基于OBDII接口的車輛行駛信息采集系統(tǒng)10-11

1、基于OBDII接口的車輛行駛信息采集系統(tǒng)盧賢貫, 任條娟, 陳鵬, 陳俊潔, 張杰堂, 陳友榮（浙江樹人大學(xué) 信息科技學(xué)院，浙江 杭州 310015）摘要:為了實(shí)時(shí)采集車輛行駛過程的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種基于OBDII接口的車輛行駛信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括車輛、車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件組成。采集節(jié)點(diǎn)通過OBDII接口與車輛進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集車輛行駛過程中的當(dāng)前時(shí)刻、節(jié)點(diǎn)號(hào)、車速、轉(zhuǎn)速、油耗、經(jīng)度、緯度、水溫、故障碼等狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。上位機(jī)接收車輛狀態(tài)信息，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中并在界面上顯示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和顯示車輛行駛信息。具有一定的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞

2、：智能交通；車輛行駛信息；信息采集；OBDII接口;Vehicle Driving Information Gathering System Based on OBDII InterfaceLu Xianguan, Ren Tiaojuan, Chen Peng, Chen Junjie, Zhang Jietang, Chen Yourong(College of Information Science and Technology, Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, China)Abstract: To real-timely gat

3、her related state data in the vehicle driving process, a vehicle driving information gathering system based on OBDII interface is designed. The system includes vehicle, gathering node of vehicle driving information and host computer software. Gathering node communicates with the vehicle through OBDI

4、I interface, real-timely gathers the current time, node number, vehicle speed, rotational speed, fuel consumption, longitude, latitude, water temperature, fault codes and other state data in the vehicle driving process, and forwards the data to host computer via serial port. Host computer receives v

5、ehicle status information, stores in the database and displays on the screen. Experimental tests show that the system can real-timely gather, store and display the vehicle driving information. It has a certain value.Keywords: intelligent transportation; vehicle driving information; information gathe

6、ring; OBDII interface;0 引言基金項(xiàng)目：2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201411842005）, 浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13F010013)，浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33028, 2014C33108 )。作者簡(jiǎn)介：盧賢貫(1995-)，男（漢），浙江溫州，浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院電子信息工程專業(yè)131班，本科生，主要研究方向：車聯(lián)網(wǎng)。指導(dǎo)教師：任條娟，陳友榮交通是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是社會(huì)發(fā)展和人民生活水平提高的基本條件。交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)達(dá)程度是衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市交通尤其問題突出，嚴(yán)重影響城

7、市健康發(fā)展。道路交通堵塞、擁擠、事故頻發(fā)等現(xiàn)象顯得越來越頻繁，道路交通已成為城市發(fā)展的“瓶頸”。 交通運(yùn)輸所帶來的交通擁堵，交通事故等負(fù)面效應(yīng)也日益突出，逐步成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的全球性共同問題。因此國(guó)家大力推進(jìn)智慧城市的建設(shè)，努力發(fā)展智能交通領(lǐng)域，提高人們生活水平。但是僅僅依靠單純的交通管理仍無法有效地杜絕交通事故的發(fā)生。為了解決以上問題設(shè)計(jì)了一種基于OBDII接口的車輛行駛信息采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過車輛的OBDII接口讀取車輛的行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、故障信息等行駛信息，并在基于Labview軟件的上位機(jī)程序上顯示這些信息，從而為交通事故的預(yù)防提供數(shù)據(jù)支持1。1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

8、1車輛行駛信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，基于OBDII接口的車輛行駛信息采集系統(tǒng)主要包括車輛、車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件。車輛通過自身的OBDII接口接收車輛狀態(tài)的查詢信息，并發(fā)送對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息2；采集節(jié)點(diǎn)通過OBDII接口發(fā)送車輛狀態(tài)的查詢信息，接收對(duì)應(yīng)的車輛狀態(tài)信息，進(jìn)行進(jìn)一步處理后在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示，并將采集的數(shù)據(jù)通過串口模塊發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收并通過底層采集的信息后，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并在界面上顯示。1.1車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案 圖2車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)主要由北斗定位模塊、單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、ELM327模塊、串口接口、觸摸

9、屏模塊組成。其中，ELM327模塊通過CAN總線或K總線實(shí)時(shí)采集車輛行駛過程中的車速、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、故障信息等信息；藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)ELM327模塊和單片機(jī)模塊的通信；北斗定位模塊實(shí)時(shí)定位車輛的地理坐標(biāo)信息；串口接口實(shí)現(xiàn)車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通信；觸摸屏模塊實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的顯示；單片機(jī)模塊是車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)的處理核心，對(duì)藍(lán)牙模塊采集到的車輛行駛信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和顯示2。1.2上位機(jī)服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案圖3上軟件實(shí)現(xiàn)方案上位機(jī)軟件采用Labview與Microsoft SQL Server作為開發(fā)工具。如圖3所示，上位機(jī)軟件通過串口與車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采

10、集、數(shù)據(jù)頭判斷、數(shù)據(jù)位判斷、數(shù)據(jù)截取等功能，并連接數(shù)據(jù)庫，將采集到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示兩種模式3。其中歷史數(shù)據(jù)顯示通過數(shù)據(jù)庫連接、表格選擇和建立電子報(bào)表，輸出Excel表格。2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括相關(guān)元器件、芯片和模塊的選型，以及主控電路板的原理圖介紹。2.1 硬件設(shè)備的選型如圖2所示，車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)主要由藍(lán)牙模塊、單片機(jī)模塊、ELM327模塊、北斗模塊、3.2寸TFT彩屏顯示模塊和電源模塊組成。其中，由于STC15L2K60S2單片機(jī)芯片具有60K字節(jié)Flash程序存儲(chǔ)器且具有雙串口功能，能獨(dú)立處理兩個(gè)獨(dú)立串口通信，能夠存儲(chǔ)觸摸屏

11、的大量驅(qū)動(dòng)程序和滿足信息處理終端節(jié)點(diǎn)的功能要求，因此單片機(jī)選用STC15L2K60S2芯片4。ELM327是目前最新基于藍(lán)牙的OBDII通用型汽車診斷檢測(cè)工具，支持所有OBDII協(xié)議，可以對(duì)車輛行駛過程中的車速、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、故障信息等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。3.2寸TFT彩屏顯示屏模塊選用型號(hào)為SPC-S95160的3.2寸電阻式觸摸液晶屏，可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及自定圖片。 以上便是本系統(tǒng)中車輛信息采集節(jié)點(diǎn)硬件選型的介紹。2.2 藍(lán)牙模塊的接口電路圖4 藍(lán)牙模塊電路圖藍(lán)牙模塊選用HC-05主從一體藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊設(shè)置為主模式，自動(dòng)搜索和連接從設(shè)備ELM327模塊。圖4 是藍(lán)牙模塊

12、的接口電路。藍(lán)牙通過TXD, RXD與單片機(jī)進(jìn)行通信。藍(lán)牙模塊可實(shí)現(xiàn)ELM327模塊與單片機(jī)的相互通信。2.3觸摸屏模塊圖5是觸摸屏電路圖。觸摸屏D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9, D10, D11, D12, D13, D14數(shù)據(jù)接口分別與單片機(jī)相連，RESET為復(fù)位信號(hào)，CS, WR, TP_SO,TP_SI, RS, RD, TP_IRQ, TP_SCK, TP_CS等液晶控制管腳與單片機(jī)控制管腳相連。通過對(duì)觸摸屏觸摸來觸發(fā)控制信號(hào)使單片機(jī)發(fā)送不同指令采集車輛信息5。圖5 觸摸屏電路2.4 ELM327模塊 圖6 ELM327支持的OBDII協(xié)

13、議如圖6所示，ELM327模塊支持所有OBDII協(xié)議，并且還可以進(jìn)行自動(dòng)協(xié)議選擇。串口協(xié)議支持RS232協(xié)議，其波特率可設(shè)為9600或者38400。ELM327模塊通過CAN總線或K總線實(shí)時(shí)采集車輛行駛過程的車輛數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括引擎每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM）、計(jì)算后的負(fù)荷值、冷卻液溫度、燃料系統(tǒng)狀態(tài)、車速、短期燃料情況、長(zhǎng)期燃料情況、進(jìn)氣歧管壓力、噴油提前時(shí)間、進(jìn)氣溫度、空氣氣流速度、節(jié)流閥絕對(duì)位置、燃料系統(tǒng)狀態(tài)、燃料壓力、燃油消耗量監(jiān)測(cè)等內(nèi)容，而且由于各個(gè)廠商標(biāo)準(zhǔn)不一，不同車型的采集內(nèi)容會(huì)有所不同。2.5 北斗模塊北斗模塊主控芯片采用u-blox M8, 能夠同時(shí)獲取和跟蹤不同的 GNSS（全球?qū)Ш?/p>

14、衛(wèi)星）系統(tǒng)?？山邮誃eiDou，也可并行接收 GPS（QZSS） 和 GLONASS或 GLONASS 和 BeiDou。該模塊專門適應(yīng)于即使在 GPS 信號(hào)差的環(huán)境下（尤其是城市峽谷）都需要最高的可用性和準(zhǔn)確性的高性能應(yīng)用。由于 GPS/SBAS 操作在晴空郊外條件下就可達(dá)到最佳定位，M8 平臺(tái)還配備了內(nèi)置的智能自動(dòng)切換功能，可根據(jù) GNSS 衛(wèi)星的可見性和可靠性，自動(dòng)切換到單一 GNSS 操作模式。3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)之間的通信，需要考慮通信數(shù)據(jù)的格式，具體數(shù)據(jù)格式如下3.1數(shù)據(jù)指令格式表1 數(shù)據(jù)包格式HeadLengthAddre

15、ssSignDataReserved各個(gè)填充區(qū)詳細(xì)說明如下表2所示。表2 各個(gè)填充區(qū)說明名稱長(zhǎng)度功能Head2-Byte包頭 (0x31,0x35)Length2-Byte包長(zhǎng)區(qū)(Head+Length+Address+Sign+Data+Reserved)的總長(zhǎng)Address7-Byte地址區(qū)Sign1-Byte標(biāo)識(shí)位Data2-8Byte數(shù)據(jù)區(qū)Reserved1-7Byte保留區(qū)（填充0x00）3.2車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括接口初始化、界面顯示部分、數(shù)據(jù)接收處理部分和數(shù)據(jù)發(fā)送部分。其中，界面顯示部分包括顯示中文字符、英文字符、圖片和切換界面；數(shù)據(jù)

16、接收處理部分包括串口中斷接收判斷和指令處理；數(shù)據(jù)發(fā)送部分包括控制指令數(shù)據(jù)的發(fā)送6。 如圖7所示，首先程序初始化液晶屏、串口和一些相關(guān)參數(shù)，屏幕顯示主頁面。等待觸摸信號(hào)A、B、C、D分別是進(jìn)入四個(gè)子界面的控制信號(hào)，若觸摸信號(hào)是其中一個(gè)，則進(jìn)入子界面，否則停留在主界面。進(jìn)入子界面，可切換回主界面，若子界面有被控設(shè)備，則根據(jù)不同觸摸信號(hào)發(fā)送LED燈和電控鎖的控制指令。接著，通過串口接收中斷，接收車輛狀態(tài)信息存儲(chǔ)在相關(guān)數(shù)組中，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后顯示，在顯示完畢后通過第二串口將數(shù)據(jù)發(fā)送出來7。如子界面只有車輛行駛信息界面，則采集節(jié)點(diǎn)直接通過串口接收中斷數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理后顯示最新數(shù)據(jù)8。圖7 采集節(jié)

17、點(diǎn)程序流程圖3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)Microsoft SQL Server使用集成的商業(yè)智能工具提供了企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)管理。LabVIEW集成了滿足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，并且LabVIEW提供接口連接SQL Server完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或分析。因此本系統(tǒng)采用LabVIEW 2013、SQL Server 2012作為開發(fā)工具9。3.3.1 SQL Server表格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用了SQL Server數(shù)據(jù)庫，除了用戶登錄相關(guān)的表之外還有兩張關(guān)鍵的表即車輛信息表

18、和車輛行駛數(shù)據(jù)表，描述如下：表3 車輛信息表設(shè)計(jì)字段名類型長(zhǎng)度主鍵/外鍵字段值約束備注節(jié)點(diǎn)號(hào)VARCHAR4節(jié)點(diǎn)地址車輛識(shí)別碼VARCHAR17車輛識(shí)別車牌(車型)VARCHAR10車輛身份車輛行駛數(shù)據(jù)表與車輛信息表類似，主要包含當(dāng)前時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)號(hào)，車速km/h，轉(zhuǎn)速rpm，油耗，經(jīng)度，緯度，水溫，故障碼等內(nèi)容。3.3.2 通信協(xié)議 圖8 LabVIEW 串口通信協(xié)議如圖8所示，LabVIEW自帶函數(shù)庫中有本系統(tǒng)需要的串口通信。通過選擇相應(yīng)的函數(shù)串連完成數(shù)據(jù)通信。過程中需要設(shè)定端口、延時(shí)、輸入變量等參數(shù)以此應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境。3.3.2 LabVIEW與SQL Server連接LabVIEW工具Cr

19、eat Data Link建立udl與SQL Server連接，首先選擇Microsoft OLE DB Provider for SQL Server驅(qū)動(dòng)，其次選擇服務(wù)器（一般多為本地SQL Server服務(wù)器），然后填寫登錄SQL Server服務(wù)器的用戶名和密碼（確保所填用戶名具有系統(tǒng)所需操作的權(quán)限），之后選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，最后設(shè)定連接超時(shí)，保存udl文件。Udl文件用于NI公司為L(zhǎng)abVIEW提供的Database插件，選擇打開數(shù)據(jù)庫連接，之后便可以對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、查看、查詢等操作。最后為了盡量減少消耗系統(tǒng)資源，每次執(zhí)行完操作都需要將數(shù)據(jù)庫連接關(guān)閉。4 系統(tǒng)實(shí)物效果和測(cè)試根據(jù)

20、系統(tǒng)方案的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案，繪制出系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的原理圖，制作和焊接PCB電路板，最終完成車輛行駛信息采集節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)軟件的實(shí)物及軟件設(shè)計(jì)。以下主要給出采集節(jié)點(diǎn)的實(shí)物效果和上位機(jī)軟件界面。4.1 采集節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示，液晶屏上顯示主界面，主界面有四個(gè)子界面的圖片，點(diǎn)擊上面的圖片選項(xiàng)可以選擇進(jìn)入車輛信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)，故障檢測(cè)，系統(tǒng)設(shè)置四個(gè)子界面。中間為觸摸屏控制主板與觸摸屏，觸摸屏屏的右邊為ELM327模塊，右上角連接為藍(lán)牙模塊，左邊為北斗衛(wèi)星定位模塊。4.2子界面實(shí)物圖如圖10所示，a車輛信息編號(hào)界面，顯示車輛編號(hào)級(jí)車輛編碼，b為車輛實(shí)時(shí)信息界面，顯示車輛運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)信息。c

21、為故障選擇界面，通過判斷故障碼可以知道車輛的故障信息。d是系統(tǒng)設(shè)置界面，通過此界面可以選擇車輛信息的采集協(xié)議，點(diǎn)擊相應(yīng)的功能文字可選擇進(jìn)行相應(yīng)操作。 （a）車輛信息界面 （b）實(shí)時(shí)信息界面 （c）故障檢測(cè)界面 （d）系統(tǒng)設(shè)置圖10 各個(gè)界面顯示界面效果圖4.3上位機(jī)界面圖打開系統(tǒng)，出現(xiàn)登錄界面，如圖11所示：圖11 上位機(jī)登陸界面（里面文字看不清楚）輸入用戶名密碼，點(diǎn)擊【登錄】進(jìn)入系統(tǒng)，跳轉(zhuǎn)至主界面。圖12 系統(tǒng)選擇界面如圖12所示，系統(tǒng)選擇界面有5個(gè)候選項(xiàng)，分別為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、導(dǎo)出電子表格、車牌查詢、車輛注冊(cè)。選擇串口通信、TCP通信或車輛注冊(cè)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選擇車牌查詢。電子報(bào)表只能對(duì)數(shù)據(jù)庫中存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。圖13 串口通信方式如圖13所示，選擇串口通信方式進(jìn)入此界面。選擇端口，配置波特率建立串口通信，可自動(dòng)采集車輛行駛信息。同時(shí)顯示車速、轉(zhuǎn)速、油耗、冷卻液溫度等實(shí)時(shí)車輛數(shù)據(jù)。通過選擇上方的選項(xiàng)還可以使用上位機(jī)軟件的其他功能。圖14 采集數(shù)據(jù)的表格顯示如圖14所示，本界面無需用戶操作，可以實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、節(jié)點(diǎn)號(hào)、車速km/h、轉(zhuǎn)速rpm、油耗、經(jīng)度、緯度、水溫、故障碼等車輛行駛信息，所有新增的數(shù)據(jù)會(huì)在行首插入，同時(shí)支持鼠標(biāo)滾輪滾動(dòng)。圖15 Excel表 如圖15所示，上位機(jī)接收到串口數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示之后，歷史數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行