基于Android的网络车辆诊断与数据采集系统设计

作者 / 黄赞1 莫长江2 黄梓华1 　　1.岭南师范学院 机电工程学院(广东 湛江 524048)2.岭南师范学院 信息工程学院(广东 湛江 524048)

　　*基金项目：广东省科技计划项目(NO.2017A010102022);岭南师范学院校级科研项目(NO.LY1806);2017年大学生创新创业训练计划项目

　　黄赞(1971-)，男，广东湛江人，汉族，高级实验师/博士研究生，研究方向为精密测量与计算机视觉。

摘要：本文针对实现网络化的车辆诊断与数据采集系统，提出了一种基于Android线性链表的车辆信息采集并网络存储的设计方法。方案以蓝牙OBDII(2nd On Board Diagnostics)硬件与Android程序为核心，通过高效的线性链表方式读取车辆行车数据，在Android上以仪表盘等方式显示，同时使用Android移动信号上传到服务器，并搭建网站实现查询、报表输出等功能。系统程序使用DELPHI开发，通过车辆实测，方案高效，性价比高，达到了车辆数据网络化的目的。

　　行车安全是车辆设计与行驶的第一要素，而利用OBDII接口取得车辆的各项运行参数，可为车辆必备的ECU(Electronic Control Unit)的设计提供数据支撑，同样也可使得最终用户对于车辆的车况能有更全面的了解。车辆装配企业进行车辆测试时，需要大量的汽车数据，这种数据并不单纯是显示在仪表中，或者是单机设备文件中，更需要把诊断终端在各台车辆设备的数据通过网络保存到服务器中，进行后期的查询、分析工作。

　　普通市面上与文献上的OBDII设备并不能满足其多终端车辆数据采集的功能^[1,2]，如参考文献1与2，有的没有实现网络化数据采集的功能;有的虽然使用了GPRS模块实现采集，但并没有使用Android智能终端程序且只对故障码与GPS位置进行了采集，没有本地故障码清除、行车仪表数据显示等功能，硬件成本较高，不能满足本地ECU制造企业的需求。因此根据企业实际要求，设计并开发了一种在Android智能终端上使用线性链表实现数据仪表显示、本机车辆故障码清除、行车数据采集的网络系统方案。

1 系统整体设计

　　1.1 需求分析

　　根据相关调查机构的数据统计^[3]， Android在2017年度中国智能手机市场，“安卓继续同比增长，如今占据智能手机销量的87.2%”，意味着在中国十部智能手机中，几乎有九部都搭载的是Android操作系统。本系统设计使用Android做为诊断终端介质，可达到较好的性价比与用户接受度。

　　车辆数据采集在底层依赖蓝牙OBDII与ECU的通讯，可以读取ECU掌握车辆的各个参数，如进气压力、节气门相对位置、发动机转速、缸壁温度、点火提前角、速度、车辆故障码等数值。而车辆数值需通过Android手机进行各数值的实时显示、网络集中上传到服务器提供查询与报表输出功能，同时Android App能对车辆故障码进行查询与清除工作。

　　1.2 整体设计

　　通过需求分析，可划分工程模块，实现车辆参数显示、故障诊断、网络传输的多功能的车辆数据系统设计。

　　(1)设计蓝牙OBDII接口的电路，使得接口电路能读取车辆参数，并由蓝牙接口与Android软件进行交互。

　　(2)设计Android软件，并研究OBDII协议，蓝牙接口，实现蓝牙通讯、网络通讯、数值显示、故障诊断与清除等功能。

　　(3)设计网络通讯服务器接收程序，用于接收智能终端的数据上传;设计服务器网站系统，用于查询终端上传的数据等等。

　　而在开发环境上，统一使用DELPHI语言开发(2)(3)的功能程序，可提高系统的兼容性与开发效率。基本的系统框图如图1所示。

2 硬件设计

　　硬件电路包含了两大部分：

　　(1)OBDII专用芯片。芯片采用ELM327芯片^[4]，通过它提供的各种接口(K line、CAN等)与车辆ECU连接，可获取车辆诊断信息，多用于故障码读取、清除、各参数读取等应用。

　　(2)蓝牙接口模块。蓝牙模块采用HC-08^[5]，本模块为串口蓝牙模块，使用它的TTL串口与ELM327芯片的串口交叉相连，可把OBDII的串口转成蓝牙串口，这样，就形成了与Android系统的蓝牙进行通讯的链路。

　　另外，包括了汽车电瓶12 V电源输出转5 V的电源部分电路与车辆的物理16针的诊断接口等，得到硬件电路图2。

3 软件设计

　　3.1 Android端软件框架

　　Android软件使用Embarcadero公司的DELPHI Seattle^[6]版本开发，基于面向对象PASCAL语言，突出优势在于跨平台的编译系统，可实现一次编码，多次编译，即同一套代码可编译出在Windows、Android、IOS不同系统上运行的不同的目标程序，提高了工作效率。

　　利用市场占有率高的Android系统作为开发目标系统，综合使用多窗体技术、SQLite数据库技术、内置蓝牙控件与GPS控件、TeeChart仪表与图表显示^[7]第三方控件，实现系统的设置、通信、显示、本地记录、绘制数据时间-数值曲线图、数据上传与车辆信息获取等OBDII功能。

　　3.2 基于线性链表的蓝牙通讯模块

　　3.2.1 OBDII协议命令与故障诊断

　　ELM327支持OBDII通讯协议，并分成两大类，通过串口通讯，发送ASCII码，其中一类为AT命令，包含如“AT BRT”等诸如波特率的配置命令，如果不是以“AT”开头的，ELM327芯片则认为是对车辆的OBDII命令，通常有9个模式，如表1所示。

　　每个模式下面都可能有若干个子命令，则发送对应命令时，第一个字节发送模式序号字节，第2、3个字节则发送该模式下的子命令字节，这些字节值称为PID(parameter identification)。比如，发送：01 0C，表示显示引擎rpm转速，可能得到的回复是：41 0C 1A F8。回复的一个字节为对应01+40=41，第二个是对应的PID值0C，而第三、四个1A、F8则是需要的rpm值，通过协议的公式转化，转速根据公式(1)得到:

　　(1)

　　具体每个PID的含义与回复协议，可参看SAE J1979或者ISO 15031-5标准。除了获得PID参数，根据表1，发送03命令，并解释返回，可得到车辆对应的故障码。故障码返回如果不为“P0000”，则表示存在车辆故障，可根据返回的具体代码查表获得故障信息，而Android App获得具体代码后，可自动查表，显示中文故障信息，比传统的故障诊断仪更具优势。而发送04命令，可清除车辆故障码。基于以上两条命令，可实现车辆故障诊断仪的功能。

　　3.2.2 Android蓝牙的实现

　　本系统的Android蓝牙^[8]利用Delphi Seattle内建System.Bluetooth.pas单元的蓝牙功能，包含了若干的蓝牙类：TBluetoothManager、TBluetoothDeviceList、TBluetoothAdapter、TBluetoothDevice、TBluetoothService、TBluetoothServiceList、TBluetoothSocket。而特别对于串口蓝牙而言，TBluetoothService指远端蓝牙设备服务，包括服务名和UUID两个参数，并分别规定为 'SerialPort Service'和'{00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB}'。

　　根据以上蓝牙类，调用对应的函数，具体实现步骤为：获得蓝牙配对设备列表、选定一个已配对蓝牙进行配对操作、获取已配对设备服务列表、判断如果含有串口服务，则可为蓝牙读写线程建立socket连接与初始化工作。

　　设置Fsocket为蓝牙socket全局变量，则Android写蓝牙函数为socket.sendData(ToSend)，其中ToSend为发送字节数组类型system.sysutils.Tarray，要发送的数值可放入可变长度的字节型数组统一发送;Android读蓝牙函数为Fdata:=Fsocket.readData，Fdata为返回值，与ToSend数据类型一致，读取返回值后访问该变长字节数组，根据OBDII命令通信协议，可解释每个字节的含义，得到对应的参数值。该读蓝牙函数为阻塞型函数，必须放入子线程执行。

　　3.2.3 头尾插入式线性链表算法应用于蓝牙通讯

　　线性链表是指有链接存储结构的线性表，它用一组地址动态分配的单元存放线性表中的数据元素，一般用结点描述：结点(表示数据元素) =数据域(数据元素的映象) + 指针域(指示后继元素存储位置)。线性链表大概可分为单向线性链表、双向线性链表，循环线性链表^[9]。

　　鉴于OBDII协议命令的发送规律，算法上采用双向线性链表，循环线性链表都不太合适，因此采用头尾插入式单向线性链表。

　　一般的单向线性链表都在头部读取元素，尾部插入元素的FIFO(Fisrt In First Out)处理算法，而系统采用头尾插入式单向线性链表算法，把优先级高的命令元素立刻插入头部，否则还是按照原算法插入链表尾部。在系统实现中，当用户界面并不急切显示其命令返回结果时，依次进行顺序发送，使用链表尾插入方式增加链表节点;反之，当其命令的执行效果需要马上在软件界面体现，则使用链表头插入方式增加链表节点，使得需要尽快执行的OBDII命令插队到第一执行，例如用户界面切换到用户查询与消除故障码时，需要马上得到系统响应，就要使用在链表头插入节点命令的方法去避免用户长时间的等待。实践证明，当出现用户车辆故障码查找与消除界面时，命令插入连表头，可马上得到响应，快速实现车辆故障码显示及清除故障码的动作。链表的插入与读取(删除)如图4所示。

　　本单向线性链表数据域为myData，数据类型为字节数组，可存储OBDII命令字节，指针域为next，指向下一个元素存储位置。另外，基于面向对象的编程思维，把头尾插入式单向线性链表的操作实现封装成了TsingleQueue类，类包含头尾指针定义、初始化链表方法、增加节点方法、删除节点方法与清空链表方法等。

　　其中，类方法中增加节点addQueue方法为实现头尾插入式单向线性链表的核心方法，参照图4中在链表头插入节点p与在链表尾插入节点p的原理，具体实现如下：

　　function TsingleQueue.addQueue(ele:dataArr;headOrRear:boolean):boolean;

　　var

　　p:sQueue;

　　begin

　　new(p); //动态分配内存节点

　　p^.myData:=ele;//节点中的数据域赋值

　　if (headOrRear=true) or (head=rear) then

　　//如果是在链表尾部或者空链表插入节点

　　begin

　　P^.next:=nil;

　　rear^.next:=p;

　　rear:=p;

　　end

　　else //如果是在链表头部插入节点

　　begin

　　p^.next:=head^.next;

　　head^.next:=p;

　　end;

　　result:=true;

　　isEmpty:=false; //非空链表标记

　　end;

　　在主程序中，使用sq:=TsingleQueue.create生成链表，sq.initQueue方法初始化链表后，为了增强用户体验，数据处理不能放在用户界面主线程，以免程序响应时间过长，照成用户界面假死，需使用多线程[10]后台操作该线性链表类，并注意多线程的临界区操作，定义cs:TcriticalSection，避免出现多线程调用时，造成因非线程安全引起的链表数据错误，线程核心代码如下：

　　while not Terminated do

　　begin

　　cs.Enter;//进入临界区

　　tmp:=sq.delQueue;

　　//读取并删除线性链表的首个OBDII命令

　　cs.Leave;//离开临界区

　　setLength(toSend,5);//分配命令数组

　　for i:= Low(tosend) to High(tosend) do

　　toSend[i]:=tmp[i];//OBDII命令数组赋值

　　if toSend[0]<>0 then

　　begin

　　mainform.FSocket.SendData(ToSend);//使用蓝牙端口发送OBDII命令

　　receivedBT;//读蓝牙返回值并解释存储

　　end;

　　end;

　　3.3 服务器模块

　　为实现多终端数据网络采集功能的特殊需求，需设计服务器数据库，系统采用了MSSQLSERVER关系型数据库，设计有车辆信息表、用户表、设置表与车辆数据表以及对应的数据库存储过程、触发器程序等。

　　而系统中间件DataSnap[11]中间件在服务器中实现接收终端数据，并存入数据库的功能，采用的DataSnap核心基于JSON与HTTP REST的跨平台标准。程序主要使用了FIREDAC数据库组件进行对数据库的读写控制，WebModuleUnit实现HTTP接口，ServerMethodUnit实现数据库连接、数据表读写与存储过程控制。

　　而服务器的另一个功能是网站发布。使用DELPHI+uniGUI的模式进行网站开发，编程设计网站读取用户手机终端上传到数据库的各项PID数据、经纬度数据等信息并显示在浏览器上，可实现查询数据、报表输出的功能。

　　4 工程实测与结论

　　Android手机为小米Note电信增强版，版本4.4.4KTU84P，MIUI5，车辆选用北京现代瑞纳VERNA做为实测车辆。硬件接入车辆的OBDII接口后，打开本系统设计的Android软件，并运行服务器的DataSnap中间件服务器接收参数，IIS网站服务器发布编写好的网站。

　　经测试，本系统能查询并消除车辆故障码的功能，正常读取车辆的各项核心数据，并成功上传至服务器存储，通过网页访问，可得到多终端各个车辆的数据，达到了预期的设计要求，并通过了企业的验收。终端读取车辆实时数据如图5所示。(1)为车辆怠速时的仪表显示页面;(2)为车辆正常行驶时的仪表显示页面;(3)(4)为车辆正常行驶时的部分PID数据。

　　而图6为浏览器中显示是服务器网站的页面之一：网络采集的部分车辆PID信息网络页面,该网站页面由uniGUI技术编程生成，可通过数据生成日期进行查询，亦可通过车辆识别码进行联合查询(车辆识别码由企业自主生成)，而查询结果可生成打印报表输出，企业用户可利用报表数据，分析ECU对车辆在各个状态时的控制效果，调整与匹配车辆的各项参数，实现了既定功能。

　　通过线性链表与多线程等关键技术在蓝牙通讯中的工程应用，一方面提高了通讯可靠性，另一方面，程序运行界面无停滞死机，提升了用户体验，而利用了Android移动互联网、 OBDII协议的网络车辆数据采集系统具有性价比高、用户交互性强等特性，可直接应用于车辆的诊断、实时数据网络监测、GPS定位等项目需求。

　　参考文献：

　　[1]潘益斌,张海峰.基于OBD的汽车数据采集及捕获系统设计[J].杭州电子科技大学学报(自然科学版),2015:45-48.

　　[2]杨彬,周建武.基于OBDII和GPRS远程汽车故障诊断系统设计和实现[J].计算机应用与软件,2012(09):209-212.

　　[3]Kantar：2017年中国智能手机市场Android份额高达87%[EB/OL].(2018-9-20) [2017-5-12] http://tech.sina.com.cn/roll/2017-05-13/doc-ifyfecvz1148686.shtml

　　[4]Elm Electronics.ELM327 OBD to Rs232 Interpreter[EB/OL].(2016-05-13) [2016-09-13]http://wenku.baidu.com/link?url=7QV1b8sAtvp90L82s94895SajqTE_5FYdohhlbmX0wUFxW9MetB5t27wfhyXu2YDA-6zqn983vr86p-u8nZK2ybTUii3Xm7TqB_xa_wF3I7

　　[5]汇承信息科技.HC-08蓝牙串口通信模块用户手册V2.4 [EB/OL].(2016-07-26) [2016-09-28]http://www.wavesen.com/mysys/db_picture/news3/2016726165447101.pdf

　　[6] 黄春香,杨奕.基于Delphi的PC机与AVR单片机的串行通讯[J].仪表技术与传感器,2012(06):112-114.

　　[7] 蔡黎,代妮娜,邓明.基于OBD协议的Android平台汽车虚拟仪表设计[J].电子技术应用,2011,37(12):91-94.

　　[8] Thomas Soderholm.简化低功耗蓝牙医疗设备的设计[J].电子产品世界,2018,25(05):63-64+70.

　　[9]杨泽林，李先发. 基于双指针环形缓冲区的数据采集系统设计[J].仪表技术与传感器,2016,11:67-69.

　　[10]许健,于鸿洋.一种Linux多线程应用下内存池的设计与实现[J].电子技术应用,2012,38(11):146-149.

　　[11]刘磊.基于Datasnap技术的信贷管理系统的设计与实现[J].科学技术与工程,2006,6(17):2766-2768.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第12期第39页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。