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智慧型行車紀錄與車輛診斷系統



Semi-Finals


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Project Paper - view as Preliminary(2010/07/21), Final(2010/11/01), Draft, Latest

1. 設計介紹 (Preliminary Paper)

本系統針對車輛駕駛者提供車輛診斷系統功能,透過3G/HSPA數據通訊方式與雲端伺服器連接,根據駕駛者需求可自行選擇不同的服務,雲端提供記錄服務將駕駛者於行車其間的行為資料儲存於雲端伺服器,雲端服務提供自主分析車輛的診斷錯誤碼,隨著駕駛者車輛不同,由雲端自主提供車輛維修廠事故車故障資訊,提高車廠維修時的便利與是否需要拖吊之服務,此外駕駛者可連線至雲端使用行為分析服務,針對駕駛者在開車期間的行為分析及事故鑑定時的參考依據,如( 1)

系統中使用Altera DE2多媒體開發板作為系統設計的核心,並在FPGA建置雙核心,其中一顆CPU為行車診斷系統所使用,由uClinux 2.6為主要作業系統,透過ELM327晶片連接OBD-II介面與車內控制器區域網路(CAN)結合,建構一個車輛診斷系統,駕駛者可透過配置於DE2上的4:3Touch LCD查詢車輛狀況,並將行車資訊顯示於LCD面板供駕駛者觀看行車資訊,如基本車速表、油量表、引擎轉速、大氣濃度、車輛故障碼等,而本系統的另一顆CPUNIOS II為核心,3G數據通訊方面本系統採用Band Luxe R250,並透過3G方式將行車資訊傳回至雲端伺服器儲存與處理,雲端伺服器由Microsoft Windows Server 2008 R2所架設,透過Hyper-V虛擬化服務,將不同服務分別由不同的伺服器儲存與處理,大幅降低伺服器架設的經費,透過雲端可立即提供駕駛者車輛故障處理方式與提供維修廠前去維修或拖吊業者事故車況相關資訊,此外駕駛者可針對不同時段進行不同的行為分析,了解駕駛的身體狀況。

除此之外,本系統提供跨平台及非常友善的人機介面,讓使用者可以很方便透過網頁瀏覽的方式,即時遠端查詢包括行車電腦、目前汽車所在位置與地圖以及車輛故障資訊。同時透過收集個別汽車回傳的資訊整合在雲端伺服器中,並可同時監控多台車輛狀況的車隊監控系統。

 

1. 系統示意圖

(Revision: 4 / 2010-09-15 22:51:04)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

為了達到可以連結車內網路、行車無線通訊網路與增加系統彈性,本系統採用Altera 的嵌入式處理器NIOS II為系統核心,除了可以彈性調整需要的介面,同時適合系統開發初期的使用。系統主要是提供駕駛人與遠端監控電腦可以即時監控與查詢車輛目前位置與行車資訊,同時透過開發板上的開關來選擇需要查詢的行車資訊,並可以即時顯示在文字型液晶顯示器上。另外,當車輛發生故障時本系統會將行車故障碼顯示於七段顯示器上,並將故障訊息顯示於文字型液晶顯示器面板供駕駛者或維修車廠參考等。

為了達到上述功能,本系統的設計方塊圖如圖2所示,本系統採用友晶科技開發的DE2多媒體開發板作為基礎,透過整合開發板上文字型液晶顯示器、七段顯示器、DM9000的網路晶片、按鈕、指撥開關及ISP1362 USB HOST驅動晶片。

為了增加系統的移植性,本系統將系統移植到uClinux作業系統,除了可以整合作業系統中網路通訊與驅動程式架構之外,可以利用多元的應用程式將可以降低系統開發時的時間。過去很多文章說明如何將DE2開發板設計移植到uClinux系統,本系統必須移植文字型液晶顯示器、七段顯示器、按鈕、指撥開關及USB-ELM327的驅動程式,同時針對全球衛星定位系統接收封包擷取與解碼、ODB-II程式的通訊程式的開發、網頁伺服器的移植(BOA WebServer)以及通用閘道介面(Common Gateway Interface, CGI)與其他子系統傳送與接收控制訊號,並將行車資訊統整後顯示於網頁與文字型液晶顯示器的應用程式。

除此之外,行車通訊部分,本系統採用DE2DM9000晶片,並連接3G/HSPA數據網路並搭配Bandluxe R250 HSPA Router 通訊模組分享器進行行車網路的即時通訊,透過3G SIM卡來進行對外的行車通訊,並將資料儲存在伺服器主機做紀錄與未來駕駛者行車分析之用。

2. 系統方塊圖

(Revision: 6 / 2010-09-16 00:30:21)

3. 效能參數 (Final Project Paper)

本系統成功的開發出一套可以透過3G數據通訊整合一個介面可以遠端監控汽車動態資訊,包括行車電腦中的相關數據、衛星定位地圖以及汽車故障碼等資訊,並設計以下方便的功能與友善的人機介面。

Ø 車隊管理,提供業餘同好或公司車隊狀況的監控與管理。

Ø 跨平台方便的人機介面,直接透過網頁就可以使用。

Ø 提供車輛故障時緊急援助與通報。

Ø 提供車輛事故發生的行車資料。

Ø 不同的汽車電腦,透過標準ODB-II介面很容易移植與開發更完備的軟體與服務。

3. 系統實際架設於車內

本系統是透過TOYOTA WishODB-II作實際量測,並可成功的量測到相關的訊號,並以3G數據通訊方式儲存至遠端伺服器中。透過行動通訊能力的提升,將隨時車輛即時資訊的儲存,提供駕駛人行為分析、車輛健康診斷、道路救援與車隊管理服務。 3中是本系統遠端監控與故障診斷的行車資訊系統的實際畫面,此系統可以使用蓄電池,也可以透過車內點煙器外接9V變壓器連接。

系統中白色HSPA Router 採用Bandluxe R250,可以將3G SIM卡安置在HSPA Router,透過3G數據通訊方式進行行車通訊的介面,ELM-327 USB介面則透過USBAltera DE2開發板連接,另一頭則接到車子儀表板下方的ODB-II接頭中,其中透過開發板地端的18組指撥開關控制,透過開關選擇要顯示的行車資訊,系統便會輪詢的顯示於LCD上,當車輛發生故障時會將車輛故障碼顯示於七段顯示器中,並將故障訊息進行解碼,將故障資訊顯示於開發板的LCD上。

4. 讀取行車電腦中的相關數據

本系統提供一個跨平台及非常友善的人機介面,即時透過網路將行車電腦中的相關數據、衛星定位座標等的訊息透過無線通訊傳遞給使用者監控,同時也可以將資訊傳遞至遠端伺服器中儲存。除了可以紀錄行車資訊,同時當汽車行駛中發生故障時也可以直接點選液晶螢幕中的選項查詢故障車輛的故障狀況與原因如 4

5 . 遠端連線至車內網路監控畫面

除此之外,透過遠端可上網電腦,也可以直接透過網頁瀏覽器連接到車上3G SIM卡的HSPA Router IP位址,也能監控車輛的狀態與座標,未避免網路流量太大影響傳輸品質與造成功率消耗擴大,如 5直接連接到的網頁僅顯示GPS座標,並無透過Google Map的圖形畫面顯示汽車位置,其連線畫面如所示,左方顯示的是目前行車即時視訊畫面,右側則是汽車相關的資訊,汽車位置則透過文字方式顯示GPS座標。

本系統提供跨平台方便的人機介面,直接透過網頁就可以使用,只要夠過可以瀏覽網頁的行動裝置或電腦都可以輕易的讀取車輛即時的資訊,如 6是透過智慧型手機觀看行車資訊系統。

6. 透過智慧手機連線的畫面

除此之外,遠端監控者可透過網際網路連接至伺服端觀看車輛之行車即時資訊如 7所示,可以透過圖形方式呈現監控的資訊,提供較佳的人機介面。

7. 伺服端監控畫面

透過本系統之研製提供車隊管理系統,提供業餘同好或公司車隊狀況的監控與管理如 8,監控各台車輛的健康狀況與座標位置。

8. 車隊管理畫面

(Revision: 5 / 2010-09-16 00:46:38)

4. 設計架構 (Preliminary Paper)

由於Altera DE1開發板並無USB HOST及網路功能,所以本系統的主要控制系統改採用Altera DE2開發板為系統的核心,且此開發板邏輯單元數量較多,適合運用在雙核心系統上,系統中主要透過uClinux當作整個診斷系統的核心

本系統方塊圖主要分成二個子系統:(A)行車診斷系統、(B)雲端伺服器主機。

A.行車診斷系統

行車診斷系統透過uClinux,將進行行車診診斷系統運作,如( 9)透過OBD-II與車內控制器區域網路(CAN)結合,建構一個車輛診斷系統,其中使用OBD-II (ELM-327) USB介面與行車內行車電腦(CAN)進行溝通,在此開發板架設Http Web Server的網頁伺服器以及通用閘道介面(Common Gateway Interface, CGI)與系統其他子系統傳送控制訊號,將行車資訊統整後顯示於網頁與LCD上,供駕駛人與遠端監控電腦觀看與查詢之用,透過LCD觸控式面板控制查詢行車資訊與接收雲端服務之訊息,使用RJ45連接3G/HSPA Router連接3G數據網路,將行車資訊傳送出去。

9. 行車診斷系統架構圖

 

B.雲端伺服器

本系統的雲端伺服器主要以Windows Server 2008 R2為主系統,如(圖 10)使用Hyper-V建構出不同的伺服器來提供服務,其中系統內的Hyper-V需要內建硬體配備需有支援Intel-VTAMD-V技術的處理器。傳統的雲端伺服器連結是透過多台強大的伺服器主機,使用最快速的網路與最大的頻寬,經過簡易的安全性辨識後再顯示於使用者電腦上。但這樣的雲端伺服器在設計上,往往會有軟體連線效能不佳或伺服器硬體成本過高等問題。伺服器虛擬化的構想在本系統中不僅只是為了節省架設伺服器硬體高成本支出,也考慮到硬體的可用性,因此在硬體配備中採用高階儲存技術RAID 5的磁碟陣列,提高系統內硬碟的處理速度,Hyper-V「是新一代的hypervisor虛擬化平台,不僅與作業系統相互整合,更能動態加入實體與虛擬資源」,Hyper-V的主要元件有三個部分:hypervisor、虛擬化堆疊、新的虛擬I/O模型。這三大部分相互運作,hypervisor的基本角色是在每個虛擬執行個體建立不同的分割區,虛擬化堆疊和I/O元件則可與Windows以及所建立的各個分割區互動, 虛擬出來的VM(Virtual machine)內的CPU主要是根據主硬體的CPU數量而定,透過系統中的動態資源排程將充分的利用CPU運算功能,將系統資源分給需求較高的VM上,透過雲端伺服器的服務可以進行車輛動態資料分系,提供汽車廠商足夠的數據判斷車輛的問題,與足夠的實際駕駛的數據進行討論與改良車輛,進而提供未來購車的駕駛者熟悉預購買的車輛優點與缺點,此外透過雲端服務進行市場調查,了解各地的居民對於,不同的地區所需的車種有所不同,供給廠商在進行推銷時限進行市場評估,哪些車種在哪些區域會有較高的需求。

10. 伺服器主機架構示意圖

 

(Revision: 14 / 2010-09-16 00:50:37)

5. 設計方法 (Final Project Paper)

嵌入式開發板為了降低系統的電源消耗,本系統採用Linux電源管理與記憶體管理的機制可以大幅提高系統運作速度與降低系統耗電的需求,並採用通用異步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter , UART)介面接收來自於衛星定位系統的訊號進行汽車定位,透過採用HSPA Router 通訊模組進行行車通訊的介面,並透過ELM-327 USB介面跟汽車電腦進行溝通。

系統中的遠端監控與故障診斷的行車資訊系統則分成幾個子系統分別進行,其中包括:汽車行車紀錄系統、車上診斷系統、行車通訊系統與遠端監控系統四個子系統。汽車行車紀錄系統紀錄跟行車資訊相關的資訊,例如:車速、引擎轉速、冷卻系統溫度等等;車上診斷系統判斷汽車故障的狀況;行車通訊系統主要偵測車輛對外通訊狀況,並作為車輛與外界傳輸相關資訊的媒介;遠端監控系統則負責提供一個互動式、跨平台及友善的人機介面,讓外界查詢車輛目前狀況。

1.1行車通訊系統

對於行動通訊介面,由於Wi-MAX目前尚未普及,本系統採用HSPA Router 通訊模組,由於此介面仍屬3G SIM撥接性質,在建立通訊時取得IP地址是浮動的;即是每次都可能不相同。因此,於系統中增加動態DNS自動紀錄目前IP位址的機制,並透過3G數據網路與伺服器主機,將更新的IP位址紀錄在伺服器中,其示意圖如 11所示。

11. 行車通訊系統連線流程

1.2遠端監控系統

本系統將對外提供遠端連線監控都先連到伺服器網頁後,根據點選模式及車輛,系統將會將網頁轉到車輛上,此種設計主要為了降低汽車通訊的流量,行車資訊、車輛故障碼以及GPS座標都是透過文字格式傳給伺服器主機,伺服器網頁將會透過收到的GPS座標透過Google Map API的服務,及一些圖形介面提供給使用者較友善了畫面,同時對於帳號認證相關的管理也在伺服器端端進行,遠端監控系統連線流程如 12

12. 遠端網頁監控網頁連線流程

此種設計將可以使資料傳送有較穩定的頻寬,同時可以降低遠端監控與故障診斷的行車資訊系統的流量與功耗。

1.3車上診斷系統

ODB-II 提供9種功能,第一種是顯示目前資料(show current data),可以透過AT指令送出「01」查詢目前資料,送出「0110」則可以查詢進氣空氣流率,回傳兩個位元組(bytes),透過((A*256)+B)/100可以計算目前進氣空氣流率,其中AB分別是回傳的兩個位元組如 13

13. OBD-II掃描行車資訊流程圖

並可透過AT指令送出「03」查詢目前車輛的故障碼(Trouble Codes),查出故障碼的原因。系統將透過資料表查詢建構故障碼的實際原因。同時當解決故障後也可以透過AT指令送出「04」清除故障碼

系統中透過輪詢(polling)方式,將AT指令與讀取汽車支援的參數傳送至行車電腦,然後透過3G數據網路將資料傳回到伺服器儲存,除了在行車紀錄器中儲存,亦可透過網頁瀏覽方式進行查詢。

1.4汽車行車紀錄系統

本系統採用嵌入式開發板的量身訂做特性,將開發版設計與行車資訊來結合,將行車電腦中的相關數據、衛星定位座標等的訊息,將歷史的行車資訊保存,並藉此提供查詢服務,以利系統策略的推斷並提供更詳盡的故障排除服務等。

透過伺服主機的資源,可對儲存的資料進行些許分類,分類出的數據資料。並根據上述資料提供於提升維修服務的品質與及早發現瑕疵等改善,此外並可透過對使用車輛與該地區資料來進行資料探勘的模式,讓供貨商做為市場調查的依據並藉此提供駕駛購車的依據參考。

除此之外,透過遠端可上網電腦,也可以直接透過網頁瀏覽器連接到車上3G HSPA RouterIP位址,使用遠端監控系統,透過遠端監控系統的CGI介面,供使用者查詢,當監控車輛的狀態與座標時,未避免網路流量太大影響傳輸品質與造成功率消耗擴大,直接連接到的網頁僅顯示GPS座標,並無透過Google Map的圖形畫面顯示汽車位置,相關數據則透過文字方式顯示GPS座標。

(Revision: 6 / 2010-09-16 01:09:13)

6. 設計特點 (Preliminary Paper)

 本系統將提供一個跨平台及非常友善的人機介面,透過3G/HSPA數據網路與雲端伺服器進行連結。並將行車中的相關資訊如衛星定位座標、車輛狀況等資訊傳至雲端伺服器並儲存做紀錄。當汽車發生故障時,使用者可透過本系統直接點選液晶螢幕來查詢故障原因。此外雲端服務提供自主分析車輛的診斷錯誤碼。不同的故障車輛將由雲端自主提供故障資訊給維修廠商,大大提升了維修廠商的便利性與維修效率。

利用Altera DE2開發板豐富的多媒體應用、儲存及網路應用介面等多項優點。本系統雲端透過Hyper-V虛擬化服務進行設計。以往傳統的雲端伺服器連結須架設多台強大的伺服器主機,使用最快速的網路與最大的頻寬,經過簡易的安全性辨識後再顯示於使用者電腦上。但這樣的雲端伺服器在設計上,往往會有軟體連線效能不佳或伺服器硬體成本過高等問題。伺服器虛擬化不僅節省了硬體上高成本的支出,也考慮到硬體配備中採用高階儲存技術RAID 5的磁碟陣列,提高系統內硬碟的處理速度。

Hyper-V「是新一代的hypervisor虛擬化平台,不僅與作業系統相互整合,更能動態加入實體與虛擬資源」,Hyper-V的主要元件有三個部分:hypervisor、虛擬化堆疊、新的虛擬I/O模型。這三大部分相互運作,hypervisor的基本角色是在每個虛擬執行個體建立不同的分割區,虛擬化堆疊和I/O元件則可與Windows以及所建立的各個分割區互動, 虛擬出來的VM(Virtual machine)內的CPU主要是根據主硬體的CPU數量而定,透過系統中的動態資源排程將充分的利用CPU運算功能,將系統資源分給需求較高的VM上,透過雲端伺服器的服務可以進行車輛動態資料分析,提供汽車廠商足夠的數據判斷車輛的問題,與足夠的實際駕駛的數據進行討論與改良車輛,進而提供未來購車的駕駛者熟悉預購買的車輛優點與缺點,此外透過雲端服務進行市場調查,了解各地的居民對於,不同的地區所需的車種有所不同,供給廠商在進行推銷時限進行市場評估,哪些車種在哪些區域會有較高的需求。

(Revision: 2 / 2010-09-16 00:25:09)

7. 總結 (Final Project Paper)

本系統成功以Altera DE2嵌入式開發出一套多功能遠端監控與故障診斷的行車資訊系統,系統中提供一個跨平台及非常友善的人機介面,即時透過3G數據網路將行車電腦中的相關數據、衛星定位座標等的訊息遞給雲端伺服器進行儲存與紀錄。除了可以紀錄行車資訊,同時當汽車行駛中發生故障時也可以直接點選液晶螢幕中的選項查詢故障車輛的故障狀況與原因。

此外架設一個可遠端監控行車資訊的線上即時資訊系統,透過本系統可以即時將行車電腦中的相關數據、衛星定位座標等的訊息以無線通訊傳遞給使用者監控觀看與查詢;同時也將資訊傳遞至遠端伺服器中儲存,遠端監控者可透過遠端伺服器了解目前行車資訊與位置,且輔助遠端(:車廠技術人員或相關人員)了解該車的行車資訊,以做車輛故障維修判斷的依據,方便給予正確的協助。

(Revision: 2 / 2010-09-16 00:25:44)