基于单片机控制的车辆状态监测系统设计

张彬 宋翔 张朋

摘要：为进一步提升车辆驾驶的安全性和可控性，基于单片机对一种车辆状态监测系统进行了设计与研究。针对目前车辆自诊断系统的功能，对状态监测系统进行了功能设计，确定了系统通讯方案。以 STM32系列单片机为核心，协同 CAN总线传输模块、定位模块、远程数据通讯模块以及数据采集模块进行工作。在硬件设计方面，供电模块选用 TPS 系列的稳压器，GPS定位模块选用 TG621S-BD为主控器。在软件设计方面，采用 MySQL 数据库进行数据库设计和资源管理，通过 Java Web实现云数据交互。

关键词：单片机;控制系统;CAN传输;模块设计;数据库

中图分类号：TH114文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0204-04

Design of Vehicle Condition Monitoring System Based on Single Chip Microcomputer Control

Zhang Bin ，Song Xiang ，Zhang Peng

（Zaozhuang Science and Technology Career Academy， Zaozhuang， Shandong 277599， China）

Abstract： In order to further improve the safety and controllability of vehicle driving， a vehicle condition monitoring system based on single chip microcomputer was designed and studied. According to the function of the current vehicle self-diagnosis system， the function of the condition monitoring system was designed， and the system communication scheme was determined. Taking STM32 series MCU as the core， can bus transmission module， positioning module， remote data communication module and data acquisition module could work together. In terms of hardware design， power supply module used TPS series voltage regulator， GPS positioning module used TG621S-BD as main controller. In software design， MySQL database was used for database design and resource management， and Java Web was used to realize cloud data interaction.

Key words： SCM; control system; CAN transmission; module design; database

0 引言

随着人们生活水平的提升，国内汽车保有量逐年提升，汽车给人们带来便利的同时，给管理带来较大的负担[1]。目前，物联网技术[2-4]逐步普及到各个行业和领域，给车辆状态的智能监测带来良好的技术条件，可有效地批量实现汽车远程监管。国内外汽车制造商对该方面也展开研究，其主要研究目标为设计出一种远程数据采集系统，针对自身车型的特点，最终技术服务于无人驾驶和智能驾驶。国内对于该方面的研究虽然相对较晚，但发展较为迅速，以尾气排放的监测为例，主流的新型车辆基本都已安装车载自诊断系统[5]，精确地判定汽车尾气是否超标。车载自诊断系统已经发展至第三代，已经集成了 GPS 定位技术[6]、网络集成技术、远程传输技术和信号诊断技术等，但全功能模块的成本较高。

为进一步提升汽车自诊断系统的性价比，本文提出一种车辆状态监测系统，可通过车辆行驶状态、位置数据、轨迹参数以及故障分析等功能预测汽车行驶过程中的存在的安全隐患。此外，通过系统的拓展和延续，可有助于驾驶员的身心健康状态，提升驾驶体现，确保汽车安全行驶，为物联网技术在车辆监测方面的应用提供一定的研究价值。

1 总体设计方案

1.1 功能设计

为弥补汽车自诊断系统的一些不足，设定车辆状态监测系统主要有以下功能。

（1） 状态信息采集与传输

可满足不同车辆之间的快速通讯，当出现状态异常时，可快速实现救援;车辆信息采集时具有独立识别功能，包括车主身份识别和车辆信息识别;具有故障诊断信息采集功能，可集中进行存储和数据处理;系统具有网络通讯功能，数据处理服务功能和数据管理服务功能，如图1所示;可实现行驶过程中车辆多个工作参数的实时监测，包括位置信息等。

（2） 远程无线通信

根据系統被监测数据的特点可知，整体数据的容量相对较小，因此可采用常规的无线通讯模块实现更高的性价比;无线通讯功能要求具有良好的覆盖率和传输稳定性，当车辆位于偏远位置时，仍能够建立稳定的数据连接。

（3） 监测数据的远程管理与反馈

车辆监测系统应具有良好可视化能力的终端，在终端快速地进行相关数据的接收、转接和存储;具有云数据处理功能[7]，设计界面可视化效果良好。

（4） 硬件结构的协同性设计

为确保总体硬件结构具有良好的协同性，以 STM32系列单片机为基础对嵌入式系统[8]进行设计。基于单片机控制，将 CAN总线传输模块、定位模块、远程数据通讯模块以及数据采集模块等进行匹配性连接。远程数据通讯支持云端交互，车辆信息被数字化后可直接用于反馈。

1.2 通讯方案设计

车辆状态监测系统最重要的通讯内容之一为系统终端与云端之间数据的快速交互。根据功能设计，系统采用TCP 连接方案，即数据传输采用字节流为媒介，其通讯协议层以及对应的标准如图2所示。采用该种通讯方式，可针对数据包的大小不同进行相应的合并与缓存处理。若实现系统交互数据的稳定传输，清晰明确的通讯协议是必不可少的，否则容易出现数据包的丢失、分包，甚至乱码。为此，本文设计的通讯协议包括以下核心技术内容。

（1） 数据首尾校验

当云端服务器接收系统的数据内容时，首先对字节内的帧头与帧尾进行判定。其中，帧头的辨别主要用于判定数据包是否为重复数据，帧尾的辨别主要用于判定整个数据包是否有丢包。

（2） 数据分区与解析

由于车辆状态信息的种类和标记方式有多种，因此，需要对不同类型的数据进行分区处理，处理后以标记位的形式进行解析。针对不同数据的大小或域长度，增加对应的解析指示标，提高数据的解析与识别效率。

（3） 多端服务优先级

由于系统适用于多个终端，因此需要设定不同终端服务器的编号，以确定优先级，实现高效管理。在通讯时，首先判定设备编号和终端编号，当处于在线状态时，根据匹配信息分配数据。然后，各个终端依次解析数据信息，形成新的编号后进行各个终端的交互。

2 硬件系统设计

2.1 硬件功能分析

根据车辆状态监测系统的需求和功能设计特点，确定硬件的关键设计内容为数据采集与信号远程传输。具体分析，硬件应具备以下基本功能。

（1） 与车辆自诊断系统之间具有良好的互换性，接口的通用性和匹配性一致，与车辆本身集成的 ECU系统建立无缝连接，对于数据的交互具有显著的实时性和准确性;与车辆自身集成系统的监测参数（车辆基本信息、故障记录、动态轨迹等）进行对比，得出相关数据后直接进行解析和传输，基于 CAN总线连接各个功能模块及控制器单元。

（2） 远程传输过程中，实时进行车辆的位置信息跟踪，优选北斗定位模块不断更新数据，以确保高效、精确和可靠性;无线通讯采用 GPRS方式，基于5G进行数据传输[9]，兼容4G与3G信号，具有传输效率高、信号能力强、性价比高等特点，在信号覆盖较弱的偏远地区也可以建立稳定的连接。

（3） 硬件进行集成化设计，优化当前的硬件结构，减小总体尺寸;与车辆自诊断系统的连接考虑电源供电的集成性和稳定性，减少电压转换的等级，尽量采用统一的电源电压幅值。

2.2 供电模块设计

一般情况下，多数车辆的蓄电池供电电压为12～24 V ，由于各个电气控制模块的额定电压不同，因此需要对电压进行降压处理。根据系统功能设计，为确保供电电压的稳定性，选用 TPS 系列的稳压器，其接线电路如图3所示。该类型的稳压器可实现高达60 V 的电压调节，能够稳定地输出5 V 电压，为通讯模块等提供动力源。

2.3 CAN总线传输电路设计

CAN总线通讯具有非常高的稳定性和可靠性，该模块主要由控制单元和发送/接收单元组成。CAN控制单元的接线电路如图4所示，具有严格的信号控制标准，用于处理总线数据，并将其以规定的数据格式或编码形式与发送/接收单元进行交互。若控制单元检测出数据出现乱码或者丢包问题，将直接反馈至上位机。发送/接收单元主要进行数据类型的转换，即模拟信号与数字信号的转换，并基于 CAN 总线形式完成信号/数据传输。此外，发送/接收单元可直接接收总线数据，有效地提升了控制器与总线之间的通讯效率。为提升控制器的共组效果，将其与主控制器协同运行，部分功能直接引用主单片机。

CAN 总线模块自带的控制器也具有良好的通讯能力，有效地支持 CAN 2.0通讯协议，波特率较高，可进行触发性通讯。控制器具有3个先进先出存储器，可执行主动模式，适应不同的功能条件。在接线电路控制下，可直接基于数据线实现控制器的工作模式切换，能够有效地简化硬件电路，增强系统的可靠性。

2.4 定位模块设计

在 GPS定位模块设计方面，系统采用双模块匹配方式实现车辆的精准定位。选用国内北斗卫星定位模块 TG621S-BD 作为主控模块，具有3.3 V 稳压串口，功耗较低，性价比非常高，兼容无线网络通讯，其接线电路如图5所示。定位模块具有直连性，控制器内的 RX 和 TX 引脚用于构建通讯接口，稳定性较高。

3 数据交互设计

3.1 数据库设计方案

在软件控制方案设计中，数据库的设计较为重要，为此，文中采用 MySQL 数据库进行资源管理。数据库的设计要求数据的上传与下载具有延续性，用户可通过网页获取相应的数据资源。MySQL 数据库在程序设计方面具有显著的优势，其交互界面友好，操作简便，研发成本低，适用于车辆状态监测系统。

对于整体数据库的设计，系统将其划分为3部分内容：数据接收、数据分析和数据处理。在数据交互方面，主要以 TCP形式建立网络连接，实现终端的指令反馈。数据库最终将以数据表的形式进行存储，收发过程中严格遵照通讯协议，主要包括车辆状态信息表、故障诊断表和驾驶数据表等。

3.2 交互过程分析

数据交互要求系统采集的数据便于查看和下載，因此，在进行网页开发时，选用技术成熟的 Java Web 方案[10]。数据交互设计中，以远程登录为主要设计目标，研发时基于模型-视图-控制方式，如图6所示，将整体软件控制分为3个基本组成部分。为实现分布式操作，将软件开发中的模型输入、数据处理和模拟输出等功能分别进行编程，从而不会增加数据的多重耦合，简化程序的繁琐程度。模型输入主要指数据表制备和上传，数据处理是指业务数据的逻辑编写和转换，模拟输出是指视图输出，即为用户提供良好的交互界面和功能请求。

4 结束语

时代的进步带来更多的便利条件，车辆的数量逐年增长，但越来越多的汽车保有量给社会带来较大的压力，管理部门以及车主都希望能够实时掌握车辆信息，改善行车的安全性和稳定性。根据用户对车辆自身信息和位置信息的需求，本文设计的车辆状态监测系统可有效地补充车辆自诊断系统的基本功能，通过硬件设计，提升系统的性价比。云端技术给用户带来巨大的方便，可在云服务器中完成车辆监测数据的处理与管理，大大提升了系统的性能。

参考文献：

[1]武卫民.我国汽车排放控制水平现状及综合对策探析[J].内燃机与配件，2021（5）：148-149.

[2]张捷.基于物联网技术的电力设备状态检测研究[J].科技风， 2021（9）：192-193.

[3]杨挺， 翟峰，赵英杰，等.泛在电力物联网释义与研究展望[J].电力系统自动化，2019，43（13）：9-20.

[4]江秀臣， 刘亚东，傅晓飞，等.输配电设备泛在电力物联网建设思路与发展趋势[J].高电压技术，2019，45（5）：1345-1351.

[5]陈正华，邓秋雅.汽车故障自诊断系统及其在汽车维修中的应用[J].时代汽车，2020（22）：182-183.

[6]曹彦杰.一种 GPS 和 GPRS 技术的汽车防盗系统设计与实现[J].微型电脑应用，2021，37（3）：144-146.

[7]王瑞雪，袁刘，顾戎，等.基于数据分析的网络健康评估系统[J].信息通信技术与政策，2021，47（3）：26-32.

[8]任远林，徐奇.基于嵌入式单片机的智能家居远程控制系统设计[J].新乡學院学报，2021，38（3）：72-76.

[9]周新鹏，徐凌伟.5G 移动通信系统性能分析与预测方法研究[J].聊城大学学报（自然科学版），2021，34（4）：23-28.

[10]肖奇军，郑达成，方楷生，等.基于 Java的家电维修应用软件设计和实现[J].机电工程技术，2019，48（11）：138-140.

第一作者简介：张彬（1987-），男，山东枣庄人，硕士，讲师，研究领域为机械工程，机电一体化等。

（编辑：王智圣）