基于OBD模式的车联网的研究.docx
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基于OBD模式的车联网的研究
摘要
对于中国提出的“中国制造2025”概念，到现在的智能制造在悄然的改变着各行各业，给汽车技术及行业的发展带来了一个全新的机遇和挑战。
如今互联网发展进程加快，还有移动互联网的发展，对于当今提出的车联网和智能汽车，这将会是值得研究的方向，而且还会是汽车行业未来一个值得研究的新兴方向。
本文通过查阅大量的文献以及结合自己工作来完成。
本文先介绍了OBD（On-BoardDiagnostic）车载诊断系统的发展历史及通信协议标准的分析，详细的介绍了OBD设备的安装与调试，云端运营服务平台的搭建，重点研究了在汽车上安装OBD系统而实现的车联网系统。
给汽车安装OBD车载诊断系统作为了车与网络的桥梁，汽车业内人士将会广泛的加以关注。
该系统设备采集汽车的ECU数据、移动终端（如智能手机APP）作为人机界面，如果需要还可以在OBD系统里集成GPS模块，用此模块获取汽车经纬度数据信息。
然后通过移动通信网络将汽车数据传回到车联网云端服务中心，把车辆状况等数据信息显示在手机或云端上，用户可以随时掌握车辆的状态信息，实现了汽车数据的可视化。
从而能够更好地掌握车辆信息，为人们提供便捷、安全、舒适的外出服务保障。
关键词:
OBD车载诊断系统车联网云端服务中心桥梁
Abstract
ForChina's"MadeinChina2025"concept,tothepresentsmartmanufacturingquietlychangingallwalksoflife,totheautomotiveindustryhasbroughtanewopportunityandchallenges.NowtheInternetdevelopmentprocessisaccelerating,aswellasthedevelopmentofmobileInternet,fortoday'scarnetworkingandsmartcars,whichwillbeworthyofresearchdirection,butalsothefutureoftheautomotiveindustryworthyofanewdirectionworthyofstudy.
Thisarticlebyreadingalotofliteratureandcombinedwiththeirworktocomplete.ThispaperintroducesthedevelopmenthistoryandcommunicationprotocolstandardofOBD（On-BoardDiagnostic）vehiclediagnosticsystem.ItintroducestheinstallationanddebuggingofOBDequipmentandtheconstructionofcloudoperationserviceplatform.ItfocusesontheinstallationofOBDsystemOfthecarnetworksystem.TothecartoinstallOBDvehiclediagnosticsystemasabridgebetweenthecarandthenetwork,theautomotiveindustrywillbeawiderangeofattention.Thesystemequipmenttocollectthecar'sECUdata,mobileterminals（suchassmartphonesAPP）asaman-machineinterface,ifnecessary,canalsobeintegratedintheOBDsystemGPSmodule,usethismoduletoobtaincarlatitudeandlongitudedata.Andthenthroughthemobilecommunicationnetworktothecardatabacktothecarnetworkcloudservicecenter,thevehiclestatusandotherdatainformationdisplayedinthephoneorcloud,theusercanalwaysgraspthestatusofthevehicleinformationtoachievethecardatavisualization.Whichcanbettergraspthevehicleinformation,toprovidepeoplewithconvenient,safeandcomfortableoutserviceguarantee.
Keywords:
OBDvehiclediagnosticsystem；VehicleNetworking；CloudServiceCenter；bridge
目录
摘要1
Abstract2
目录3
第1章绪论4
1.1课题研究的相关背景4
1.2采集车辆数据信息的价值5
1.2.1远程定位救援5
1.2.2运输车队调度管理5
1.2.3辅助汽车保养5
1.3OBD车联网的研究现状6
1.3.1OBD车联网国外研究及发展情况6
1.3.2OBD车联网国内研究及发展情况7
第2章OBD系统8
2.1OBD系统及通信协议8
2.1.1OBD系统简介8
2.1.2OBD通信协议标准9
2.2OBD故障码14
第3章车联网系统17
3.1车联网系统的组成17
3.2显示终端17
3.3OBD车载终端硬件18
3.3.1OBD标准接口18
3.3.2OBD车载终端硬件安装及调试19
3.4云端运营中心25
3.4.1云端服务器环境及软件25
3.4.2云端服务器的搭建26
3.5云端平台的监控显示31
第4章结束语33
4.1研究工作总结33
4.2本文的不足及展望33
致谢35
参考文献36
第1章绪论
1.1课题研究的相关背景
在如今互联网技术和电子技术的大发展的时代，人们的生活会变得越来越便捷，会大大的改变传统的汽车行业。
当今社会的进步和经济的不断繁荣发展，人们对车辆的使用愈加依赖。
由于汽车尾气排放的废气对空气的污染很大，可怕的是造成的温室效应对地球臭氧层的破坏是巨大的。
如果能够用一种技术对汽车废气进行监控和采集其他的数据信息，然后把采集到的数据信息传送到云端服务中心，对车辆的数据信息进行处理分析，产生数据可视化的图表，让处在云端服务中心的监控人员，能够全面及时的知道汽车的实时数据信息，比如汽车在行驶过程的路线、汽车的速度、发动机转速、耗油量汽车状态等情况，更便捷地了解车况信息，能够更好对车辆进行有效的管理。
由于人不能及时知道传统汽车里的数据信息，人与汽车还不能建立信息的联系，要想实现人与车的互联，对车辆能够更好的进行管理和调度，就必须使用一种技术来获取汽车的各种实时数据信息。
于是就产生了一种适应时代技术发展的车联网的概念。
车联网（Vehiclenetwork）是一项新兴技术，即是将车辆连接到计算机网络，运用现代电子技术把车辆的数据信息用电信号表示出来，并把这些数据发送到云端服务中心或者其他车辆管理中心，做成车辆数据库，对未来交通系统的运行安全提供了强有力的保障，与此同时会大大的提高交通系统的运行效率，从而实现更好地管理车辆。
就当今汽车联网的实现来看，大部分还只是获取汽车的数据信息，通过移动通信网络发送到云端服务中心，而这只是实现了车与云端服务中心的数据互通。
今天，汽车网络是汽车工业技术发展的重要组成部分，以互联网为主题，汽车网络已成为汽车运输系统行业发展的重要方向，并且呈现出上升的发展态势，汽车网络是一个很大的潜在市场需求，具有很好的发展前景。
然而就在车与云端服务中心通信的形式下，我们就要有一套采集汽车数据信息的设备，采集汽车上的各传感器和各大系统的数据，然后使用移动通信网络媒介传回到云端服务中心，对采集到的数据利用计算机技术处理和分析，把这些数据能够充分的使用起来，做成汽车数据库，极大的发挥数据在实际中产生实用的价值。
该系统设备必须要具备能够实现车辆数据信息的实时采集，并及时地发送到云端，并且要保证云端服务中心的数据实时更新。
1.2采集车辆数据信息的价值
从互联网技术的发展近年来，特别是提出物联网技术，我们可以轻而易举的想象未来随着汽车网络技术的发展和普及，必然会改变人类出行的服务方式，为人类提供一个更高效、便捷、功能完善的外出服务，形成一个覆盖全面交通系统的生态网络。
收集相关车辆数据信息，然后对数据进行分析，在实现汽车网络方面具有重要的实践价值。
云端服务中心收集的车辆数据越多，车辆状况分析越准确。
对大量汽车的数据用大数据分析，在未来的智能交通领域也是具有重要的实用价值，主要有以下3个方面的实用价值。
1.2.1远程定位救援
一个产品不会总是完美的，多少都会有些缺陷。
汽车都一样，也会出现故障等问题。
如果车辆行驶过程由于发生故障而抛锚在道路上时，一般情况下，车主会打电话叫救援车，这种做法是不是不经济，即浪费时间有不方便。
如果能够在汽车上安装一款实时采集车辆数据信息的系统设备，并且能够通过移动通信网络传输到云端服务平台，维修人员通过访问这样一个平台就可以获取到车辆实时的数据信息。
如果发现车辆出现了故障，还可以看到故障码信息，这么一来，维修人员就能根据故障码判断汽车故障的原因，并实施合理的求援方案，快速有效的提升救援服务质量。
1.2.2运输车队调度管理
为了便捷高效的提高人们出行服务质量，如今诞生了诸多的租车管理系统。
租车管理系统就是掌握了汽车的经纬度信息，速度等实时数据。
这些信息在云端里，通过技术处理实现了车辆数据的可视化功能，能够在云端服务中心地图上进行直观显示。
然后再结合人们出行的相应需求信息，监控人员在云端服务中心通过分析车辆的这些实时数据和是否有需求信息，然后再合理的调度管理车辆。
1.2.3辅助汽车保养
人人都想拥有属于自己的一款爱车，都会对自己的爱车进行这样或那样的保养。
对自己的爱车保养，就要全面的了解自己汽车里的数据信息，该车是否存在这样或那样的健康问题。
首先，通过系统设备采集汽车系统的相关数据，比如变速箱、发动机等数据，然后通过网络发送到云端服务中心，在对自己的爱车进行维修保养时，维修服务中心的人员能够根据这些采集到的数据，然后对车辆进行合理的辅助诊断和维修。
然后，在端云服务中心通过长时间收集车辆历史数据记录，然后通过端云服务中心进行分析和计算后，向业主或车辆运输经理提供车辆维修建议。
让车主及时知道汽车的健康状况，安全的使用车辆。
1.3OBD车联网的研究现状
如今车联网的实现方式主要是在车上安装OBD系统的接口接入到汽车的ECU系统，获取汽车的数据信息。
1.3.1OBD车联网国外研究及发展情况
人类社会进入电气时代以后，在汽车上安装这各种电子设备，就形成了一个很完整的电子系统体系。
汽车上本身就安装有各种各样的传感器，然后对这些传感器运行状态的诊断，这就是当时汽车中使用的自诊断系统[1]。
不过幸运的是OBD自诊断系统可以允许外部设备通过OBD接口和OBD通信协议读取车辆内部系统的数据信息。
早期的OBD系统主要的目的是监控汽车尾气排放指标是否符合标准。
随着汽车技术的发展，OBD自诊断系统拥有了自我诊断的能力，汽车的维修人员可以用手持诊断仪设备，连接汽车OBD诊断母口读取汽车ECU的数据信息，获取汽车发生故障时的状态数据以及汽车故障码信息，从而利用这些信息分析出故障的具体原因。
OBD是汽车车载诊断系统的简称，当初的设计它的目的非常简单，车辆在使用过程中，用来检测汽车尾气排放与其排放控制相关的零部件状态信息[2]。
19世纪80年代的美国，是OBD系统的发源地。
美国为了控制汽车尾气排放，美国的加州大气资源局对当时在加州销售的所有车辆必须装备车载诊断系统进行的规定，此规定于1980年开始实施。
这是最早的OBD系统，如今称作OBD-I系统。
当时的OBD系统，仅仅包括氧传感器、废气再循环系统、燃油供给系统和发动机控制这4个模块，这是由当时早期的OBD系统监控范围小来决定[3]。
美国在1998年为了监管机动车辆的尾气排放情况，当时的美国汽车工程师协会由此为OBD制定了一个整套统一的且方便使用的标准，以此来管理和规范OBD系统的使用，这就是OBD-II标准[4]。
OBD-II标准的出台是为了便于对汽车尾气排放情况的监控，强制要求各生产商采用统一的应用层协议标准，必须能够提供车辆的一些基本信息以及当前发动机工作状况，包括发动机尾气排放状况[5]。
维修人员只需要拿手持诊断仪，接入汽车ECU，就可以读取到车辆的各种数据信息。
1.3.2OBD车联网国内研究及发展情况
OBD系统技术在我国的起步较晚。
我国的国家环保总局于2005年4月15日颁布了《轻型汽车污染排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB18352．3-2005），规定全国国Ⅲ排放法规将于2007年7月1日开始实施，于2008年7月1日开始实施第1类汽车需要装配OBD自诊断系统[6]。
我国已经发布了规定2007年之后生产和出售的汽车都必须装备上OBD自诊断系统，并符合欧IV标准[7]。
我国是个人口大国，拥有1.37亿辆的私家车，并且其中支持的OBD标准接口的车辆比例将远远超过1亿辆，这是截止到2013年底统计出来的[8]。
对于车载OBD系统的的最初设计，连接了汽车故障处理与人，给辅助维修人员带来福音，方便他们对有故障的车辆进行的诊断和维修。
市面上不同品牌的车的OBD接口位置不同，但汽车上OBD接口通常都在汽车方向盘下方一个相对比较隐蔽的地方，还是比较容易找到的。
在车上预留OBD接口，目的是供给汽车修理厂技师对车辆做维修保养或车辆发生故障时能够快速找出有故障的地方及故障原因。
当今的汽车市场上，有OBD的车载终端的产品，连接汽车母口的OBD，以获取到汽车的ECU数据信息，然后通过在OBD内置的蓝牙、移动通信网络等媒介方式传给智能手机，在智能手机打开APP等界面的方式提供给车主查看汽车当前的状况。
第2章OBD系统
2.1OBD系统及通信协议
2.1.1OBD系统简介
OBD车载自诊断系统是检测汽车是否排放超标的废气的一种技术，对地球的空气质量加以保护。
OBD车载自诊断系统可以监测到汽车的发动机、催化转化器、颗粒捕集器、EGR等数据信息，来判断汽车尾气排放的废气气是否超标。
在汽车上使用OBD系统的好处在于检测车主在用车时尾气排放的污染空气质量的有害的废气，是当今汽车尾气排放管理的最有效手段之一[2]。
OBD车载诊断系统分为由诊断软件与传感器、执行器、外围的诊断设备，它们一起共同组成OBD车载诊断系统[9]。
OBD车载诊断系统一旦发现监测到与汽车尾气排放相关的某些部件发生故障，从而导致汽车排放废气的严重超标，此时OBD车载诊断系统就会马上发出警示，在发生故障的相应指示灯或检查发动机警告灯就会亮起，这时候汽车的动力总成控制模块就会把故障信息存入到存储器，之后再通过解码器就可以读出汽车的故障代码信息[2]。
20世纪的80年代诞生了世界上第一代车载自诊断系统（即OBD-I），当时的OBD-I系统监控范围小。
第一代OBD自诊断系统在最初的设计，没有太多的技术，也没有自检的功能，如果汽车哪里出现了故障，仅仅通过适当的技术方式提醒驾驶员。
OBD-I车载自诊断系统在初期时由于缺乏适用的统一标准，当时汽车使用的故障代码不同，而且也没有标准的通讯协议等诸多不同特点。
由于当时各个汽车生产厂家所生产的不同品牌汽车甚至同一品牌不同车型之间的诊断系统协议没有达成统一的标准，因此第一代车载自诊断系统并没有得到广泛的推广[10]。
第一代车载自诊断系统并没有得到人们广泛的运用。
正是因为如此，在1994年在美国就诞生第二代车载自诊断系统（即OBD-II），这是全新的另一代车载自诊断系统。
第二代诊断系统功能与第一代自诊断系统相比，它拥有的诊断功能策略会更加的复杂，而且诊断系统的功能更健全，所使用的标准会更加规范。
随后OBD-II很快就成为汽车故障自诊断的统一的标准。
不仅仅在美国有自诊断标准，其他各个国家也开始建立了自己的汽车自诊断标准，如欧盟的EOBD（EuropeOnBoardDiagnosis）标准、日本的J-OBD标准、我国汽车配置的OBD系统标准要求类似欧盟EOBD标准等。
虽然OBD-II车载自诊断系统在对汽车排放起到了明显的控制作用，对汽车的排放还不能做到及时监测。
因此，OBD-III系统诞生了。
OBD-III系统的进步之处在于增加了新技术，比如利用无线通信方式来读取发动机、变速器和ABS系统ECU中的数据，将车辆识别代码（VIN）、故障码和一些动态数据通过网络自动传送到交通管理部门，这样交通管理部门可以实时监测所有汽车的运行状态和排放。
但是OBD-Ⅲ系统的应用可能涉及侵犯用户隐私。
所以仍有考察[11]。
OBD-Ⅲ车载自诊断系统技术估算在不久的时间会得到实施，会纷纷的被各汽车制造厂商所采用。
2.1.2OBD通信协议标准
一般有以下几种通信协议：
2.1.2.1基于SAEJ1850总线的诊断通信协议
美国汽车工程师协议于1994在第二代诊断系统颁布了J1850标准[12]，J1850标准数据总线有低电平状态和高电平两种状态，J1850标准分为两种数据位编码方法，下面来讨论这两种编码方法。
（1）SAEJ1850PWM编码方式
PWM（PulseWidthModulation）是两条线路传送数据信息的方式是以差分电压方式进行，被称为脉宽调制方式传输，其传输速率为41.7Kbps；
针对两个处于由低电平往高电平过程的是第一位，且间隔时间不小于Tp3，处在时间为Tp1之后是由高电平忘低电平下降便，我们可以定义为逻辑”1”，如图2-1所示。
图2-1PWM编码方式逻辑”1”
针对两个处于由低电平往高电平过程的是第一位，且间隔时间不小于Tp3，处在时间为Tp1之后是由高电平忘低电平下降，我们可以定义为逻辑”0”，如图2-2所示，。
图2-2PWM编码方式逻辑”0”
（2）SAEJ1850VPM编码方式
对于VPW（VariablePulseWidth）的编码方式是采用了单条线路电压信号进行传输数据的一种方式，称为可变脉宽调试方式传输。
用该编码的方式对OBD-II系统的通信协议进行编码，每Kbps的最高传输速度是10.4，最多能挂载32个节点，传输距离最长可达到40m。
如图2-3所示，逻辑”1”可定义为：
由高电平往低电平下降的时间间隔为Tv2的为低电平或者由低电平往高电平下降的时间间隔为Tvl的为髙电平。
图2-3VPW编码方式逻辑”1”。
如图2-4所示，逻辑”0”可定义为：
由高电平往低电平下降的时间间隔为Tv1的为低电平或者由低电平往高电平下降的时间间隔为Tv2的为髙电平。
图2-4VPW编码方式逻辑”0”
2.1.2.2基于KWP2000诊断通信协议
我们来介绍k线通信协议，是另一种OBD-II标准的通信协议,它是代表KeywordProtocol2000,即关键字协议2000,也是ISO标准ISO14230的工作名称。
这是OBD-II系统的通信协议标准。
基于KWP2000的通信协议由三部分组成，第一部分是定义了物理层。
第二部分是对数据链路层的定义。
第三部分定义了应用层。
（1）KWP2000物理层协议
KWP2000协议的工作电压支持12V和24V,是由一根具有2个正反方向的数据传输线，能够向2个方向进行数据通信。
如图2-5所示。
在数据的发送者总线上出现的电压小于VB的20%，就定义为逻辑”0”,这是针对数据的发送者来说；对于接收者总线上的电压小于VB的30%，这是针对数据的接收者来说。
在数据的发送者的总线上出现的电压大于VB的80%，这种情况是针对数据的发送者来说；在数据的接受者总线上的电压大于VB的70%，这是针于数据的接收者来说。
图2-5KWP2000逻辑状态电压
（2）KWP2000数据链路层
KWP2000数据链路层具体内容有通信数据格式、通信服务内容、错误处理方法，这是ISO14230-2协议标准对数据链路层进行详细规定[13]。
1）通信数据结构
k线的通信信息结构主要由三部分组成，即头部、数据字节和校验和。
如表2-1所示。
帧头部
通信数据字节
校验和
格式
目标地址
源地址
长度
服务标示
…数据…
校验字节
最大4个字节
最大255个字节
1字节
表2-1K线数据结构
2）通信服务内容
要建立通信服务内容比较多，汽车的ECU接收到启动服务请求的情况下，检查通信的参数是否正确，正确就发送数据诊断服务，否则就重启配置参数。
k线的启动通信的流程如图2-6所示：
图2-6通信的启动流程
（3）KWP2000应用层
ISO14230-3详细地说明了应用层实现的诊断通信行为，对此应用层共有六个功能组，我们把六个功能组分为数据通信功能单元、故障诊断管理单元、接收发送功能控制单元、故障码发送功能单元、远程启动程序单元、上传下载功能单元。
2.1.2.3基于CAN总线的诊断通信协议
（1）CAN总线的介绍
在汽车上的控制器局域网（CAN），我们多多少少都有所耳闻，控制器局域网（CAN）把车上各部分的系统和所有的传感器连成一个局域网的网络，方便对车上系统和传感器的检查，它也是一种用于串行口的通信协议，能够有效地支持汽车里各系统等的安全，加强对汽车的实时监控。
在通信距离小于40m以下的情况下，控制器局域网每秒的通讯传输可达1Mbit。
如图2-7所示。
图2-7CAN总线结构
如图我们可知，CAN总线连接了车身内的众多ECU单元，在对CAN总线的数据格式了解的基础上，可以从CAN总线上获取车身内部众多信息数据，比如水温、发动机转速、故障码、油量、行驶里程等数据信息。
（2）CAN总线物理层
对于CAN总线物理层，它的作用是根据汽车的所有电气属性的特征，并且CAN总线能够实现在不同的多个节点之间进行位信息的实际传输。
对于实现CAN数据传输有双绞线、光纤等多种物理介质，其中最常见的物理介质是双绞线[15]。
CAN总线支持的网络拓扑有多种结构，如按照几何图形的形状可分为树形拓扑、总线型图拓扑、星形拓扑、环形拓扑和网状拓扑等5种拓扑结构。
CAN数据传输总线是一种传送信号，它采用的是一种叫做差分电压信号的方法来进行有效的传输。
它有两条信号线（以双绞线为例），我们称它们为CAN_H和CAN_L，在静止的状态下电压均是在2.5V左右，在此状态的电压用逻辑”1”来表示，我们称为隐性；当CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V的电压值时，用逻辑”0”来表示，我们称为显性[16]。
CAN数据传输总线的物理层主要有四个部分组成
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