基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统

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基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于车辆故障检测与维修领域，涉及一种利用车辆故障检测、远程数据传输、通信系统控制等技术，针对机动车尾气排放、车辆故障信息等进行远程实时参数检测和故障信息检测，从而及时解决车辆系统故障，管理规范驾驶员的驾驶行为，减少车辆尾气排放。\n背景技术\n[0002] 最早的车载诊断系统OBD-I诞生于20世纪80年代的美国，此系统无法探测发动机的系统部件故障问题，且未建立标准化故障码、通讯协议以及诊断模式等。于是1994年OBD-\n11系统出现，此系统主要用于针对检测排放问题，当车辆尾气排放污染物超过设定的限值时，车辆仪表盘中的故障指示灯就会点亮报警。虽然此系统对排放监测十分有效，但驾驶员是否接受警告并对车辆进行维修，系统仍无能为力，不具备维护强制性。随后，OBD-III系统被提出，此系统最主要期望便是规范驾驶员维修的强制性，使汽车检测、维护和排放监管融为一体，以满足排放法规和环境保护的要求。\n[0003] OBD系统监控的主要目的在于通过检测车辆故障码、数据流信息，来跟踪三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统等动力控制系统隐患，从而控制高排放车辆。\n[0004] 近年来，由于我国城市机动车的迅速发展，而相应的机动车排放控制水平相对落后，同时，配套的交通基础设施和交通规划管理未能与车辆的增长同步发展，造成许多大城市机动车的平均车速较低，许多重要道路长期处于饱和状态，加速、减速、怠速等不利工况频繁发生，导致车辆排放状况不容乐观。为此，为控制车辆尾气排放，保证车辆在行驶过程中达到稳定的排放要求，我国参照欧洲排放标准，相继提出国III、国IV、以及即将实施的国V排放标准，通过在车辆上强制安装车载诊断系统(OBD)，来检测汽车发送机的排放水平。但这种实施方案并不能很好的改善司机的驾驶行为和车辆的尾气排放，仍需要由管理部门对用户车辆进行定期年检才能监督限制车辆的排放状况。基于此，研究利用无线技术、远程检测和管理技术，一方面将与车辆尾气排放系统相关数据流、故障信息远程实时回传至监控中心，使管理部门可以实时了解车辆状态，将有效满足其实时性和移动性的迫切需求；同时将车辆排放异常状态、故障信息及时通知给驾驶员，有助于驾驶员及时发现和排除车辆安全隐患，形成车辆保养和维修管理的意识，对保证车辆正常行驶状况、实现节能、环保、安全运营及提升企业信息化管理水平具有重要意义。\n发明内容：\n[0005] 针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统，在OBD检测仪的基础上，使用无线通信技术实现远程车辆排放的检测与管理。\n[0006] 一种基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统，该系统包括数据处理单元、网络通信单元、远程监控客户端。各部分之间的连接关系如附图1所示。\n[0007] 数据处理单元，包括OBD转发器和数据处理器。其中，OBD转发器用于实现数据处理器与车载OBD系统的通信；数据处理器用于参数提取，数据流、故障识别分析，发动机排放系统分析，并通过网络通信单元将处理后的信息传输到监控客户端。\n[0008] 网络通信单元，采用无线网络通信技术，将数据处理单元与监控客户端建立远程通信，实现车辆行驶数据的传输和控制策略的实施。\n[0009] 在数据处理单元与监控客户端之间处理、传输以下5种信号：\n[0010] a.数据流、故障代码原始信号；\n[0011] b.筛选处理后的TCP协议排放相关参数信号；\n[0012] c.排放系统老化、失效、排放异常信息；\n[0013] d.异常警示反馈原始信号；\n[0014] e.处理后的反馈报警信号。\n[0015] 其中，a为由数据处理单元提取的数据流、故障代码原始指令帧，b为数据处理单元处理后的三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统相关信号，c为排放系统故障内容和排放异常信息，d排放超过限值的异常反馈原始信号，e为数据处理单元处理后的反馈报警信号。\n[0016] 远程客户端，包括信息管理模块和监控模块。其中，数据管理模块用于用户信息管理、车辆位置查询、车辆跟踪、排放超过限值报警、记录存储和查询等；监控模块用于实时显示监控车辆子部件系统相关排放故障信息以及影响尾气排放的数据流，并向车载终端发送管理指令。\n[0017] 基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统的实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：\n[0018] 步骤一，数据处理单元进行发动机ECU参数提取；\n[0019] 步骤二，数据处理单元进行尾气排放系统状态分析和故障诊断；\n[0020] 步骤三，利用网络通信单元，将数据处理单元处理后的数据发送到远程客户端；\n[0021] 步骤四，远程客户端接收到信息后，实时更新参数内容，存储相关信息。\n[0022] 步骤一中，数据处理单元进行发动机ECU参数提取，包括OBD转发器与发送机ECU初始化通信，发送机ECU数据流信息提取，发送机ECU故障码信息提取。具体方法如下：\n[0023] (1)OBD转发器与发送机ECU初始化通信，数据链路层通信结构如附图2所示。通信结构包括：帧头、数据位和校验和。其中帧头包括：Fmt表示链路层通信所采用的协议类型，Tgt表示OBD转发器设备地址，Src表示汽车发动机ECU的地址，以及Len表示Data有效位长度；数据位包括：SID表示服务标识符和数据内容；校验和CS表示数据帧的校验位。OBD转发器初始化通信和转发过程如附图3，具体方法如下：\n[0024] a)OBD转发器与ECU建立通信连接，首先执行系统初始化操作，自动设置通信波特率、校验位、时间等参数，检测汽车ECU系统的编码方式等。\n[0025] b)OBD转发器发送SID为0x81的请求命令和0x3E的链路命令，ECU返回SID为0xC1的响应进入系统，并返回链路命令，通信成功，等待检测数据处理单元发送读取数据流或故障码信号模式。\n[0026] c)待OBD转发器接收到读取数据信号模式后，自动发送各模式的请求信号以及模式内的PID请求信号至ECU，并将ECU信号返回至数据处理单元。\n[0027] (2)发送机ECU数据流信息提取。该部分根据数据流读取模式21，分析来自OBD转发器请求、ECU应答的数据模式信号，并根据ECU通信数据帧协议规定以及PID定义分解出其中有用的数据信息。\n[0028] 数据流读取指令如附图4所示。第一字节83/8x表示协议为KWP2000类型(x表示0-F，随数据位长度变化而变化，数据位长度＝8x-80)，Tgt表示目标地址，Src表示源地址，发送指令时字节0x21表示发送数据流SID，返回指令时字节0x61表示返回数据流SID，Parm1 Parm2表示数据流PID，X1 X2…Xn表示PID对应的参数值，最后一个字节Check表示校验和。\n其数据流读取如附图5所示，其具体方法如下：\n[0029] a)首先数据处理单元发送读取数据流请求命令。\n[0030] b)检测数据流请求指令是否是所请求的数据流模式21。数据位的第1个字节SID是否为0x21，当所检测出的模式为所请求的模式时，该数据指令有效，执行下一步；否则，该数据指令无效，返回步骤a重新发送读取命令。\n[0031] c)检测数据流PID值是否有效。PID值反映的是该数据流对应的参数内容是什么，不同的PID值，代表的参数内容不同。数据位的第2、3个字节表示PID值，若PID值有效，则执行下一步，否则，返回步骤a重新发送读取命令。\n[0032] d)ECU采集总线上传感器数据，打包设置参数内容并返回。ECU返回时，数据位的第\n1个字节应为0x61，第2、3个字节应为PID参数，第4个字节开始为PID对应的参数内容，根据传感器返回数据类型、参数大小设置所占的字节长度。\n[0033] (3)发送机ECU故障码信息提取。该部分根据故障码读取模式58，分析来自OBD转发器请求、ECU应答的故障模式信号，并根据ECU通信数据帧协议规定分解出有用的故障信息。\n[0034] 故障码读取指令如附图6所示，第一字节84/8x表示协议为KWP2000类型，Tgt表示目标地址，Src表示源地址。发送指令时，0x18表示故障码发送SID，0x00表示故障码请求状态，0xFF 0x00表示故障码为前高位、后低位的结合；返回指令时，0x58表示故障码返回SID，Num表示故障码个数，X1 X2…Xn每3位代表一个故障码，最后一个字节Check表示校验和。其故障码读取如附图7所示，其具体方法如下：\n[0035] a)首先数据处理单元发送读取故障码请求命令。\n[0036] b)检测数据流请求指令是否是所请求的故障码模式18。数数据位的第1个字节SID是否为0x18，当所检测出的模式为所请求的模式时，该请求指令有效，执行下一步；否则，返回步骤a重新发送读取命令。\n[0037] c)检测故障码状态是否有效。检测是否处于读取故障码状态，即数据位的第2个字节是否为0x00，若是，系统存在故障，执行下一步；否则，系统无故障码，返回步骤a重新发送读取命令。\n[0038] d)检测故障码读取方式，即第3、4字节高低状态。一般第3字节为0xFF，第4字节为\n0x00，即故障返回按前高后低的顺序结合。\n[0039] e)ECU采集总线上故障信息，打包设置参数内容并返回。ECU返回时，数据位的第1个字节应为0x58，第2个字节表示故障码个数，若系统无故障，该字节为0；若系统存在故障，则从第3个字节开始每3个字节表示一个故障码，直到完成所有故障。\n[0040] 步骤二，数据处理单元进行尾气排放系统状态分析和故障诊断。分析处理影响排放相关的数据流和故障码信息，识别诊断排放系统故障，并将处理后信息打包数据帧发送到远程客户端。\n[0041] (1)数据处理单元收到返回指令后，计算数据流参数值。数据流返回的参数值的计算方法与数据参数类型有关，如附图4。\n[0042] 若为状态参数(如开或关、接通或断开、激活或未激活等)表示电子控制系统元件的工作状态，则PID对应参数内容只由一个字节X1决定，表述方法如下：\n[0043] if(x1＝＝S1)y＝'状态1'\n[0044] else if(x1＝＝S2)y＝'状态2'\n[0045] else if(x1＝＝S3)y＝'状态3'\n[0046] ……\n[0047] else'状态n'\n[0048] 若为数值参数(电压、压力、温度、时间、速度等)在一定范围内变化的参数。则PID对应参数由两个字节(X1 X2)或四个字节(X1 X2 X3 X4)决定，表述方法如下：\n[0049] y＝(x1*0x100+x2)*k+b\n[0050] 或者\n[0051] y＝(x1*0x1000000+x2*0x10000+x3*0x100+x4)*k+b\n[0052] (2)数据处理单元收到返回指令，计算PCBU故障码的参数值。故障码返回的显示代码计算方法，如附图6所示，从X1开始的每3个字节表示一个故障码，前2个字节表示故障代码，第3个字节反应故障码状态。其具体计算方法如附图8所示。故障码选用PCBU的方式显示，其中每三个字节组成一个故障码，前两个字节的高两位bit14-bit15表示PCBU编码方式，bit0-bit13表示故障代码，最后一个字节的bit6和bit5表示故障码状态。\n[0053] 故障码显示表述方法：\n[0054] if(x1<0x40)y＝P～HEX(x1*0x100+x2)\n[0055] else if(x1<0x80)y＝C～HEX((x1-0x40)*0x100+x2)\n[0056] else if(x1<0xc0)y＝B～HEX((x1-0x80)*0x100+x2)\n[0057] else y＝U～HEX((x1-0xc0)*0x100+x2)\n[0058] (3)车辆尾气排放系统状态分析和故障诊断。分析三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统等排放系统数据流、故障码信息，识别诊断对应系统故障、老化和失效情况。\n[0059] 根据数据处理单元(1)、(2)得到下面转换公式和故障码信息：\n[0060] a)三元催化转化器监测：三元催化转化器的劣化和失效是根据前、后氧传感器信号变化来反映。三元催化转化器的失效和老化情况监测如下信息：\n[0061] 前/后氧传感器电压值(mV)：y＝(x1*0x100+x2)*0.2\n[0062] 前/后催化器温度(℃)：y＝(x1*0x100+x2)*0.1-273.14\n[0063] 催化器正常工作时，催化器温度处于正常范围内，前氧传感器电压信号处于0.1-\n0.9V之间，经催化转化器后氧传感器检测到的电压信号幅值衰减十分明显；当催化转化器出现异常或发生故障，后氧传感器信号相对于前氧传感器幅值衰减不明显，并会报出相关故障代码：P0420-P0424或P0430-P0434；查询故障原因：接触媒系统净化效能过低，低于净化范围，接触媒转换器工作温度过低等。\n[0064] b)氧传感器监测：氧传感器的工作情况可以根据氧传感器的电压信号变化来反映。氧传感器的失效和老化情况监测如下信息：\n[0065] 前/后氧传感器电压值(mV)：y＝(x1*0x100+x2)*0.2\n[0066] 正常情况下氧传感器的电压信号在0.1-0.9V之间不断变化，如果电压在0.1-0.5V之间变化，说明混合气过稀，如果在0.5-0.9V之间变化，说明混合气过浓，如果在0.4-0.5V之间不动，说明氧传感器损坏，并会报出相关故障代码：P0130-P0166；查询故障原因：氧传感器信号低(高)，反应太慢，加热线路故障，电压过高等。\n[0067] c)发动机失火监测：发动机失火是根据发动机负荷和发动机转速的变化来反映。\n发动机失火情况监测如下信息检测失火率：\n[0068] 加速度(m/s2)：y＝(x1*0x100+x2)*0.01\n[0069] 速度(km/h)：y＝(x1*0x100+x2)*0.02\n[0070] 发动机负荷(％)：y＝(x1*0x100+x2)*0.0122\n[0071] 发动机转速(rmp)：y＝(x1*0x100+x2)*0.5\n[0072] 发动机单缸失火时发动机转速波动比较大，下降约40rmp。考虑到道路颠簸、车速较高、以及急加速和急减速等工况下，也可能引起发动机转速发生较大波动，在失火检测时，首先要对加速度、车速情况进行判断，只有在加速度较小，车速一般，且发动机负荷变化不大，此时若检测到发动机转速有较大下降波动，则判定为一次失火。如果持续多次监测到这个下降变化量，即失火率超过一定的限值，ECU判定为发动机失火，并会报出相关故障代码：P0301-P0312；查询故障原因：第1-12缸曾经失火。\n[0073] d)燃油系统监测：燃油系统的工作情况可以通过检测空气进气流量和喷油量的比值即空燃比来反映。燃油系统情况监测如下信息检测空燃比：\n[0074] 空气进气流量(g/s)：y＝(x1*0x100+x2)*0.01\n[0075] 实际喷油量(g/s)：y＝(x1*0x100+x2)*0.02\n[0076] 理论上混合气体的完全燃烧的空燃比为14.7时，尾气排放最低。空气进气量/实际喷油量来计算实际空燃比，通过控制进入发动机的混合气使之始终保持在理论空燃比附近波动，若偏差太大，造成数据流异常，并会报出相关故障代码：P0167-P0194；查询故障原因：\n混合比太稀(浓)，燃油修正不良，燃油温度传感器故障、压力传感器故障等。\n[0077] 步骤三中，利用网络通信单元，将数据处理单元处理后的数据发送到远程客户端。\n网络通信单元采用GPRS或3G网络TCP/IP协议的通信技术，将数据处理单元与远程监控客户端互连，实现对发动机三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统相关参数的监测和反馈传输，对网络通信中a～e信号进行信息传输与信息处理的过程具体方法如下：\n[0078] (1)数据处理单元首先提取发动机参数信息a，经处理后得到参数信号b打包并加入帧头，发送到监控客户端，同时暂停ECU参数提取、发动机排放状态分析，处于等待状态。\n[0079] (2)客户端接收到信号b之后，客户端将信号b转换为人机交互界面行车信息c，并判断发动机排放是否异常，若发现异常，转下一步。否则，则转步骤5。\n[0080] (3)客户端设置信息c的反馈信号d，打包并加入帧头，发送到对应的数据处理单元。\n[0081] (4)数据处理单元接收到d信号后，解包并通过OBD转发器打包为信号e发送到ECU，控制点亮故障指示灯，给车主发出警告，并通知车主尽快采取措施解决问题。\n[0082] (5)数据处理单元复为初始状态。\n[0083] 步骤四中，远程客户端接收到信息后，实时更新参数内容，存储相关信息。\n[0084] 信息管理模块用于用户信息管理、车辆位置查询、车辆跟踪、排放超过限值报警、记录存储和查询等。其功能分析如下：\n[0085] a)用户信息管理：多用户管理功能，能够分层管理用户，用鼠标点击车辆图标，就可以立即得到该车辆的数据库资料。\n[0086] b)位置查询：监控客户端操作员可随时查询每一辆车具体位置，行驶速度，行驶方向，发动机相关部件状态、车辆排放指数等，并立即在电脑上显示出来。\n[0087] c)车辆跟踪：监控客户端可对同时网内多个车辆进行连续跟踪，并将跟踪结果存盘记录，以备日后查询。\n[0088] d)排放超过限值报警：监控客户端可以为车辆设定一个排放限值，一旦车辆行驶中排放超过限值，就会自动报警提示，并通知给车主车辆需要到维修厂进行故障诊断和修复。同时，将此车列入重点监控对象，不定期对车辆进行监测观察，对不服从管理的车主通知有关部门给予适当的处分。\n[0089] e)记录存储和查询：对排放超标或数据流异常、故障码过多车辆，数据库能够自动存储该车的行驶数据，并能够随时查询历史数据信息，根据车辆排放和违规情况对其进行不定期监控。\n[0090] 监控模块用于实时监控三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统相关数据流和故障信息，并将排放异常情况向车载终端发送报警信息。\n[0091] 本发明的有益效果如下：\n[0092] (1)数据处理单元用于发动机排放系统状态分析，根据数据流参数值计算方法和故障处理方法，分析影响三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统的相关数据流和故障信息，得到相关部件的工作情况。数据流和故障码的结合分析有效的提高了对排放系统部件老化和失效的可靠分析和准确判断。\n[0093] (2)远程客户端可以实现对车主信息和历史记录问题的查询，能够实时追踪车辆、获取车辆位置信息，并能够实时监测三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统相关数据流和故障信息，诊断系统异常，对排放超标、系统故障车辆发出报警等，以保证车辆正常行驶，对实现节能、环保、安全行驶状态具有重要作用。\n[0094] (3)以GPRS或3G网络TCP/IP协议为网络通信单元建立客户端与数据处理单元的数据传输，将与车辆行驶排放相关数据流、故障信息远程实时回传至监控中心，使管理部门可以实时了解车辆行驶状态，将有效满足其实时性和移动性的迫切需求；同时将车辆排放异常状态、故障信息及时通知给驾驶员，有助于驾驶员及时发现和排除车辆安全隐患，形成车辆保养和维修管理的意识，对保证车辆正常行驶状况、实现节能、环保、安全运营及提升企业信息化管理水平具有重要意义。\n附图说明\n[0095] 图1为本发明所涉及的系统组成框图；\n[0096] 图2为本发明所涉及的OBD数据链路层通信结构；\n[0097] 图3为本发明所涉及的OBD转发器初始化通信和转发过程；\n[0098] 图4为本发明所涉及的读取数据流指令描述图；\n[0099] 图5为本发明所涉及的数据流读取方法流程图；\n[0100] 图6为本发明所涉及的读取故障码指令描述图；\n[0101] 图7为本发明所涉及的故障码读取方法流程图；\n[0102] 图8为本发明所涉及的PCBU故障码算法显示图；\n[0103] 图9为本发明所涉及的系统网络通信信号传输流程图；\n[0104] 图10为本发明所涉及的远程监控客户端组成框图；\n[0105] 图11为本发明所涉及的系统实施流程图。\n具体实施方式：\n[0106] 下面结合附图对发明具体实施方式作进一步说明：\n[0107] 一种基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统，其特征在于包括：数据处理单元、网络通信单元、远程监控客户端。各部分之间的连接关系如附图1所示。\n[0108] 其中，数据处理单元，包括OBD转发器、数据处理器。OBD转发器用于实现数据处理器与车载OBD系统的通信；数据处理器用于参数提取，数据流、故障识别分析，发动机排放系统分析，并通过网络通信单元将处理后的信息传输到监控客户端。\n[0109] OBD转发器，接口采用符合SAE标准的16针OBD诊断接头，能够通过K线或CAN协议与车辆发动机ECU通信，获取并转发车辆总线上的数据指令；数据处理器采用STM32单片机实现数据处理分析、GPS模块实现跟踪车辆位置信息和无线通信模块实现远程数据传输。\n[0110] 网络通信单元，采用GPRS或3G网络TCP/IP协议的通信技术，将数据处理单元与监控客户端建立远程通信，实现车辆行驶过程中发动机ECU相关排放参数的传输和控制策略的实施。\n[0111] 在数据处理单元与监控客户端之间处理、传输以下5种信号：\n[0112] a.数据流、故障代码原始信号；\n[0113] b.筛选处理后的TCP协议排放相关参数信号；\n[0114] c.排放系统老化或失效、排放异常信息；\n[0115] d.异常警示反馈原始信号；\n[0116] e.处理后的反馈报警信号。\n[0117] 远程客户端，包括信息管理模块和监控模块。数据管理模块用于用户信息管理、车辆位置查询、车辆跟踪、排放超过限值报警、记录存储和查询等；监控模块用于实时显示监控车辆子部件系统相关排放故障信息以及影响尾气排放的数据流，并向车载终端发送管理命令，控制行驶车辆。\n[0118] 基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统，需要下述软件的支持：\n[0119] (1)安装VS2008软件平台，设计MFC客户端界面，并加载ECU通信公共函数库，实现通信及算法显示。\n[0120] (2)在监控客户端安装SQL Server 2008软件平台，存储和查询用户资料、故障信息等。\n[0121] (3)OBD转发器与远程客户端之间的网络通信单元采用TCP/IP协议，在VS2008软件平台编程实现基于TCP/IP协议的网络通信，各种数据流、故障信息等均以TCP/IP方式传输。\n[0122] (4)通过数据流、故障码算法，分析排放相关系统的数据流、故障码，分析诊断车辆尾气排放系统状态。\n[0123] 基于OBD检测数据的车辆排放远程监测系统的实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：\n[0124] 步骤一，数据处理单元进行发动机ECU参数提取。具体方法如附图2-附图7所示。\n[0125] 首先按照附图3所示OBD转发器与发送机ECU初始化通信和数据流与故障代码转发过程，对系统进行初始化。其次按照如附图2所示的OBD数据链路层通信结构格式可以得到数据流指令传输格式和故障码指令传输格式，如附图4、附图6所示。再按照附图5和附图7所示的数据流参数提取方法流程和故障码参数提取方法流程，计算得到对应的数据流参数和故障码信息。\n[0126] 步骤二，数据处理单元进行尾气排放系统状态分析和故障诊断。\n[0127] (1)根据附图4和附图5得到数据流参数后，区分状态参数和数值参数，然后分别按照参数对应的转换公式计算参数状态或参数大小。\n[0128] (2)根据附图6和附图7得到故障码信息后，按照图8所示故障码算法显示表述方法，可以得到对应的故障代码，并自动查询数据库中存储的故障码库，获取对应的故障内容。\n[0129] (3)根据(1)、(2)得到数据流参数内容和故障信息，分析影响尾气排放的三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统的老化程度和失效情况。\n[0130] 步骤三，利用网络通信单元，将数据处理单元处理后的排放系统参数信息发送到远程客户端。具体的方法流程图如附图9所示。\n[0131] 步骤四，远程客户端接收到信息后，实时更新参数内容，存储相关信息。\n[0132] 一方面信息管理模块可以实现用户信息管理、车辆位置查询、车辆跟踪、排放超过限值报警、记录存储和查询等。另一方面监控模块可以实时监控三元催化转化器、氧传感器、发动机失火、燃油系统相关数据流和故障信息，并将排放异常情况向车载终端发送报警信息。具体结构如附图10所示。\n[0133] 图11为本发明的系统实施流程图。