基于4G-DTU的汽车远程监控系统设计

陈少伟 潘梦鹞 钟玉灵 陈宣烽

摘  要：随着物联网技术的快速发展，实现汽车和外部系统的远程连接，推动汽车网联化，智能化是当今汽车发展的重要趋势。通过数据远程传输技术的研究，提出了一种基于4G-DTU的汽车远程监控系统，该系统通过OBD智能模块实现与汽车的连接和数据通信交互，再利用4G-DTU模块和MATLAB软件平台进行远程数据传输，最终实现汽车远程数据监测和控制的功能。实车试验结果表明，该系统工作稳定可靠，为远程故障诊断，远程安全预警等智能化应用场景提供了重要参考，具有良好的推广前景。

关键词：4G-DTU；车网联；OBD；远程监控

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）08-0196-03

Abstract： With the rapid development of the Internet of Things technology， the remote connection of automobile and external system is realized， and it is an important trend to promote the automobile network connection and intelligence for the development of automobile today. Through the research of the remote data transmission technology， a automobile remote monitoring system based on 4G-DTU is proposed. The system realizes the connection with the automobile and data communication interaction through the OBD intelligent module， and then uses the 4G-DTU module and MATLAB software platform for the remote data transmission， and finally realizes the functions of the remote data monitoring and control of the automobile. The results of the real automobile test show that the system works stably and reliably， provides an important reference for intelligent application scenarios such as remote fault diagnosis and remote security early warning， and it has a good promotion prospect.

Keywords： 4G-DTU; automobile network connection; OBD; remote monitoring

0  引  言

汽车经历一百多年的发展，传统汽车技术已经趋向成熟，如何推动汽车可持续发展是当今汽车领域研究的热点。随着信息技术的不断发展，物联网相关技术正被广泛应用[1]。物联网就是通过不同类型的传感器或者技术手段采集对象的各种数据信息，并通过无线或者有线数据传输技术，实现物与物、物与人的信息连接，实现感知、监测和控制等功能。物联网正在推动智慧农业、工业自动化、智慧交通和智能家居等产业的升级发展[2，3]。物联网技术在汽车领域的应用，实现汽车和外部系统的远程连接，推动汽车网联化，智能化是当今汽车发展的重要趋势[4]。因此，提出了一种基于4G-DTU的汽车远程监控系统，该系统采用OBD数据采集、4G-DTU数据远程传输等技术，构建汽车和MATLAB软件智能终端的联网，实现汽车的远程数据监测和控制，为汽车远程故障诊断，远程安全预警等智能化应用场景提供了重要参考，有效提高汽车保养维护的效率以及汽车安全驾驶，对于推动汽车产业的应用发展具有十分重要的意义。

1  汽车远程监控系统总体设计方案

基于4G-DTU的汽车远程监控系统设计主要由OBD智能模块、4G-DTU远程传输模块[5]、软件智能终端等组成，总体设计方案如图1所示。其中，OBD智能模块是通过OBD接口和汽车内部电控系统实现硬件连接，它以自带CAN通信模块的STM32F103芯片为主控单元，能够通过CAN通信方式实现汽车内部数据的获取和控制。4G-DTU远程传输模块实现OBD智能模块和软件智能终端之间的数据传输。软件智能终端是基于MATLAB平台开发的监控软件系统，它主要实现数据通信、数据监测和汽车控制等功能。本系统能够实现汽车数据采集、远程传输、监测和汽车控制，符合系统设计要求。

系统工作过程：钥匙启动汽車后，安装在汽车驾驶室内的OBD智能模块开始获得汽车电源供电。在软件智能终端控制下，OBD智能模块采集相应的汽车数据，并通过4G-DTU远程传输模块把数据上传到软件智能终端，同时，操作者也可以在软件智能终端发布指令，指令通过4G-DTU远程传输模块下传到OBD智能模块，OBD智能模块再经过OBD接口与汽车内部系统进行通信，最终实现对汽车的控制。

2  汽车远程监控系统硬件设计

2.1  OBD智能模块

OBD智能模块是由OBD接头、STM32F103主控芯片，TJA1050 CAN接口模块，12 V转3.3 V电源模块等构成。OBD，简称车载诊断系统，主要用于监测汽车各电控系统工作状态信息。每一辆汽车驾驶室内都设有一个OBD接口，它是汽车内部电子系统和外部设备信息交互的唯一渠道[6，7]。OBD智能模块通过OBD接口可以连接到汽车内部电子系统的CAN通信网络。

STM32F103主控芯片是一款采用ARM Cortex—M3内核的高性能低功耗处理器，工作频率高达72 MHz，运行速度快，实时性强，还集成自带bxCAN控制器（Basic Extended CAN），TJA1050 CAN接口模塊提供（CAN）协议控制器和物理总线之间的信号转换[8]。STM32F103主控芯片通过TJA1050 CAN接口模块、OBD接口实现与汽车内部电子系统CAN通信网络进行信息交互，从而不需要破坏汽车原有结构就可以获取汽车数据和对汽车进行控制，有效避免了因为破坏汽车结构而导致汽车故障安全隐患，具有成本低，安全可靠，操作简单等优势。

车载OBD接口端还自带有汽车12 V电源输出端，配合12 V转3.3 V电源模块可以很方便地为OBD智能模块提供电源供给。

2.2  4G-DTU数据传输模块

目前物联网远程传输技术主要依赖4G移动通信网络以及云服务器平台技术，为了实现汽车和软件智能终端的远程组网，本系统采用了众山科技ZSD3410 4G DTU远程无线通信模块，如图2所示，该模块支持移动、联通、电信等几大运营商的4G信号接入，具有云透传功能，基于众山物联云平台，用户可以实现设备点对点组网，也可以基于物联云平台进行二次开发。4G-DTU远程无线通信模块采用串口通信方式获取数据，配合OBD智能模块主控芯STM32F103自带串口通信功能，简单快捷地实现从OBD智能模块获取采集的汽车数据，满足系统设计需要。

3  汽车远程监控系统软件设计

3.1  MATLAB GUI人机交互界面

为了实现汽车远程监控功能，基于MATLAB软件技术开发了软件智能终端。MATLAB 是一款具有强大数值运算、建模仿真、智能控制以及人机交互功能的计算机软件。MATLAB GUI模块是MATLAB的可视化交互工具，它为用户提供了多种控件，如按钮、复选框、菜单栏、文本框、多行文本等，在 MATLAB GUI工具箱中通过拖动方式将控件放置显示区域上开发人机交互智能终端，具有开发环境简单、操作方便等特点[9，10]。基于4G-DTU的汽车远程监控系统人机交互界面如图3所示。人机交互界面分为数据通信区和汽车远程监控区。

数据通信区具有串口通信参数设置、启动串口、保存数据等功能。当点击开始“打开串口”按键，MATLAB就启动串口通信功能，通过数据中断的方式实时接收4G-DTU远程无线通信模块上传的数据，并把数据显示在相关区域。当点击“保存数据”按键，串口接收的数据将以设定的数据格式保存到文本文档里面。

汽车数据监控区主要是提供发动机水温、转速、车速、蓄电池电压、汽车行驶总距离、汽车运行时间等信息监测。每一个信息监测都有一个相对应的功能按键，例如，当点击“发动机水温”按键，发动机水温信息就立刻显示在右边的文本框上。汽车数据监控区还提供汽车四门车窗的升降控制、汽车四门门锁的开关锁控制、雨刮器控制、雨刮器喷水控制、行李箱开关控制、灯光控制等功能。每一个控制功能都有一个相对应的独立控制按键，例如，当点击“开启雨刮器”按键，那么汽车雨刮器就会开始刮水工作，再点击一次按键，汽车雨刮器就会立刻停止工作。

3.2  汽车数据接收程序

汽车数据接收程序主要是用于接收通过4G-DUT模块传输过来的汽车数据信息。本文通过MATLAB的串口通信功能设计了汽车数据接收程序，程序流程如图4所示。在MATLAB GUT人机交互界面上设置串口端口号，串口通信参数，然后点击“打开串口”按键进入串口数据接收流程，MATLAB不断监测串口缓冲区的数据是否溢出，如果溢出，那么执行相应的程序读取缓存数据量并转存数据，完成后又回到缓冲区数据量的监控中。

3.3  汽车远程控制程序

汽车远程控制就是从软件智能终端发出指令，经过4G-DTU模块传输到OBD智能模块，OBD智能模块再通过OBD接口和汽车内部电子系统进行通信，给汽车内部电子系统传达控制指令执行相应的动作。在MATLAB软件智能终端的人机交互界面上点击相应的功能按钮，功能按钮调用相对应的回调函数，回调函数会执行相应的程序，每个汽车控制指令不一样，但执行流程是一样的，汽车远程控制程序流程如图5所示。

4  试验结果

我们以丰田卡罗拉为试验车型，开展汽车数据实时采集和远程控制试验。首先，如图6所示，通过参数配置程序软件设置4G-DUT模块串口通信参数以及在计算机端创建一个虚拟端口号：波特率为9 600，数据位为8，奇偶校验为N，停止位为1，虚拟端口号为COM3，系统串口通信环境构建完成。钥匙启动汽车，OBD智能模块和4G-DTU模块从OBD接口获取12 V电源并进入正常工作状态。启动MATLAB软件智能终端，配置串口通信参数，点击“打开串口”按键，至此，MATLAB软件智能终端开始实现和汽车的远程联网和数据交互。

在MATLAB软件智能终端人机交互界面点击“发动机水温”按键，软件智能终端通过虚拟串口端把“发动机水温”采集指令数据流“254 1 117 0 0 0 117 0 0 0 124 0 3 34 18 65 0 0 0 0 13 10”经过云平台服务器，4G移动通信网络，传输到4G-DTU模块，再通过串口传输给OBD智能模块，OBD智能模块获取“发动机水温”数据采集命令后，跟汽车内部电子系统进行通信并获取相应的发动机水温数据流“7C8 8 04 62 12 41 2E 00 00 00”，水温数据流又再通过4G-DTU模块原路返回上传到软件智能终端，在软件智能终端中提取数据流的温度数据成分第四个字节，即2E，2E是十六进制，转换成十进制为46，根据协议转成温度为46/2=23 ℃，发动机水温随着汽车的工作会不断升高，最终稳定在某个固定值。

在软件智能终端人机交互界面点击“开启雨刮器”按键，软件智能终端通过虚拟串口端口像发送采集数据指令一样，通过4G-DTU模块给OBD智能模块下达数据控制指令“254 1 117 128 0 0 117 128 0 0 117 00 64 5 48 28 0 8 0 0 13 10”，OBD智能模块跟汽车内部电子系统进行通信从而控制汽车打开雨刮器。在实车测试中，4G-DTU模块工作稳定，为数据采集和指令提供了可靠数据传输解决方案。

5  结  论

本文设计了一款基于4G-DTU的汽车远程监控系统，该系统经过实车验证，能够实时采集汽车数据和远程控制汽车，数据传输稳定可靠。该系统通过物联网数据传输技术实现汽车和外部智能终端的远程连接，实现汽车的网联化和智能化，为汽车产业升级发展提供了重要参考，符合当今汽车发展趋势。

参考文献：

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[5] 麦伟明.基于4G-DTU的用水信息管理系统 [J].自动化与信息工程，2020，41（3）：37-40.

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[8] 邓新宇.基于STM32F1的调幅信号处理电路系统设计研究 [J].现代信息科技，2019，3（20）：35-37.

[9] 常世杰，杜云明，田思庆.基于Matlab GUI的PID参数整定平台开发 [J].中国科技信息，2021（16）：91-92.

[10] 梁海波，黄万伟，李浩，等.基于MATLAB GUI的测试数据比对分析软件设计 [J].导弹与航天运载技术，2022（4）：56-61.

作者简介：陈少伟（1987.10—），男，汉族，广东广州人，讲师，工程师，硕士研究生，研究方向：机电液智能测控。