面向智能网联需求的商用车车载终端开发及应用

2020-04-08安徽江淮汽车股份有限公司李霞彭宏伟杜文龙

专用汽车 2020年2期

安徽江淮汽车股份有限公司李霞彭宏伟杜文龙

根据商用车车载终端的设计开发经验，结合汽车智能化、网联化的发展方向，提出了面向智能网联应用需求的车载终端开发及应用方案。通过确定车载终端的应用场景，识别出具体的功能需求项，从终端硬件选型、软件开发、整车网络布置、功能验证及测试几个方面进行说明，完整呈现了商用车车载终端从开发到应用的全过程，并以某车型终端开发应用为例进行举例说明。

随着我国经济的高速发展，国内汽车的保有量也极大提升，人们也越来越关注车辆信息和路况信息等，汽车用户需要一个更加智能、安全、舒适的驾驶环境。与此同时，80后、90后等青年群体逐渐成为主力用车群体，其对网络服务的依赖性愈加强烈，汽车的智能化、网联化程度越来越高，汽车即将成为继电脑、手机之后最重要的移动终端。目前，汽车80%的创新点来自于汽车电子，汽车技术研发的中心也由内燃机阶段过渡到电子设备研发、智能网联研发、大数据应用等领域[1]。

智能网联汽车通过车载传感器、控制器和多种执行器实现复杂环境感知、智能决策、自动控制等多种功能，使车辆与外部物体实现信息共享与控制协同。作为汽车行业和信息通信行业跨界融合的重要载体和典型应用，智能网联汽车作为汽车发展的必然方向，也是未来国际汽车市场的重要竞争领域之一，而车载终端作为车辆与外界网络之间的连接桥梁，它直接连接了用户、车辆和云服务，在网联化应用中具有举足轻重的作用。

商用车相较于乘用车来说其信息化水平整体偏低，但是商用车的车联网功能却是用户比较关注和迫切需求的。同时，随着重型商用车排放标准升级和整车电子配置逐步增多，车载终端在商用车领域的应用也越来越广泛。为了更好地应对法规要求，解决商用车客户比较关注的实际使用问题，本文提出面向智能网联需求的车载终端设计方案，通过构造一个扩展性强的车载终端CAN网络布置方案，使其能够满足商用车智能化、信息化的需求，可以快速应用于不同系列的车型。

商用车车载终端开发

1.应用现状

车载终端又称T-BOX（Telematics Box），是指安装在汽车上用于控制跟踪汽车的嵌入式系统，包括GPS单元、移动通信电子处理单元、微控制器以及存储器。车载终端是汽车网联化的基础硬件，是车内网、车联网平台、法规监控平台、智能交通网等互联互通的核心枢纽。2015年以来，国内外多家IT公司、互联网巨头和整车企业纷纷启动汽车网联化项目，跨界合作推动汽车智能互联化开发，这些战略合作既促使车企推进网联化开发进程，亦使互联网厂商抢占新的移动入口。大量事实表明，汽车已经从传统的独立终端开始向互联网大数据的一个组成部分、一个移动终端入口转变[2]。

随着智能网联开发进程的加速推进，车载终端也成为各个厂商的标配。目前车载终端的安装形式分为前装和后装两种，前装主要以T-BOX的形态布置在整车电气架构中，后装则通过OBD接口连接衍生设备的形式实现。相比于后装，前装拥有更加全面的整车原始数据信息，便于挖掘和满足客户更加多变的使用需求，有利于产品标准化的开发[3]。因此，在商用车市场中，车载终端的前装形式逐渐占据了主导地位，成为提升车辆智能化、网联化的重要手段之一。

2.设计原则

为满足车辆互联的需求，车载终端的设计侧重点与传统的控制器有所差异，一般遵循的设计原则有如下几点：

2.1 准确性

网联汽车的整车原始数据需要通过车载终端从CAN总线获取，并按照特定的传输协议进行取值、换算、排列、填充之后，再上传至平台服务器，从原始数据到平台可识别的数据流之间经过了较多的计算环节，因此确保数据真实准确的上报是车载终端设计开发的第一要素。

2.2 可靠性

车载终端内置定位模块、通信模块、wifi模块以及多种I/O接口，设备工作时会受到GPS信号强弱、网络信号强弱和SIM卡流量限制等多重影响，因此在功能开发设计时，必须要考虑多种失效情况，确保终端工作的可靠性。

2.3 可扩展性

为满足用户不断更新变化的网联应用需求，车联网平台基本上以每月一次的频率在进行升级更新，与之对应的车载终端也是整车中升级更新最为频繁的控制器，功能可扩展性也是终端设计开发的重要原则。

2.4 高性能

因为涉及到后期的车机互联、人车互联、车车互联等对通信实时性要求较高的需求，所以尽可能地提高系统的处理速度和通信速度就显得尤为重要。在选择通信模块时尽可能选择4G，甚至是5G模组，避免造成通信延时。

2.5 低功耗

商用车的单日工作时长要远远超过乘用车，因此功耗问题也是商用车电子单元设计开发着重考虑的指标之一。车载终端作为长时间运行的控制器，在车辆使用过程中是连续不间断的工作，一般在内部元器件选型时会考虑选择低功耗的芯片，确保产品满足低功耗的要求。

3.需求分析

目前，依托于整车厂的正向开发能力和CAN总线的高度集成应用，车载终端的功能得到了较大的拓展，除了车辆位置信息查询、数据采集和上传这类基础功能之外，还涵盖了远程诊断、远程控制、无线接入等拓展功能。在满足法规要求的同时，结合商用车客户的实际使用需求，尤其是诸如车辆定位、路线监控、状态体检、油耗分析、债权防控等较为强烈的需求，设计的商用车车载终端应具备如下功能项：

a.车辆位置查询：可以远程查询车辆整车信息、卫星定位信息，支持盲区位置信息补传。

b.状态信息查询：由车载终端上传车辆状态信息，主要包括发动机转速、车速、里程信息、油耗信息等，数据更新速率可以按需调节。

c.远程车控：该功能包括远程寻车、解锁闭锁、升降窗等，远程寻车时终端发送指令控制车辆闪灯或鸣笛的方式告知车主。

d.车辆体检：车载终端按照既定的诊断协议对车辆上的其他控制器进行故障诊断，需具备“云诊断”和“端诊断”两种方式，同时终端应具备内部存储故障记录的功能。

e.远程升级：支持车载终端自升级，由云平台通过终端对其他控制器进行远程升级，支持异常存储机制，存储空间不小于8G。

f.债权防控：对于通过金融方案购置的车辆，贷款机构或车辆有权人会监控车辆的运营状态，若发生逾期还款或者偏离既定行驶路线的情况，可以通过TSP平台发送提醒信息，通知车主及时还款。

g.平台接入：车载终端应具备多路APN功能，可以同时接入多个平台，以满足法规监控平台的接入需求和车联网平台的接入功能。

h.车载网络：支持作为整车wifi热点发送端，可以满足多台设备同时接入互联网，可更改wifi开关状态、名称和密码。

i.用车报告：支持燃油消耗记录、驾驶行为分析、行驶路线回放等。

j.法规监控：支持各项法规和标准要求的数据远程监控功能，如GB 32960提出的电动汽车远程监管服务、GB 17691提出的重型柴油车排放监管要求等。

4.功能开发

车载终端需求确认之后，就进入功能开发阶段，整个开发流程包括硬件选型和软件开发。

4.1 硬件选型

典型的硬件系统框图如图1所示，主要由全网通通信模组LTE、微处理芯片、I/O接口、3轴传感器、wifi及USB等功能模块组成。

图1 车载终端典型硬件框图

主要模块功能简介如下：

a.MCU主要完成系统的电源管理、外部中断处理、通信模块复位及初始化等工作。

b.LTE模块是全网通通信模块，该模块一般会采用经过加密的嵌入式 linux 系统，保证数据通信的安全性，要求可支持中国联通和中国移动的2G、3G、4G的语音和数据业务，支持中国电信的4 G，支持GPS/Beidou/Glonass。预留两路 SDIO以作存储及WIFI等外设的扩展。同时，高速USB2.0 接口用以满足 AVN 连接需求。

c.GPS是定位模块，可以通过快速获取位置信息，实时展现车辆地图位置、行驶速度、行动轨迹、转向角度等信息，要求支持GPS和北斗双模定位。

d.Battery是电池模块，主要是在车辆掉电情况下给车载终端持续供电，用于紧急救援和道路救援等工况。

e.Flash是一种长寿命非易失性存储器，又称闪存，在断电情况下仍然能保存数据，车载终端通常用Flash来保存各项设置信息和内部操作系统等。

f.G Sensor 采用3轴加速度计，是智能化的重力感应系统，用来采集终端的姿态信息。

g.I/O接口中包括电源模块、CAN通信模块、Wifi模块、蓝牙模块、AD转换模块等。

4.2 软件开发

按照网络层次划分，车载终端的软件开发可以分为应用层、运行框架、动态库、硬件驱动层。具体软件架构如图2所示。

图2 车载终端软件架构

车载终端作为智能网联汽车的联网设备，拥有很多外部访问点，并与车辆的CAN网络互联互通，将面临网络攻击、信息泄露等安全威胁，具有较高的安全风险。因此，车载终端的软件开发在实现功能的同时必须系统考虑网络安全防护措施。常用的安全防护体系包括如下：

a.密码模块：可以采用软硬件结合型或者纯软件型两种密码型式，建议使用主流的国际密码算法或者国密算法。

b.安全启动：利用信用证形式对启动序列进行检查，保证启动程序完整准确，防止启动流程被篡改。

c.系统防护：对系统资源采用访问控制策略，防止非授权进程使用系统资源，避免越权攻击的风险。

d.接入点安全：对蓝牙、wifi等接入点的访问进行控制，防止非法数据请求和访问请求进入系统。

e.通信监控：与平台服务互联的时候，设备需带有统一的身份认证密钥或者密码证书机制，确保数据准确可靠。

5.车载终端CAN网络布置

车载终端作为车辆电子控制单元之一，需要接入整车的CAN网络来获取大量需要的原始信号数据，如何快速适应不同车型的CAN网络架构，也是车载终端开发应用的关键环节。商用车的网络架构随着电气配置的不同会有较大的变化。配置较低的车型一般采用单网段拓扑形式，配置较丰富的车型考虑网络负载率的要求可以分为双网段或多网段两种拓扑形式，典型商用车CAN网络的结构形式如图3所示。

图3 典型商用车CAN网络拓扑结构示意图

对于采用单网段拓扑形式的车型来说，车载终端的CAN网络布置相对较为简单，因为需求的原始信号数据都来源于一个网段，终端仅需使用一路CAN通讯接口并接入总线，即可获得所需的数据，同时也可以下发相关控制指令。

对于采用双网段或多网段拓扑形式的车型来说，由于总线网络分为两段，终端需求的原始信号数据可能来源于不同的网段，如果仍然采用一路CAN通讯接口接入整车总线，随着终端的持续更新，网关路由会随之频繁修改，总线上因网关转发很多无用报文会导致负载率偏高。例如：终端会从车身段采集车门状态、灯光状态、转向状态等，也会从动力段采集排放信号、制动信号、变速信号等，还会从网关诊断CAN实现远程升级信号传输。为了将终端更新对整车的影响降到最低，同时具备良好的可扩展性，可采用多路CAN通讯接口接入多个网段，分别实现不同的功能。不同网络拓扑形式下，车载终端的CAN网络布置形式如下图4所示。

图4 车载终端的CAN网络布置形式

6.验证测试

每一项系统专业的开发过程都需要全面系统的验证测试来支撑，车载终端的开发也不例外，其主要的测试内容包括以下几方面：

a.基础功能测试。车载终端首先作为整车上的一个控制器，需要满足基本的功能，如CAN通讯功能、诊断功能、网络管理功能等。此类基础功能测试可以按照通用的规范进行测试。

b.平台联调测试。作为车辆与网络的互联节点，终端肩负车辆与互联平台之间的信息交互任务。除了基础功能之外，终端与平台之间的信息交互功能也是验证测试的重要环节。平台联调需要采用实车测试的形式，将完成基础功能测试的终端装配到整车上，按照平台接入协议进行联调测试。测试内容一般包括：车辆登入、数据上传、数据补传、指令下发、车辆登出等。为了验证终端功能可靠性，联调测试还会分为静态测试和动态测试，其中动态测试一般选取高速、国道、省道、隧道、山区等的多种路况进行验证。

c.法规过标检测。为了满足法规标准对车辆的远程监控要求，商用车的车载终端一般会兼顾法规要求并满足法规平台的接入功能。一些法规要求项需要进行过标过检测试，由管理机构出具测试合格报告，以此作为车辆公告认证的条件之一。例如GB 32960《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》的法规要求，就需要车载终端按照要求与北理工的管理平台进行过标检测，终端需要按照标准要求的数据格式，采集车辆总线上的的原始数据，并解析、重组和填充之后上传至管理平台，检测时也会分为静态测试和动态测试等。

车载终端设计案例

以某重型商用车的车载终端开发应用为例，功能需求定位为满足车联网需求，支持远程车控、债权防控等功能，同时可以满足法规监控要求。按照功能需求完成车载终端的硬件选型，整体硬件系统如图5所示。

图5 车载终端硬件系统选型

具体硬件选型如下：

a.MCU选择STM32F305系列芯片，该系列芯片是专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM架构微处理芯片，结合平台设计理念，开发人员可以通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来适应个性化的应用需求，满足车载终端频繁优化、快速迭代的使用需求。

b.4G 模块采用 Telit LE920系列，是成熟的OPEN CPU模块，无线通信M2M模块采用两种最先进的技术HSPA和LTE，是专为汽车应用和其他恶劣应用环境设计开发的模块。模块采用高通方案和经过加密的嵌入式linux系统，主频1.2GHz，可以保证数据通信的高效性和安全性。支持中国联通和中国移动的2G、3G、4G的语音和数据业务，支持中国电信的4 G，支持GPS/Beidou/Glonass，预留两路SDIO以作存储及WIFI等外设的扩展。

c.MIC、WiFi、USB等模块均采用通用的高速接口与4G模块连接，确保可以满足各项功能需求。

软件采用模块化设计的思路，终端软件部分主要分为硬件驱动、中间层各模块、公用数据池、交互应用模块四大部分。具体结构如图6所示。

图6 车载终端软件模块结构示意图

硬件驱动模块负责采集硬件电路的输入信号给中间层模块，并接收中间层模块的命令数据转化为硬件驱动信号，驱动对应的硬件电路。中间层各模块负责对各硬件驱动的数据进行打包/解包，进行简单的加工处理，并存放到公用数据池里面，供其他交互应用模块使用，也实时接收公用数据池中的命令数据，转化后下发给硬件驱动模块执行。交互应用模块通过公用数据池获取各项数据，按照功能需求进行处理，同时将执行命令打包放到数据池，供中间层模块获取并下发。例如，CAN模块：接收CAN总线数据，提取出我们需要的信息，包括里程信息、车灯状态、燃油信息（瞬时油耗）、ACC状态、车门状态、车窗状态等车身状态信息，存储到公用数据池中，由交互应用模块获取后按照既定协议解析、组包并上传到对应平台服务器。若平台有相关指令下发，则通过交互应用模块将命令数据放到公用数据池，CAN模块获取到命令数据后，解析并下发命令到硬件驱动模块进行指令执行，如远程寻车指令、远程车门开关指令、远程空调开关指令等。

因为应用车型的配置高低差异较大，车载终端在整车网络上的布置也有所不同，所以本文选取两个配置的车型进行应用说明。其中一款为低配车型，采用单网段拓扑形式，另外一款为高配车型，因为配置功能较多，采用带网关的多网段拓扑形式。两款车型的车载终端CAN网络布置形式分别如图7、8所示。

图7 低配车型车载终端CAN网络布置

图8 高配车型车载终端CAN网络布置

完成功能开发之后的终端进行如下的验证测试：

a.基础功能测试：主要完成车载终端通讯功能、诊断功能、热点功能等。通讯功能测试采用CANoe软件和示波器等辅助工具进行，主要检测终端的信号一致和物理层特性，部分测试数据如图9a所示。

b.平台联调测试：该型车载终端接入公司车联网平台、远程升级平台和法规监控平台，按照平台协议逐一接入测试。对于支持APP远程操作的功能，需要结合APP和平台服务完成综合测试。终端以接入法规监控平台测试为例，通过实车测试的形式进行发动机排放数据上传测试，平台接收数据如图10所示。

图9 部分测试数据

结语

车载终端作为车辆与外界互联的载体，在具备汽车电子单元稳定性、可靠性等特性外，还带有互联网生态系统特有的直面用户需求、快速升级迭代等基因。因此，终端在设计开发及应用的过程中，除了满足现有的汽车电子单元相关开发标准、设计指南和企业规范等，还需要满足智能化、网联化相关的协议规范和标准，软硬件在设计之初就需要预留足够的升级空间，应对日益升级的使用需求。