧数目确定是否再次发送流控制帧;在接受完成和校验通过后，对数据进行组合，并上传至上层应用。

2.2 Internet与3G网络的通信?

文献［11］中将汽车诊断技术与GPRS无线通信技术相结合，为新一代故障诊断技术提供了有效设计思路;但因受通信速率的影响，其发展受到限制。3G网络支持高速数据传输，而 WCDMA制式与GSM/GPRS保持很好的后向兼容性，具有成熟度好、覆盖范围广和安全性强等特点，已在全球范围内得到广泛应用。而且国际标准化组织3GPP针对WCDMA网络制定了利于其演进的规范，便于实现3G业务承载的全面IP分组化［12］。

华为MU509模块采用贴片式LGA封装，提供最高上行速率384kbps、下行速率3.6Mbps的分组数据业务，内嵌 TCP/IP协议，提供 UART与 USB接口，能够很好地实现Internet与3G网络互联。图3为诊断数据通信流程:在接收到远程服务指令后，交由主控单元处理;主控单元由图2所示流程获取诊断数据;对数据长度进行判断，确定是否分段发送，并将各段数据发送出去，直至传输完成。

2.3 远程传输机制

将汽车远程诊断数据分为4类:基础数据、状态数据、文件数据和远程协助数据，见表1。远程诊断数据具有传输数据量小、实时性要求一般但可靠性要求高的特点。在传输层协议的选择上，TCP协议提供面向连接的服务，相对于UDP协议，较能保证信息有序无误的传输，有效降低应用层的处理工作量，且通过一定的策略可使其实时性得到保证。因此选择TCP协议作为传输层协议。

表1 远程诊断数据分类

系统自定义了数据包结构，通过对数据长度的识别，使用缓存技术处理，保证数据显示的流畅性。在数据传输前，客户端与专家端进行协议和数据采集频率的协商，待专家端接受到数据后，再分包处理，并以协商频率显示出来，其数据传输机制如图4所示。作者在武汉构建汽车故障诊断中心，使用电信宽带接入Internet，分别与北京、上海、昆明、柳州和汕头等地联合测试远程协助诊断，单次时间共计10min，平均传输速率为30kb/s，使用流量18Mb，由此说明该机制能很好地适应当前的网络环境。

2.4 服务器的设计

汽车远程诊断系统架构在通信网络之上，由中心服务器和异地专家组成广域诊断系统，系统的实现主要考虑网络结构确立和服务器性能两方面。远程诊断网络有浏览器/服务器(B/S)和客户机/服务器(C/S)两种结构模式。C/S模式交互性强、安全性高，承载部分业务逻辑，有效降低服务器通信开销和业务负载。汽车远程诊断系统要求有很好的交互性和安全性，且须要承载具体的诊断业务以便单机使用，因此选择C/S模式进行系统开发。

服务器利用套接字实现通信，常用套接字模型有选择模型、异步选择模型、事件选择模型、重叠模型和完成端口模型等，其中完成端口模型有更好的伸缩性和更高的数据吞吐率，能满足服务器高性能的要求。服务器的配置为:CPU2.0GHz Xeon、内存4G;客户机的配置为2.1GHz Xeon、内存1G。在此测试环境下，模拟并发8 000个客户端进行诊断数据交互，各种模型性能见表2。完成端口模型在连接数和吞吐率上明显优于选择和异步选择模型，而在内存和CPU的使用上也比事件选择和重叠模型有较大优势，具备最佳的系统性能。

表2 服务器通信模型测试

3 试验测试

本文中以国内某汽车厂商全车系车辆为研究对象，设计了汽车故障诊断通信装置，内部实现K线、CAN总线、USB和蓝牙等协议数据的转换;使用SQL Server 2003搭建数据库，上位机采用C#作为编程语言，使用面向对象方法由各功能模块分层实现，成功构建了基于Internet和3G的汽车远程诊断系统。图5为PC和手机故障诊断实测截图。汽车故障诊断通信装置和标准诊断通信接口相连，通过USB与PC诊断客户端相连并进行联机诊断，使用蓝牙与手机诊断客户端相连，读取汽车诊断数据。

图6 为PC远程协助诊断截图，远程专家异地操纵客户端软件，查看故障车辆数据流。图7～图12为由汽车故障诊断通信装置通过3G网络传输至远程服务中心后，结合各自坐标再现的数据处理图(图中采样点间隔50ms)，能更加清晰地显示了车辆数据流变化情况。由试验数据分析可知，上述两种方法均有效实现了汽车远程故障诊断数据共享，数据采集频率高，能实时、准确地反映出当时车辆实际工作状况，为实现汽车远程诊断提供了有效的数据支持。

4 结论

结合计算机、通信和汽车故障诊断等技术，构建了基于Internet和3G的汽车远程诊断系统，结合网络传输特性，设计了各个阶段的传输策略，有效地实现了汽车远程诊断数据的采集。试验表明，汽车远程诊断数据采集实时性高、数据传输准确，为远程诊断专家提供了很好的数据支持，方便专家进行汽车远程诊断，可有效缩短售后服务时间，节约售后服务成本，提高汽车品牌形象。

［1］ Hu Jie，Yan Fuwu，Tian Jing，et al．Developing PC-Based Automobile Diagnostic System Based on OBD System［C］．Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference，2010．

［2］ 王建海，方茂东，高继东，等．汽油车车载诊断系统(OBD)基本原理及其应用［J］．汽车工程，2006，28(5):491 －494．

［3］ Ni Hong，Zhao Min，Sun Yitao，et al．An Internet-Based Remote Monitoring System for Automobile Testing System［J］．Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2002，19(2):213－217．

［4］ Tian Liyun，Qin Guihe，Zhang Jindong．Remote Diagnosis System of Vehicle Based on Telematics［C］．IEEE CMCE，2010．

［5］ Jonas Kuschel，Fredrik Ljungberg．Decentralized Remote Diagnostics:A Study of Diagnostics in the Marine Industry［C］．Proceeding of 18th Annual Conference of the British HCI Group，2004．

［6］ Lin Jyong，Chen ShihChang，Shih YuTsen，et al．A Study on Remote On-Line Diagnostic System for Vehicles by Integrating the Technology of OBD，GPS，and 3G［J］．World Academy of Science，Engineering and Technology，2009(56):435 －441．

［7］ Song You，Mark Krage，Laci Jalics．Overview of Remote Diagnosis and Maintenance for Automotive Systems［C］．SAE Paper 2005 －01－1428．

［8］ Suwatthikul J，McMurran R，Jonesa R P．In-Vehicle Network Level Fault Diagnostics Using Fuzzy Inference Systems［J］．Applied Soft Computing，2011，11(3):3709 －3719．

［9］ Wang Chengen，Xu Lida，Peng Wuliang．Conceptual Design of Remote Monitoring and Fault Diagnosis Systems［J］．Information Systems，2007(32):996 －1004．

［10］ 张宏，詹德凯，林长加．基于CAN总线的汽车故障诊断系统研究与设计［J］．汽车工程，2008，30(10):934 －937．

［11］ 王明玉，董浩，王建．基于GPRS的车载故障诊断网关的设计与实现［J］．汽车工程，2009，31(10):999 －1003．

［12］ 闻英友，陈书义，赵大哲，等．3GPP框架下的UMTS核心网安全体系研究［J］．计算机工程，2007，33(20):153 －155．