新能源汽车ECU与手机APP数据传输的实现方法*

史添添，周琳凯，曾奕哲，张育华，曾洁，郭永伟

(1.大连交通大学，大连 116000； 2.大连理工大学； 3.镇江恒驰科技有限公司)



新能源汽车ECU与手机APP数据传输的实现方法*

史添添1，周琳凯1，曾奕哲2，张育华3，曾洁1，郭永伟1

(1.大连交通大学，大连 116000； 2.大连理工大学； 3.镇江恒驰科技有限公司)

本文通过移动手机APP与新能源汽车的ECU之间建立通信，以达到从手机中查看ECU采集到的汽车关键工况参数的目的。文中ECU的主控制芯片采用MC9S08DZ60，ECU通过串口WiFi模块并采用WiFi-Direct模式与手机建立通信，并设计实现了ECU向手机APP端的数据传输，极大地方便了用户通过手机实时监控自己的车辆。

新能源汽车；ECU；APP；WiFi-Direct；MC9S08DZ60；数据传输

引 言

在新能源汽车领域快速发展的同时，由于技术上的不成熟，其运行安全问题一直是大家关注的焦点。如果能够在新能源汽车运行过程中及时观测到车辆的关键部件数据及健康状况，就能避免部分车辆安全问题。为解决新能源汽车安全性能不稳定的问题，本文设计一套能够实时方便地监测车辆的关键数据及健康状况的监控系统是十分必要的。本文就是利用新能源汽车ECU的串口WiFi模块，通过WiFi-Direct模式与手机客户端建立连接，并将通过串口得到的ECU数据传输给手机APP，使人们能够在手机上时时监测车辆的关键数据及健康状况，以便在出现异常状况时采取快速有效的措施。

1 系统总体结构及工作过程

本系统由带有WiFi功能的ECU和带有车辆信息监控APP的移动终端两部分组成。其中ECU中主要包含MCU、模拟/数字信号输入电路、控制输出电路、WiFi通信模块；移动终端通常就是一部驾驶人员持有的安卓智能手机，新能源车辆信息监控APP运行在普通安卓智能手机上，用于实时查看车辆的关键参数以及部件健康状况，尤其是动力电池装置的状态监控。整个系统的构架如图1所示。

图1 系统总体结构

ECU通过车辆上的各种传感器获取所需数字/模拟信号，MCU根据采集到的车辆参数来决定对车辆的控制，同时这些参数也通过串口通信发送给ECU的WiFi模块，ECU的WiFi模块和手机通过WiFi-Direct模式建立连接后，ECU的WiFi模块会将这些参数通过TCP协议发送到手机端，APP收到数据后进行解析并将最终的数据显示在APP中实现人对车辆信息的实时监测。在APP中，对关键参数会设定一个正常状况的范围值，一旦ECU发送来的数据超出正常范围值，APP就会弹出报警对话框提示车辆使用者及时排查车辆可能发生的问题，以确保新能源车辆安全可靠地运行。

2 ECU通信硬件电路设计

2.1 ECU主控制单元的基本电路

图2 MC9S08DZ60型号MCU的最小系统

作为ECU的控制核心，微控制器的选择要考虑到各个方面。首先微控制器内部的端口资源要能够满足新能源汽车控制基本功能的要求；其次，微控制器要拥有良好的电磁兼容特性及快速的运算处理能力。

根据对控制器的功能需求，选用飞思卡尔公司的MC9S08DZ60微控制芯片作为ECU的主控制单元(MCU)。这款微控制器芯片通过汽车级认证，满足本系统中对硬件电路抗干扰性能的苛刻要求。MC9S08DZ60为64引脚LQFP封装的芯片，该芯片Flash程序存储器有60 KB，RAM存储器有4 KB。内部有2 KB的EEPROM存储器、24通道12位ADC转换器、两个PWM模块、两个模拟比较器、一个I2C、一个SPI、两个UART、一个CAN通信模块和53个通用I/O。而且该芯片还有很多的I/O端口，可以满足对电压、电流等参数的采集。由于此芯片资源丰富、稳定性好、运算效率高、价格便宜，所以是一款性价比很高的车用微控制器。

MC9S08DZ60主控芯片的最小系统如图2所示。其串口2(9S08DZ60的TX2和RX2端口)专门用于与WiFi模块的通信。PTB1和PTB2引脚用于控制WiFi模块的睡眠唤醒和工作使能。

2.2 WiFi模块的接口电路

通常具有串口功能的WiFi模块，其内嵌TCP/IP协议。其硬件构成主要是由内嵌的微处理芯片和WiFi通信芯片构成，微处理器实现裸机驱动程序和TCP/IP协议，WiFi芯片则完成数据的无线收发。串口WiFi模块对外提供UART串口或SPI接口，因而可以通过串口或者SPI接口与ECU中的MCU通信，由此实现ECU与外部移动终端的无线通信。

WiFi模块选用的是国产的PLJW1A，它是一款高性价比的串口WiFi模块，也是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够搭载软件应用。当PLJW1A在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。 另外一种情况是，无线上网接入承担 WiFi 适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易行，只需通过SPI/UART 接口或中央处理器 AHB桥接口即可。

PLJW1A内部嵌入了一个超低功率32 位微型CPU，带有16 位精简模式。支持多个模拟和数字接口。主串行接口(SI)能在二、三、四线制总线配置下运行，被用来控制EEPROM 或其他I2C/SPI设备。多址I2C 设备共享2 线制总线，多址SPI 设备共享时钟和数据信号，且根据芯片的选择，各自单独使用由软件控制的GPIO引脚。

模块遵循TCP/IP、802.11 b/g/n/e/i WLAN MAC 协议和WiFi-Direct规格，不仅支持分散控制功能(DCF)下的基本服务单元 (BSS) 的操作,还遵循最新的P2P协议，支持P2P 团体操作(P2P group operation)。WiFi-Direct模式在适当的指令下启动，就会自动完成搜索设备等P2P功能。本模块WiFi-Direct模式操作简便，符合本文中的设计要求。

图4 WiFi-Direct的拓扑结构图

本设计中由于串口WiFi模块工作电源为3.3 V，而主控制芯片工作电源则为5 V，所以两者不能直接相连。为此，主控制器与WiFi模块之间电气连接必须通过中间的电平转换芯片方可。电平转换芯片选用74LVC4245A。主控制芯片的PTB1和PTB2引脚连接电平转换芯片的输入端A1和A2，输出端B1和B2连接WiFi模块的睡眠唤醒(WKUP)和使能端(WORK_EN)引脚，由此通过主控制芯片可控制WiFi模块的启动和睡眠唤醒。主控制芯片的TXD2和RXD2引脚连接电平转换芯片的输入端A3和A4，输出端B3和B4连接WiFi模块的URX和UTX引脚,由此主控制芯片可以通过串口与WiFi模块进行通信。WiFi模块与电平转换芯片连接电路图如图3所示。

图3 WiFi模块与电平转换芯片连接电路图

3 软件设计

WiFi Alliance于2010年10月发布WiFi-Direct白皮书， WiFi-Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。WiFi-Direct技术以WiFi既有技术为基础，让WiFi装置在没有路由器、热点的情况下，仍能建立Peer to Peer的无线连接。能让设备之间互动，传输内容，速度最高为250 Mbps，最远距离约为300公尺。

如“俱乐部”模式。在我们日常生活当中所了解的俱乐部，就是有同一爱好的人聚集在一起，相互交流思想与经验，共同进步。教师在体育教学当中也可以建立起“俱乐部”的教学模式，将体育课程的教学内容分成不同的俱乐部项目，让学生进行项目的自主选择，在同一俱乐部的学生便是一个小组。具有同一爱好的学生在一起进行运动项目的活动组织、形式的探讨，在必要的时候教师可以给予相应的帮助，使得学生的自主能力性能够更大限度的发挥出来，培养起学生的创新能力与组织创造能力。学生通过相互之间紧密的联系与合作，促进了自身体育运动的兴趣发展与技能发展，使得学生更加积极主动的参与到体育运动当中来。

WiFi-Direct设备通过组建小组(以一对一或一对多的拓扑形式)来建立连接，图4为WiFi-Direct的拓扑结构图，小组的工作形式与基础设施BSS类似。由一部WiFi-Direct设备负责整个小组，包括控制哪部设备加入、小组何时启动和终止等。在本文中属于一对一的P2P连接模式，WiFi模块作为GroupOwner，而手机端作为GroupClient。

3.2 主控制器软件部分

MCU是ECU中的核心部分，当MCU从传感器中获取到车辆相关数据后，通过WiFi模块开启WiFi-Direct模式并主动搜索附近可配对设备(手机)，搜索到设备后主动邀请该设备加入P2P连接小组，一旦连接建立ECU通过WiFi模块向手机端发送TCP数据，手机接收数据后对其解析最终显示给用户。当发送完一帧数据后会检测ECU与手机的P2P连接是否断开，如果连接断开则重新获取数据并开始扫描设备，如果连接没有断开则继续向手机发送新一帧数据。主控制器程序设计流程如图5所示。

图5 主控制器程序设计流程

3.3 手机监控APP

本文中的手机APP软件系统开发选择开放的Android手机操作系统，手机软件系统选用C/S架构模式，然后按照MVC模式详细设计各个功能模块。手机软件总体系统基于物联网技术，可对新能源汽车进行智能化管理，通过每辆新能源汽车的ECU并借助于其本身嵌入的WiFi通信模块，将其采集到车辆各种关键参数及工况信息，通过WiFi模块传输到使用者手机终端。手机软件前台能够将新能源汽车的关键参数及工况信息显示处理，并在后台建立数据库，根据时间记录相关数据。用户可以查询在手机中保存的车辆历史数据。

WiFi模块与手机APP是通过WiFi-Direct模式建立通信，Android对WiFi Direct有很好的支持，并提供了相应的类和接口。本文中手机端作为P2P小组中的GroupClient，当被搜索到后需要接收ECU端的连接邀请。手机端通过WiFi-Direct配对建立连接，并接收显示数据的流程图如图6所示。其流程如下：

① App中的Activity组件通过调用WifiP2pManager类的discoverPeers()方法开始扫描设备；

② 成功扫描到可用设备后，App的广播组件BroadcastReceiver会收到P2P可连接设备列表已改变的通知，此时ECU主动发出P2P连接邀请，BroadcastReceiver又会收到P2P可连接设备的连接邀请的通知，收到此通知后会在Activity中弹出对话框让用户来选择是否接受连接邀请，用户点击接受后，手机端将会作为GroupClient与ECU成功配对；

图6 手机端通过WiFi-Direct配对 建立连接并接收显示数据的流程

③ 配对成功后，在App的Service组件中根据WifiP2pInfo类的groupOwnerAddress方法获取到ECU端的IP然后通过Socket使手机APP与ECU端建立TCP连接；

④ 建立连接后ECU端通过WiFi模块向手机发送车辆相关数据，APP在Service组件每收到一帧数据后，通过Handler类来传递给显示界面并更新显示的数据。

4 系统测试

图7所示为手机监控APP的WiFi-Direct连接界面，当ECU端扫描到手机设备并发出连接邀请后，就会在本界面弹出对话框，需要用户点击接收方可建立P2P连接。

图8所示为手机监控APP的车辆数据显示界面，当手机端收到ECU发来的TCP车辆数据后，经过后台解析最终显示在界面上，每当ECU传来新一帧车辆数据，该界面都会自动刷新车辆参数的值。

图7 模拟ECU与手机进行通信测试

图8 车辆数据显示界面

结 语

随着物联网技术的快速发展，物联网技术正渗透到各个领域，尤其是新能源汽车领域。本文利用WiFi-Direct技术实现新能源汽车ECU与手机APP的通信，使得人们使用智能手机就可以随时随地对新能源车辆关键参数进行时时地监控，及时发现并排查可能会发生的安全问题。

[1] 刘洪涛, 邹南.ARM处理器开发详解[M]. 北京：电子工业出版社，2012:46-49.

[2] 吴晶晶．纯电动汽车车载信息的采集与远程监测系统的研发[D]．江西：南昌大学，2011: 4-5.

[3] 陈皓, 赵祥模, 惠飞, 等. 一种基于WiFi Direct的车路信息交互方法[J]. 现代电子技术， 2015(9):154-158.

[4] 李沁璘.基于Android的车辆监控系统设计[J].大众科技,2016,18(2).

[5] 明日科技.Android从入门到精通[M].北京：北京清华大学出版社,2012.

史添添、周琳凯(在读硕士)，主要研究方向为车辆信息及控制技术。

Data Transmission Implementation Method of New Energy Vehicles ECU with Mobile Phone APP

Shi Tiantian1,Zhou Linkai1,Zeng Yizhe2,Zhang Yuhua3,Zeng Jie1,Guo Yongwei1

(1.Dalian Jiaotong University,Dalian 116000,China;2.Dalian University of Technology;3.Hents Technologies Inc.)

By establishing a communication between the APP of mobile phone and ECU of new energy vehicles,the key working parameters of the new energy vehicles can be get,which are displayed on the phone.The main control chip of ECU uses the MC9S08DZ60 is used as the main control chip of ECU.Then the ECU can establish communication with the phone through the WiFi module using the WiFi-Direct mode.The data transmission from ECU to the end of the phone APP is realized.Therefore,the users can monitor their vehicles in real time by the mobile phone.

new energy vehicles;ECU;APP;WiFi-Direct;MC9S08DZ60;data transmission

2015年江苏省科技计划项目(项目编号：BE2015132);中国铁路总公司科技研究开发计划(2015J002-E)。

TP216.1

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2016-07-15)