柴油车排气后处理系统远程监控技术研究*

姚广涛，伍 恒，郭子荣，资新运

(军事交通学院汽车工程系，天津 300161)

前言

在排放标准日益严格的今天，排气后处理系统在柴油车上得到了广泛的应用，同时也成为柴油车故障诊断(on-board diagnostics，OBD)的重点内容。庞大的应用规模和全面的运行监控成为一对矛盾，集成的监控管理平台成为柴油车排气后处理系统研究和应用的关键，远距离无线通信技术为这一平台的建立提供了技术基础。本文中结合军事交通学院研究开发的柴油车排气微粒捕集系统，基于GPRS(general packet radio service)无线通信技术、单片机技术、网络传输技术、数据库技术和软件设计技术，对柴油车排气后处理系统远程监控技术进行了探索，为柴油车排气后处理系统的研究提供了数据交互和管理平台。

1 系统总体方案设计

柴油机排气后处理远程监控系统主要由车载无线模块、通信网络、服务器数据库、数据服务网络和监控终端组成，如图1所示。

排气后处理系统的电控单元(electronic control unit，ECU)采集系统运行过程中的温度、压力、流量和开关量等数据，并将采集到的数据、GPS(global positioning system)数据、相关的控制参数和故障信息封装为数据帧发送到CAN(controller area network)网络上;车载GPRS模块通过CAN网络与排气后处理系统的ECU相连，接收来自CAN网络的信息，经过处理后转发到GPRS网络;数据服务器通过Internet获得车载GPRS终端发出的信息，还原成排气后处理系统ECU采集到的原始数据后存入数据库;监控终端通过连接服务网络获得对数据服务器数据库的操作接口，调用和显示排气后处理系统运行参数，对运行过程实施监控和管理。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要完成车载无线模块的设计。根据功能需求，车载无线模块主要包括MCU模块、通信接口模块、存储卡接口模块、GPS接口模块和GPRS通信模块，如图2所示。

2.1 MCU模块

MCU模块即单片机系统，设计采用Freescale的MC9S12DG128芯片，该芯片具有内部16位数据通道，外部总线可按照8位数据窄总线模式操作，允许和8位数据总线的存储器连接，且接口丰富，支持CAN口和串口输入输出。

2.2 存储卡接口模块

存储卡模块是为避免网络不稳定造成数据丢失而设计的，MCU从CAN网络获取的数据放入缓冲存储后，会同时发送到存储卡和GPRS模块。存储卡工作在SPI模式。由于SPI是单片机硬件连接普遍采用的模式，占用的I/O资源较少，且对存储卡的存取速度要求也不高，所以选用SPI模式。经过大量的试验观察，存储卡能准确完整地记录数据，在数据发送频率最高的情况下(100Hz)能正常工作［1］。

2.3 GPS接口模块

GPS模块采用MG2217S2芯片。该芯片由射频接收器、基带处理器、闪存和电源管理模块组成。它的定位精度可达2m;冷启动时间平均为34s。采用5V供电，输入输出逻辑电平为3.3V。经逻辑电平转换后通过SPI接口与MCU相连。

2.4 GPRS通信模块

GPRS通信模块采用华为EM310 GSM/GPRS模块。该模块除支持GSM标准AT指令外，还包含华为扩展AT指令。上行速率最大可达42.8kB/s。可通过UART接口同MCU连接。

2.5 抗干扰设计

车辆行驶过程中环境复杂多变，抗干扰设计显得尤为重要。在PCB设计过程中，注意抗干扰措施，包括:电源线与地线的设计和退耦电容的配置、走线与过孔等方法。为消除电源干扰，在电源输入电压转换模块前通过LC滤波消除交流干扰。各电源转换器后端均通过100μF和0.1μF电容并联接地消除纹波电压，保证系统供电稳定［2］。

3 系统软件设计

系统软件设计包括车载无线模块软件设计、通信协议设计、数据服务器软件与数据库设计和客户端GUI设计。具体流程如图3所示。

3.1 车载GPRS模块软件设计

软件运行流程如图4所示。

GPS接收数据选用规范抬头为$GPRMC的数据帧。检测到$符号时开始，检测到*符号时结束，利用校验来校验数据是否有效。CAN网络接收的数据共7帧，63个字节。每帧以CAN_ID开头。如果GPRS收到重发数据的请求，还须依据自定义的扩展UDP包头协议序号，在GPRS_FLASH中查找需要重发的数据。

3.2 通信协议设计

GPRS模块在传输层支持UDP和TCP两种协议。UDP提供简单的无连接的面向数据包的传输层服务;TCP提供可靠的面向连接的字节流传输层服务。综合考虑可靠性、实时性、节约性、经济性和复杂性等因素［3］，选用UDP协议进行传输。

鉴于UDP的不可靠性和无序性，设计采用扩展UDP协议如下:

(1)发送端和接收端确定一个传输缓存区，大小为65 536字节，以满足数据突发传输需要［4］;

(2)对每组数据包加一个包头，包头定义序列号，接收端对该序列号进行确认，如果序列号不连续，则请求重传;

(3)传输超时和分组丢失的处理机制，如果多数分组发生丢失现象，则认为网络阻塞，降低发送速率，如果发送速率降低到下限，则停止发送;

(4)接收端按照CAN_ID号对数据包数据重新排序。

3.3 数据服务器软件和数据库设计

数据服务器软件用C#编写，数据库采用SQL数据库。接收程序采用异步Socket的方法帧听端口并接收数据;解析程序按照定义的数据协议解析数据，并将解析后的数据存入数据库相应字段;数据修复程序按照固定算法遍历数据库，标记和修复错误数据记录，以便查错;Web服务程序集成对数据库数据调用和操作的接口，将其以WebService的形式发布到网络上，以便客户端访问。数据库实体关系图(entity relationship diagram，E-R图)如图5所示。

3.4 监控终端软件设计

监控终端软件使用微软的Visual Studio 2010编程工具，使用C#语言编写。主要实现以下功能:实时显示车辆信息(是否在线、行驶里程、油耗和运行状态等);实时监测和曲线显示后处理系统的运行状态参数，如进气流量、颗粒捕集器(DPF)前后的温度和各开关量的状态信息等;提供历史数据及其曲线的绘制;提供远程故障诊断功能，显示每辆车的故障信息和车辆位置，可用于环保部门的监控管理。

监控软件通过调用数据服务器发布的Web服务从数据库获取数据，使用ZedGraph控件显示实时和历史曲线，使用Google API服务显示车辆的位置信息。

4 系统试验

4.1 可靠性验证试验

对系统可靠性的验证是指验证经过发送接收过程后数据的完整性。在存储卡可靠性得到保证的前提下，可通过抽样不同车辆在不同时间的数据记录，计算数据传输率η:

式中:RNdataserver表示数据库中的记录数;RNmicrosd表示存储卡中的记录数。

以每小时的数据做连续抽样，抽取240组数据，计算得到数据传输率的抽样分布图，如图6所示。

由图6可以看出，数据丢失率基本保持在5%以下，数据传输可靠性符合要求。

4.2 功能验证试验

开发的远程监控系统已被应用在多台加装排气后处理系统的柴油车上，系统性能稳定。图7和图8是客户端GUI显示的对排放后处理系统进行远程监控的界面。

车辆位置信息界面可在地图上实时观察车辆的当前位置和历史行驶轨迹，如图7所示。

故障诊断监控界面实时更新车辆的故障信息，环保部门可据此跟踪每辆车的运行状态，短信通知车主车辆发生的故障，及时强制有问题的车辆采取维修措施。图8表示试验用车辆OBD信息［5］。

5 结论

本文中为柴油机排气后处理系统的研究和故障管理设计了远程监控平台。该平台可将柴油机排气后处理系统运行的过程参数、故障信息和加装后处理系统车辆的位置信息通过GPRS网络发送到数据服务器并可靠地将这些数据呈现在管理部门、专家或者用户面前，实现了后处理系统的远程监控、车辆的远程调度和故障的远程诊断。

该平台还可应用于军事运输车辆的调度、集装箱运输的监控与管理和空投物资的管理等。

［1］ 张旭．汽车远程诊断系统车载模块的研究与开发［J］．车用发动机，2011(2):14－17．

［2］ 清华大学电子学教研组．数字电子技术基础［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［3］ Comer Douglas E．Internet Working with TCP/IP Vol I:Principles，Protocols，and Architectures Fourth Edition［M］．Publishing House of Electronics Industry，1998．

［4］ 季宝杰．监控现场UDP协议的应用［J］．微计算机应用，2004(2):226，240．

［5］ 卜建国．基于OBD技术的轻型柴油车DPF系统诊断策略的研究［J］．汽车工程，2011，33(3):203－206．