智能车载系统的设计与研究

白婷婷

（山西大学，山西太原，030013）

智能车载系统的设计与研究

白婷婷

（山西大学，山西太原，030013）

随着人们生活水平的提高，汽车成为了很多家庭的代步工具，而汽车的安全性、便利性也成为人们衡量当代汽车档次的重要标准。伴随着电子技术、传感技术、网络技术的发展，汽车智能化也是大势所趋。现在的车载系统也越来越完善，可以实现导航、防盗等功能。本文以嵌入式系统为基础，结合了GPRS通信技术、百度开放云平台等构建了一个车载智能管理平台。

GPRS通信；OBD；百度开放云

0 引言

目前主流车载系统大部分采用嵌入式技术，具有较强的实时性、良好的交互性等特点，用户还可以根据需要定制不同的车载系统以满足自身的需求，例如：进阶的导航系统可以及时推送路面信息，人们在出发前，就可以掌握相关的道路信息，同时云端会推送最佳路线，避开拥堵路段；高阶的自动驾驶系统可以自动识别道路标线标志符，自动判断周围环境，在有人监护的前提下实现跟车巡航，自动变道等基本功能。在众多需求中，人们对车辆的行驶信息、道路信息预警提示功能尤为在意。本设计中的智能车载系统结合了网络技术以及传感技术，很好的满足了以上两个需求，使用户可以更全面的了解车辆信息以及路况信息。

1 系统概述

本设计中车载智能系统是众多技术的结合，涉及到不同领域，主要包括网络技术，大数据分析，自动控制，车载电子系统等相关技术，车主可以摆脱空间的限制，随时了解行车环境信息以及车辆的状态参数，构建出了一种便捷、安全、舒适的用车环境。

图1 智能车载系统框图

从逻辑上划分，本设计由两个子系统构成：用户网络访问端和控制采集终端构成，系统框图如图1所示。网络访问端包含百度开放云平台和Android终端应用软件两个部分，Android手机用户可以通过GPRS网络访问百度开放云的数据信息，百度开放云可以通过APP推送消息给手机用户。控制采集终端由采集单元、ARM控制单元、车载终端、GPRS模块组成。控制采集终端实现的功能是采集车辆以及路面信息数据，经过ARM控制板分析处理后部分信息在车载终端显示，部分信息通过GPRS模块传送到百度开放云。

2 系统功能

本设计中智能车载系统实现的功能如下：

功能一：路面拥堵信息的实时共享

Car A在行驶到拥堵路段时，车辆行驶速度会明显下降，ARM处理器会从车辆的OBD接口读取到速度信息，同时GPS接收器也会标记出行车缓慢路段的地理坐标信息，并将这一坐标信息传输到ARM处理器，经过分许处理后数据信息通过GPRS网络上传至百度开放云。在同一时间段，同一路段，有众多和Car A行车环境相同的车辆，如果它们也安装了本系统，也会将自身采集到的信息上传到云端。在云端，众多车辆上传的路面信息在此汇总，通过大数据分析，综合判断拥堵路段的详细地理位置以及拥堵程度。Android手机用户通过GPRS网络提前访问该路面情况，合理规划路线。

功能二 车辆诊断

车载智能终端可以通过OBD读取到汽车的胎压，油耗，空调温度，车窗状态等信息。这些数据将被汇总到云端进行用户驾驶习惯的数据分析，车辆健康状态的跟踪，为用户提供定制的保养方案，驾驶习惯的改进建议等。

功能三，天气的侦测与预警

车载智能系统可以读取到雨量传感器采集到的数据，并通过GPS接收器标记地理坐标，数据汇总到云端，经过综合分析，推送到可能经过此路段的后方车辆。在高速公路上，道路天气预警功能尤其重要。

功能四，智能交通灯

此功能是利用无线的方式将交通信号灯数据和车辆运营数据来进行交换。通过服务器由TTS交通技术服务运行，将信息送至汽车，这对于经常闯红灯来说是个天大的好消息，驾驶员可以在车内的车载系统终端读取红绿灯切换的倒数时间。当信号灯为红灯时，仪表板上的数字会提醒驾驶员刹车。除此之外，导航系统负责监控红绿灯计时，将司机导向更快捷的路线。并且，导航系统也会建议加速和遇到绿灯时的行驶速度，减少停车和重启汽车的次数。

3 硬件总体设计

本设计中以S3C2440作为为整个系统的MCU，是整个车载系统的中心控制部分，其主要功能是负责与车辆路面信息采集系统模块、GPRS 通信模块等进行通讯，并将车辆路面信息采集系统采集的数据进行处理传送到百度开放云平台存储。系统的硬件框图如图2所示，主要分为四个部分：车辆与路面信息采集系统、车载智能控制器、智能车载系统终端设备、用户访问端。

车辆与路面信息采集系统部分：包括雨雪天气测试模块、OBD系统参数采集模块及其接口电路、GPS定位模块三个部分，分别通过RS232、USB以及RS232总线与车载智能控制器通信。

车载智能控制器部分：包括三星公司的型号为S3C2440的ARM 处理器以及其外围电路、GPRS 通讯模块及其接口电路。

车载系统终端设备：OBD系统采集的车辆信息，例如油耗、胎压、发动机状况可以在车载系统终端的LCD显示屏上显示。

用户访问端：用户可以通过访问百度开放云平台，以获取最新的路面信息；当汽车有失窃的可能性以及工作状态不正常的情况时，百度开放云可以通过APP推送给用户手机。

4 硬件各模块设计

4.1 车辆路面信息采集系统

4.1.1 雨雪传感器。雨雪传感器是利用雨水的导电特性，采用先进检测电路，检测是否有雨雪的仪器，具有反应灵敏、测量精度高等特点。其采用表面栅形电极感应外界雨雪情况，当外界为雨雪天气时，导电特性会发生改变，测量值传送给内部的智能微处理器。此外，雨雪传感器内置自动加热装置可排除雨雪附着的干扰，保障系统的正常运行。

4.1.2 GPS收发器。GPS（global positioning system）是美国于20世纪70年代开始研制的新一代全球卫星定位系统。因为本系统中对位置的精度要求比较高，因此在选取GPS接收器时，要选取能够处理所有可见的GPS卫星，高性能的全视野（all in view）卫星跟踪接收器，这样得到的导航数据可以不受监控的卫星数较少时所产生的位置跳跃的影响，定位精度高。

4.1.3 OBD（On-Board Diagnostic）全称为车载诊断系统，其主要作用是随时监控发动机的运行状况和尾气后处理系统的工作状态，其包含的相关数据如下：引擎每分钟转速（RPM）、冷却液温度、燃料系统状态、车速、短期燃料情况等其他数据。本设计中从OBD系统读取数据送至处理器进行分析计算。OBD接口为一个标准的16针诊断接口，不能与MCU连接，需要经过一个接口转换模块转换为USB接口与S3C2440处理器通信。

4.2 车载智能控制器

针对系统需要完成的设计任务和方案，考虑经济效益、稳定性等因素选用以下硬件：

(1)MCU采用S3C2440开发板，用于主控模块的开发。

(2)S3C2440的外围电路模块：包括电源管理、以及SDRAM、Flash 等数据及程序存储设备。

(3)GPRS通信模块及其外围电路：GPRS模块用于百度开放云平台与S3C2440之间的通信。本系统选用的是MC55 GPRS无线通信模块，其外围电路设计主要完成了MC55模块的供电，数据传送、模块启动和关闭及工作模式指示等部分的电路设计。

4.2.1 S3C2440及外围电路。主控制板的CPU采用S3C2440处理器，它是基于Samsung ARM9嵌入式处理器，采用了流行的32位ARM体系结构，能够实现MMU,AMBA BUS和Hardvard高速缓冲体系结构。

S3C2440有着丰富的外部资源，除了电源、时钟源、复位电路等必要配置外，具有2M Bytes Flash、8M Bytes SDRAM ，作为为系统数据、程序和操作系统内核的存储和运行提供存储空间，此外还具有USB接口等。

图2 系统硬件框图

4.2.2 GPRS通信模块。MC55是推出的新一代无线通信GPRS 模块，具有50个引脚作为应用接口，这些接口包括：电源接口、串行接口、音频接口、SIM卡接口、控制信号接口等部分，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。MC55模块内置TCP／IP协议栈，由指令控制很容易得接入网络。并且MC55集射频和基带电路于一体，支持 GSM 07．05 和 GSM 07．07所定义的AT 命令集的指令，因此可以直接使用AT命令实现 GPRS 数据业务。其工作原理为：前端的采集站S3C2440微处理器通过AT指令对GPRS Modem进行拨号，反馈应答后形成GPRS信道。GPRS终端由控制模块、TCP/IP模块和无线发送模块实现，其结构框图如图3所示。

控制模块通过AT指令初始化GPRS无线模块，获得IP地址后附着在GPRS网络上，与百度开放云之间建立连接；S3C2440通过串口RS232经过控制模块向TCP/IP模块收发数据，进过GPRS无线模块向百度开放云收发数据或指令。

4.3 车载系统终端设备

图3 GPRS无线网络终端结构图

S3C2440具有LCD 接口，带有LCD显示屏，可以将此屏作为车载系统终端显示部分。OBD系统采集的部分车辆信息（例如油耗、胎压、发动机状况）经过S3C2440处理后可以直接在其LCD屏幕上显示。

4.4 百度开放云平台

百度开放云平台百度公司推出的面向开发者的应用平台，在本文中为了实现Android手机用户通过GPRS网络访问连接，同时存储以ARM为核心的车载智能控制器采集的车辆、路面信息数据。S3C2440通过GPRS模块与百度开放云平台通信，传送车辆、路面信息数据到百度服务平台的数据库中。在百度开放云平台中，应用百度应用引擎部署用户访问的 Web 服务器和信息存储的数据库， 应用百度服务平台的云推送功能实现 Android 移动终端消息推送服务，在云服务端与客户端之间建立稳定、可靠的长连接来提供实时推送消息的服务。百度云推送目前支持通知、透传消息及富媒体三种消息的推送；支持自定义功能，更可能地满足开发者的需求。

[1]王艺.基于GPRS的嵌入式智能家庭控制器设计[D].南京航空航天大学，2007

[2]沈连丰，宋铁成等编著．嵌入式系统及其开发应用[M]．电子工业出版社，2005

[3]刘淼.嵌入式系统接口设计与linux驱动程序开发[M]．北京航空航天出版社，2006

2.3 变压器参数辨识试验验证

选取三相双绕组解法饱和变压器模型，对EMTP仿真技术进行利用，将变压器参数设置为：的额定电压，的原、副边侧绕组电阻漏电感参数。每周波进行400点的采样，在进行参数辨识时利用递推最小二乘算法。图一为变压器绕组漏感参数辨识曲线，参数辨识结果如图一。

进行漏感参数辨识中利用递推最小二乘算法，可以在实际真值附近收敛近200个数据点，使辨识结果的误差在1%之内。由于参数的估计值在数据点收敛工作结束后会趋于稳定，不会存在震动情况的发生，对算法可靠性的提高具有保护作用。

结论：由仿真试验结果可知，基于等值回路平衡方程的变压器保护原理基本是正确的，保护原理的动作速度比常规的差动原理要快很多，具备一定的可行性。本文从基于等值回路平衡方程的变压器保护原理分析、变压器漏感参数辨识和验证两方面进行探讨，对变压器绕组漏电感参数进行在线辨识的递推最小二乘法的算法，在变压器绕组匝间短路的保护动作的灵敏性可以得到有效提高。基于等值回路平衡方程的变压器保护原理的提出，证明了变压器保护在没有励磁涌流的影响下，能够对变压器内部出现的故障进行快速可靠的判断。

参考文献

[1]郝治国,张保会,褚云龙,段建东,李朋,张前锋.基于等值回路平衡方程的变压器保护原理[J].中国电机工程学报,2006,10:67-72.

[2]邓祥力,王传启,张哲.基于回路平衡方程和励磁电感的特高压变压器保护[J].中国电机工程学报,2012,01:147-153+6.

[3]王媛,焦彦军,金晶,马叶芝.基于等值回路方程的变压器保护判据的研究[J].电力科学与工程,2012,06:26-32+38.

[4]穆志军,张志强,魏燕,栗君,袁桂华,张瑞芳.对多种新型变压器保护原理的研究[J].电气应用,2009,04:30-33+46.

Design and research of intelligent vehicle system

Bai Tingting
（Shanxi University,Taiyuan Shanxi,030013)

With the improvement of people's living standards,the automobile has become the tool of ride instead of walk of a lot of families,and vehicle safety,convenience has become people measure the important standard of contemporary automotive grade.Along with the development of electronic technology,sensor technology,network technology,automotive intelligence is the trend.Now the vehicle system is also more and more perfect,can achieve navigation,anti-theft and other functions.In this paper,based on embedded system,combined with GPRS communication technology,Baidu open cloud platform to build a vehicle intelligent management platform.

GPRS communication；OBD；Baidu open cloud