基于物联网的汽车远程监控系统实验教学平台设计

沈 刚, 乔 杰, 李 戈, 臧万顺

(中国矿业大学 机电工程学院, 江苏 徐州 222116)

计算机技术应用

基于物联网的汽车远程监控系统实验教学平台设计

沈 刚, 乔 杰, 李 戈, 臧万顺

(中国矿业大学 机电工程学院, 江苏 徐州 222116)

为加强汽车远程监控方面的实验教学,设计了基于物联网的汽车远程监控实验教学平台。分别介绍了采集执行层、车载控制器层和远程监控层的设计思路。该平台的车载控制器采用模块化设计理念,主控制芯片采用STM32F407IGT6高性能微控制器,涵盖了物联网中应用广泛的ZigBee技术、蓝牙技术、嵌入式技术、GSM/GPRS技术,扩展性强、灵活性高、软件源代码开放,有助于学生掌握汽车远程监控系统设计。

实验教学； 物联网； 汽车远程监控

汽车远程监控技术能够大大提高汽车的安全性、可靠性,所以越来越多的汽车制造厂商推出了自己的汽车远程监控产品,例如美国通用汽车公司的“OnStar”系统、日本丰田公司的“G-Book”系统、裕隆公司与宏达科技(HTC)联合开发的“THINK+”系统等[1-2]。

随着汽车远程监控产品成本的下降和技术的成熟,将有越来越多的汽车远程监控系统被应用到汽车系统中。然而,我国高校尚没有专注于培养学生汽车远程监控技术方面的实验教学平台。本文设计的基于物联网的汽车远程监控实验教学平台，将物联网中应用最为广泛的ZigBee技术、蓝牙技术、嵌入式技术、GSM/GPRS技术整合在一个教学平台上,使学生能够比较全面地掌握基于物联网的汽车远程监控系统设计。

1 汽车远程监控系统架构设计

本系统总体架构上分为3层,自下而上依次为采集执行层、车载控制器层和远程监控层(见图1)[3]。

采集执行层负责采集汽车状态物理量(包括温度、湿度、可燃气体浓度、红外人体感应状态等),也负责继电器的开/关切换(继电器被安装在汽车油门线上,可直接决定汽车能否被正常启动)。

车载控制器层负责切换异构网络(ZigBee网络、GSM/GPRS网络)数据,使不同网络间可以正常通信,实现内网与外网之间的数据传输,同时通过蓝牙模块与用户进行交互(用户可以通过手机蓝牙与车载控制器蓝牙模块进行配对,然后对系统参数进行设置)。

远程监控层负责接收、存储、发布底层上传的各项物理数据,用户可以通过网络浏览器查看汽车相关实时数据。

图1 汽车远程监控系统总体架构图

2 汽车远程监控系统硬件设计

2.1 主控制器选型与设计

车载控制器主控制芯片采用基于Cortex M4内核的STM32F407IGT6系列高性能微控制器,它内含FPU浮点运算,1 MB Flash内存,192 KB SRAM,16位和32位高精度定时器、DMA控制器等外设,完全能够满足车载控制器的性能需求[4]。

车载控制器采用模块化设计理念,分为STM32-F407主控板、蓝牙模块、GSM/GPRS模块3部分。蓝牙模块、GSM/GPRS模块分别采用广州星翼电子科技有限公司开发的ATK-HC05型主从一体蓝牙串口模块和N1411 ATK-SIM900A GSM/GPRS模块。STM32F407主控板外围电路原理图如图2所示。

图2 STM32F407主控板外围电路原理图

2.2 ZigBee核心板及其接口板设计

ZigBee网络由ZigBee协调器和ZigBee子节点组成,在本系统中,两者的区别只存在于软件,其硬件部分完全相同[5]。ZigBee节点芯片采用TI公司的CC2530,该芯片采用增强型8051CPU,8 KB RAM和许多强大的功能,并且成本低廉、功耗较低,非常适合于本系统应用[6]。ZigBee接口板主要提供连接ZigBee核心板和传感器/继电器,提供电源、程序下载、复位、LED显示和按键等功能。其电源、调试/LCD、下载、接口电路原理图分别如图3—图6所示。

图3 ZigBee接口板电源电路

图4 ZigBee接口板调试/LCD原理图

图5 ZigBee接口板下载电路

图6 ZigBee接口板传感器接口

3 汽车远程监控系统软件设计

3.1 采集执行层软件设计

采集执行层软件主要是对ZigBee节点进行编程,软件架构上分为硬件驱动层、中间层和应用层等3层。硬件驱动层包括传感器/继电器驱动程序；中间层为美国德州仪器公司提供的半开源ZigBee协议栈(Z-STACK协议栈)[7]；应用层为各种传感器、继电器的任务程序。其中,硬件驱动层程序由传感器厂家提供；Z-STACK协议栈可直接使用,采集执行层软件设计工作主要集中在应用层,针对传感器节点和继电器节点的程序流程图分别如图7、图8所示。

图7 传感器节点流程图

3.2 车载控制器层软件设计

本层要实现的主要功能和优先级见表1。

由于涉及多任务调度,且为了学生更方便地添加个性化程序,引入了嵌入式实时操作系统μC/OS-II作为软件中间层[8]。根据要实现的功能创建相应任务并分配优先级如表1所示；车载控制器层程序流程图如图9所示。

图8 继电器节点流程图

表1 车载控制器层功能和优先级划分

图9 车载控制器层软件流程图

3.3 远程监控层接口设置

远程监控层建立在云端服务器上。该服务器平台由北京乐为物联科技有限责任公司(乐联网)提供,是免费、开源的第三方物联网服务器平台。本文所述系统主要接入该公司的3项服务:门户网关、数据存储与分析、微信平台展示[9]。设置流程如下:

(1) 进入乐联网(http://open.lewei50.com),注册用户名、密码后登录,在“管理—我的物联—我的设备”选单下,点击选择默认设备或者添加新设备；

(2) 采用乐联网TCP长链接方式实现传感器数据上传；

(3) 在浏览器登录http://www.lewei50.com/u/g/8026,查看各传感器的历史数据、趋势变化曲线等。

4 实验内容设计

基于物联网的汽车远程监控实验教学平台的实验内容安排充分考虑了实验课时的因素,将实验内容分为基础性实验和开放性实验[10]2类。基础性实验要求学生按照步骤依次完成ZigBee组网采集、蓝牙配对、系统调试、显示对比、短信控制[11]等实验内容；开放性实验要求学生修改或者重写采集执行层、车载控制器软件,以实现个性化的应用与服务。

4.1 基础性实验

基础性实验分为以下5个步骤执行。

第一步:ZigBee组网采集。主要包括将ZigBee节点与不同传感器连接,将ZigBee协调器与电脑串口连接；然后依次启动ZigBee协调器、ZigBee节点等待组网,观察电脑上串口助手输出的数据。当观察到所有连接的传感器数据都被显示出来时,表明该步骤实验成功；反之,则存在问题,需要调试。

第二步:蓝牙配对。将蓝牙模块与STM32F407主控板连接,然后启动主控板,打开手机蓝牙与系统模块配对。当系统指示灯间隔闪烁时,说明配对成功。

第三步:将ZigBee协调器与电脑串口断开后连接STM32F407主控板,再将GSM/GPRS模块也连接到STM32F407主控板,确认连接无误后,启动主控板。等待2～3 min后,登录乐联网,观察传感器数据是否正常上传。

第四步:改变传感器状态,观察浏览器端曲线是否跟随变化,记录数据值和延迟时间等。

第五步:将ZigBee节点与继电器连接,上电使其加入ZigBee协调器组建的网络中。使用手机发送控制短信,观察继电器受控状态。

4.2 开放性实验

汽车远程监控系统实验教学平台所有软件源代码开放,学生既可以添加个性化应用、服务,也可以改写该平台的采集控制层、车载控制器所有底层代码和应用层代码。平台硬件资源丰富、软件架构开放,学生可以自由发挥自己的聪明才智,多方位进行实验验证和知识拓展[12]。

5 结语

本文设计了基于物联网的汽车远程监控系统实验教学平台,学生既可以按照一定的步骤进行系统实验,也可以根据自身需求对系统进行裁剪、对软件功能进行扩充。实践表明，利用该平台进行实验教学直观、生动,能很好地调动起学生学习、探究的兴趣,对于提升学生的创新思维能力和实验动手能力也起到了积极的作用。

References)

[1] 胡彧,张霞.浅析汽车电子技术的现状及发展趋势[C]//四川省汽车学术年会论文集.成都,2013.

[2] 刘凯.车载智能通信系统的研究[D].北京:北京工业大学,2014.

[3] 卢珂.智能油田无线远程监控系统[D].济南:山东大学,2015.

[4] 林镇豪,邓巧茵,莫伟键,等.基于STM32技术的车载消防车信息采集与传输系统[J].电子设计工程,2015(21):95-98.

[5] QST青软实训.ZigBee技术开发:CC2530单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2015.

[6] 赵少骏.基于无线传感器网络的仓储监控系统设计[D].杭州:浙江大学,2015.

[7] 曾宝国.Z-STACK协议栈应用开发分析[J].物联网技术,2011(3):71-73.

[8] 党长青,熊锦玲,陈湘萍.基于UC/OSII操作系统的温度采集系统的设计[J].电子世界,2014(9):141-142.

[9] 乐为物联网.乐联网使用详细手册[EB/OL].http://www.lewei50.com/dev/doc/126.2013.

[10] 江雪梅,刘泉,张小梅.3G移动通信系统与物联网创新实验平台建设[J].实验技术与管理,2012,29(5):133-135.

[11] 张宏宇,侯立刚,耿淑琴,等.一种短信控制的水浸报警系统设计[J].现代电子技术,2012,35(20):1-4.

[12] 苏飞,束良勇,舒永钢,等.开放性实验在大学生创新能力培养中的作用[J].高教学刊,2015(3):74-75.

Design of experimental teaching platform with vehicle remote monitoring system based on Internet of things

Shen Gang, Qiao Jie, Li Ge, Zang Wanshun

(School of Mechatronic Engineering ,China University of Mining and Technology,Xuzhou 222116,China)

In order to strengthen the experimental teaching of the remote monitoring of automobile, a vehicle remote monitoring teaching platform based on Internet of things is designed, and the design ideas of collecting and executing layer, vehicle controller layer and remote monitoring layer are introduced respectively. The platform adopts the modular design concept, the main control chip adopts STM32F407IGT6 high-performance micro-controller, covering the wide range of ZigBee technology, Bluetooth technology, embedded technology, GSM / GPRS technology, extensibility, high flexibility, and open source software, which can help students master the car remote monitoring system design.

experimental teaching; Internet of things; vehicle remote monitoring

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.035

2016-10-31 修改日期：2016-12-05

全国工程专业学位研究生教育教改项目(2016-ZX-223) ；中国矿业大学教改项目(2016YB11)

沈刚(1982—),男,安徽利辛,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为电液伺服控制系统

E-mail：shenganghit@163.com

乔杰(1992—),男,山西晋中,在读硕士研究生,研究方向为无线传感器网络、嵌入式软件系统设计.

U463.6；G642

A

1002-4956(2017)3-0138-05