基于RASPBERRY-PI的汽车故障监测应用

    吴征洋 逯慧敏

    摘?要：基于RASPBERRY-PI模块研制出一款汽车故障监测系统，该系统以RASPBERRY-PI作为核心控制模块，实时监测汽车各部件使用情况是否正常，当汽车发生故障无法正常运行时，车主只需要打开该系统就可迅速检查出是汽车哪个部件出现故障，并提供给车主维修方案，该系统期望达到的效果是既能帮助车主省去在偏远地区等待汽修公司的烦恼，也能正确区分汽车故障中的真故障和假故障。

    关键词：RASPBERRY-PI：汽车故障监测

    中图分类号：U472?文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.11.043

    作者简介：吴征洋（1999-），男，汉，山西太原人，本科在读，研究方向：计算机科学与技术。

    通讯作者：逯慧敏（1987-），女，汉，山西太原人，硕士，讲师，研究方向：马克思主义理论。

    0?引言

    随着经济的不断发展，消费者对于汽车的购买能力也越来越强。为出行方便，车辆也成为家庭必不可少的配备，在这样的状况下，汽车故障也成为有车一族的困扰，尤其对于汽车系统不太熟悉的司机，在报修的描述中常常无法准确表述汽车所发生的故障，导致在长途行车或者远离市区时，维修人员不能准确判断故障原因。这就需要一种技术能够方便地建立起维修人员与不同位置和不同设备的联系方式，使汽车维修人员能够实时掌握图像、声音、温度等在实际现场才能获取的数据。

    项目主要探索通过RASPBERRY（树莓派）-PI模块研制出一款汽车故障监测系统，以此正确反馈汽车故障，使维修人员在远程情况下判定故障发生状态和原由。

    1?项目的硬件支持体系

    2019年6月发布的树莓派4B版本，搭载1.5 GHz的64位四核处理器（Broadcom BCM2711， Quad core Cortex-A72 （ARM v8） 64-bit SoC @1.5 GHz），其配备全吞吐量千兆以太网 （PCI-E 通道）、双micro HDMI输出，支持4 K分辨率、microSD存储系统增加了双倍数据速率支持率等功能，这为项目提供了硬件支持。我们发现树莓派4B在探测物体的速度上比上一代树莓派3B+快了70%左右，物联网的感测系统结合这一特点通过快速稳定的探测汽车故障点，可以准确将故障返回电脑系统。

    本系统中视频监控系统选用树莓派ZERO W，不仅仅因为树莓派ZERO W的便携，它还集成了无线网卡，这样就可以特别方便地装到任何地方。尤其是树莓派 ZERO W摄像头套件，套件中包含了一个能将树莓派主板和红外夜视摄像头合体在一起的3D打印外壳。之后利用软排线将摄像头和树莓派连接起来通电使用。在此过程中，项目将一个端口的流量数据复制到另一个端口，即将系统刷到树莓派中，给树莓派配置以合适的IP 地址，通过运行bash脚本，当脚本顺利完成后，所有的服务都被激活，在电脑端或者手机浏览器中用户可以看到数据。

    系统中的图像识别项目采用TensorFlow 的卷积神经网络图像识别功能和树莓派进行有效结合，这个结合不需要价格昂贵的CPU，但又能有效避开传统的背景图像分类技术中的短板。在汽车故障的识别中，不可能进行手动选择汽车故障部位的模式。利用TensorFlow 的卷积神经网络图像识别功能，在树莓派上运行图片分类器。只要树莓派能够有所保障，在设备上直接进行图像流处理也是完全能实现。为了更加精确定位和进行反馈图像的分类识别，项目通过对更大和更多样的数据集，意在建立一个更加稳定和无偏差的识别器。经过多次试验，在电脑上进行过实操后，我们发现这种做法对于将来雏形的微调也非常方便，而中端CPU就足够可以满足需求，这一选择即使应用在汽车故障的解决中也非常合理便捷。

    系统中的温度传感系统，项目将温度传感器和树莓派连接。这个部分和基于树莓派的智能家居理念类似，但是又有所不同，智能家居在读取温度后，需要根据用户设定的稳定值调整过高的温度。而汽车在发动后，有些温度升高不一定是要通过树莓派和温度适配器调试的，它仅仅需要实现正确读取和反馈功能就可以。所以在温度值的读取和反馈系统中，相对会简单。对于反馈项目采用 I2C 读取温度值，然后利用树莓派制做小型web服务器，服务器采用python flask，联合用jinja2模板，将温度数据传到模板里面，前端用图表库处理数据显示出来。

    系统中的声音输出也是项目选择树莓派的一大亮点和便捷点，树莓派支持HDMI音频输出，所以默认的情况下，树莓派是通过HDMI输出音频的。用户在手机端使用时，自带音频。我们需要解决的是，维修人员在电脑上查看视频的同时，如何能同时接收到声音的反馈，尤其是在台式电脑的操作下，如何接收声音反馈，这就需要进行合适的配置调整才能实现。首先我们通过系统启动器，打开用户终端。在终端输入：sudo raspi-config，把光标移到Advanced Options，接着把光标移到Audio，把光标移到3.5 mm jack上，回车确定。然后通过按Esc退出树莓派系统设置，接着声音输出就从HDMI改为3.5 mm耳机孔了。

    2?项目的软件支持体系

    项目在寻找到适配的硬件后，至关重要的就是对于软件的考虑。只有硬件，没有软件的支持，一切都只能是处于构想。而树莓派官方默认搭载的Debian系统形成的Raspbian更是此项目的不二选择。本项目选用的Python语言具有完全免费、面向对象、简单易学、可移植性强等特点，并且可实现对硬件底层的访问和控制。尽管我们观察到树莓派社区中发布的操作系统版本已经达到几十种，包括Fedora，Ubuntu Mate，Windows IoT等，而Raspbian是开源Linux操作系统的发行版 Debian的分支，它拥有的软件包早已多于35万，是一个非常成熟的生态体系，实现了Python、Java、C语言等广泛应用的语言支持，无疑为后续的物联网软件开发提供便利。

    项目正是基于树莓派的便捷和越来越快的识别速度，结合官方软件包来准确的定位汽车故障。但是针对汽车发生的故障，目前维修人员已经将汽车故障大致分为真故障和假故障两种类型。在树莓派的合理应用下，车主在长途行车过程中，通过树莓派对于故障的反馈，维修人员可高效识别是否是真故障。

    3?项目开发解决的主要难点

    （1）上文提到维修人员对于汽车故障大致区分真故障和假故障。尤其在真故障当中的电子信号系统的识别相对困难，当今汽车系统中存在五种基本类型的电子信号，分别为脉宽调制信号、串行数据（多路）信号、交流（AC）信号、频率调制信号、直流（DC）信号，把这五种基本的汽车电子信号称为“五要素”。汽车电子化程度越来越高，因为不可视、不专业，造成新手车主无法准确表达汽车发生故障的直接原因，这也是本项目最为花费时间的部分。

    （2）在项目研究过程中，团队成员比较重视采用树莓派作为底层终端收集摄像头、图片处理器、温度感应器的数据，而汽车如果只监控一个故障部位或者少量部位，可以用WiFi作为媒介接入以太网交换机，同时采用树莓派内置的HTTP服务直接显示到某台电脑上或者手机浏览器上。

    4?结语

    RASPBERRY-PI作为目前比较热门的微型开发板之一，尤其是现在已经迭代到更高级的第四代，其性能更为优越，本项目以RASPBERRY-PI为核心针对不太懂汽车专业知识的车主提供一款具有类似于PC性能的故障检测系统，车主安装本系统后可以实时监测汽车各部件以及查看发生故障的原因和时间节点，为汽车用户及时提供解决方案，为车主省时省力省钱，并能针对车主做出一些有损汽车部件的行为给予提醒，从而延长汽车的使用寿命。

    参考文献：

    [1] 陈建皓.树莓派入门指南[M].北京：人民邮电出版社，2014.

    [2]?仇雅丽.汽车检测诊断技术与设备[M].北京：电子工业出版社，2008.

    [3]?董銘.嵌入式无线传感器网络网关设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

    [4]?李龙棋，方美发，唐晓腾.树莓派平台下的实时监控系统开发[J].闽江学院学报，2014（7）：3-4.