【汽车照明技术】基于物联网的汽车灯具实时数据监控和采集系统
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作者：Vikas Markanday
单位：福特公司
编译：翁梓馨
指导老师：林燕丹
摘要
在汽车灯具的发展史中，为了保证车灯能满足设计需要、能达到寿命要求、有可行性，测试与验证是必不可少的。而有些时候，即便车灯满足了所有测验条件，在实际道路环境下也有损毁的情况出现。在这个时候，人们需要搞清楚是哪些外界或者内在的因素导致了车灯的损坏。本文将展示一个基于物联网的数据监控与采集系统，可以实时收集汽车灯具的多种数据。
关键词：汽车照明；物联网；实时；数据采集；远程数据监控；GPRS；云端；低能耗网络；智能传感器。
简介
汽车照明对道路的使用者来说是保证安全的重要技术手段之一，尤其是在夜间或是在低可见度的情况下。汽车照明已经从过去非常基础的设计发展到今天极其复杂的照明系统。多种多样的控制系统、新型光源以及其他因素使得汽车照明系统比以往更加出色，不仅功能性更强，安全性也得到了提升。伴随着技术的进步，汽车照明行业未来也将继续增长。据报告，汽车照明市场预计会以7.22%的复合年增长率发展，2021年将达到295.3亿美元。
汽车照明持续地向更安全、更智能、更高效的方向发展，同时也更加得复杂。随着车灯复杂程度的提高，其发生故障的可能性也在增加。汽车制造商和灯具供应商们都需要考虑如何在各种驾驶条件下保证车灯的可靠性。通常，会在车灯的设计环节、制造过程甚至组装过程中，对所有潜在的故障进行分析和调试验证。基于对故障模式和影响的分析（FMEA），我们会提出一份验证计划从而确保车灯可以达到测试和检验的要求。然而，有些时候即使车灯达到了测试要求，在实际的道路条件中仍出现了故障。这个时候，就需要去了解究竟是哪些内在的或者外在的因素导致了故障的发生。对于实际条件下发生的车灯故障的数据采集会有助于我们了解一些在实验室条件下不容易发生的故障模式。本文将讨论如何利用一些技术手段，比如物联网，来达到对实际车灯情况的监控和数据采集的目的。
物联网简介
物联网是一个热门话题，本文不会深入讲述物联网的细节，而是简单介绍物联网并着重讲述其与本文所讨论话题的联系。
A. 介绍
物联网利用装在物体中的传感器、软件、硬件和网络连接，来实现物与物或者人与物之间的交互。利用网络连接，将现实世界与网络世界融合为一个整体。物联网正在从根本上改变市场与行业。几乎所有的行业都受到了来自物联网的影响：电子、家具、保健、零售、物流、运输……智能化的设备已经带来了一系列的转变。
智能家居、无人驾驶汽车、智能手环就是应用物联网的例子。智能空调可以记录用户的使用偏好来自行调节室内温度。用户不需要每次都调节房间的温度并且可以省下10%-15%的电费。智能手环可以自动监控使用者的心率、日间活动状况和睡眠情况，同时，通过与电脑和手机的连接，还可以接收电话和短信。智慧城市路灯系统可以根据道路上车辆和行人的情况自动改变路灯的亮度，从而节省能源。在健康方面，物联网又可以帮助老年人控制自己的用药量，提醒服药的时间等。
物联网接下来将会有进一步的发展，并且会显著地提高消费者们的生活质量。IHS预报称物联网所拥有的设备器件数目将会从2015年的154亿增加到2020年的307亿，到2025年将会有754亿。专家们相信未来物联网也同样会影响到汽车行业。据行业内部报告，将汽车加入物联网是一个明显的趋势，其中同样也隐藏着巨大的商机。据估计，到2020年将会有3.81亿辆物联网汽车，而2015年物联网汽车为3.6千万辆。而这些新增的物联网汽车总值为8.1万亿美元。
图1. 物联网市场预计
B. 物联网的构架
一个物联网单元包含有四个基本结构：
设备（物）
网络设施——连接各个结构
云端——数据储存、计算、分析
应用程序——利用手机或电脑来预警，报告和控制
图2 物联网单元的组成结构
C. 物联网设备
物联网中的物可以是任何设备，只要它能够被明确地识别出，并且其带有的传感器和驱动装置能够让它感受环境的变化或者是和周围的设备交换信息。记录你身体状况的可穿戴设备，一个门锁，一个GPD追踪器，洗碗机，带有多种传感器的智能家居，智能空调，钥匙搜索仪，手机。内置传感器的智能汽车，智能健康监护仪，装在动物体内的追踪芯片，这些都可以被认为是物联网设备。
为了让物联网设备能够正常地工作与传递信息，设备需要有一些必要的子结构：
传感器——将外界的物理信息转化为信号。这些信号可以被采集和储存。根据传感器的数据，系统可以做出相应的行动。传感器即可以是一个简单的开关，也可以是复杂的回转仪或者湿度计。举例来说，智能家居中的温度传感器可以为空调系统提供环境温度数据，使空调可以维持室内温度不变。
驱动器——驱动器不是必要的，只有当系统需要作出某种反应来改变环境时才需要。例如，自动洒水系统会根据土壤湿度传感器的数据来驱动洒水系统对你的花园进行灌溉。
通信线路——通常我们采用无线连接将设备与网络相连。这种方式灵活方便，当我们安装传感器时就不必再安装线缆。根据不同的通信方式，物联网设备之间采用的无线通信协议也有所不同。对于由电源供电的物联网设备，低能耗是重点考虑的，这时通常会采用蓝牙低能耗或者ZigBee通信协议。
控制器——控制器相当于物联网设备的大脑。通常是一个单片机或者是集成电路芯片（SOC），它们可以同时进行数据的管理、网络连接等任务。持续进步的技术手段正在让控制芯片往更小更智能的方向发展。
电源——当物联网设备与外部的供电系统相连时，能耗并不是一个大问题。而对于内部供电的物联网设备，能耗是在设计和选择器件时需要重点考虑的因素。现在，有些设备可以凭借一个纽扣电池持续工作十年，这些设备就可以让人们放心地使用。
D. 网络架构
网络架构是物联网的关键元素，它实现了物联网设备之间的相互交流与数据通信。不论是将设备的数据传输到云端，还是将云端的指令发送给设备，网络成为了物联网内部交互的重要保障。物联网网络架构又包含两个关键部分：
物联网网关：网关是不同协议之间相互连接的结点。物联网网关可以将采用不同通信协议的设备和云端连接起来。除此之外，网关还能提供本地处理和储存功能来提供线下服务，甚至还有对工作设备的控制服务。
网络：众所周知，物联网的关键在于连接与交互。而网络正是实现物联网各个部分相互联系的关键。正如上文所提到的，物联网可以有多种数据传输的网络。每一种网络协议都有其特定的最小传输距离、数据传输率、供电需求和成本。一个利用纽扣电池进行长期工作的设备就需要采用高能效的网络，如蓝牙低能耗协议（BLE）。然而，这种高效网络不能直接与云端服务器相连。Wi-Fi网络可以直接与云端进行数据传输，但不能利用纽扣电池来供电。这种情况就导致了物联网系统中的不同网络，此时就需要有物联网网关来实现不同网络之间的数据交换了。
在某些情景下，外部供电的物联网设备可利用以太网或者Wi-Fi网络直接与云端进行数据传递，这时就去掉了对网关的需求。这种物联网模式被称为设备到云端交流模式。目前，短距离的无线通信协议有ZigBee, Z-wave, Thread, 802.15.4, 6LoWPAN等，每种都有自己的优点和缺点。
E. 云端
由物联网设备产生的数据需要被储存和分析，或者是执行，这时就需要依靠云端了。云端最初是为了储存和分析数据。它为电脑的、物联网设备、传感器、网站和应用程序提供共享数据。云平台每天都可以采集到大量的数据，而用户可以规定对某一事件采取怎样的行动。智能手机可以在云端持续更新用户的所在地，云端可以向家中的空调发送信号使得用户在回家时室内已经达到了舒适的温度。在比如说，安装在车道上的距离传感器可以察觉到主人车辆正在接近，就可以开启车库门或者解锁大门。云端根据采集到的信息以及程序的设置来选择执行相应的操作。而除了数据储存和计算，云端也需要考虑到安全问题、控制权限问题以及后端服务的问题。目前，AWS、Xively、Azure、Thinger和Google 云都是可用的云端。
F. 应用程序
应用程序是为了实现某种特定功能的软件。应用程序可以在云端、手机、平板或者电脑上进行操作。例如常见的微软word就是一款在电脑桌面上应用的文字处理软件。而在智能手机或者平板这类移动端上的应用程序又被称为移动应用程序。利用网络实现的应用又被称为网络应用程序。应用程序使用户可以利用手机对物联网设备实施远距离的检测和控制。例如，用户可以利用云服务检测土壤湿度计的情况，并且通过手机或平板来控制洒水系统的开启或者关闭。
G. 安全
在信息的传递过程当中，信息的隐私安全成为物联网系统的重要元素之一。保障信息安全的方法有很多种：加密传输、授权、秘钥管理以及其他安全技术手段都可以确保系统的安全性与私密性。
H. 物联网交流模式
根据使用需求，物联网采用了四种不同的交流模式。以下将会解释这四种模式在框架上的不同：
设备到设备：设备到设备交流模式代表两个及以上设备之间的信号直接交流，并不通过任何的中间应用或服务器。这些设备间的交流可以利用许多种类的网络，包括IP网络或者互联网，但更多情况会用蓝牙，Z-Wave或者ZigBee。
设备到云端：在设备到云端交流模式中，直接通过一个应用程序实现物联网设备与云端之间的数据交换和控制信号传递。这种方法通常会利用已有的通信设备比如传统的有线以太网，或者是利用Wi-Fi将设备与IP网络相连，最终连接到云端。
设备到网关：在设备到网关模式中，或者说，设备到应用层网关（ALG）模式，由小电池供电是物联网设备通过网关与云端相连。简而言之，本地网关设备中有一个应用软件，相当于设备与云端中的中转站，可以起到安全保障以及信号翻译的作用。
后端数据共享：后端数据共享模式可以让用户从云端服务器和其他设备中得到数据并且进行分析。这种构架支持用户向第三方上传传感器数据。这一模式相当于对设备到云端模式的延伸，因为设备到云端模式是设备上传数据到单一的应用程序服务商。后端数据共享模式实现了对单独设备获取的数据进行合并与分析。
利用物联网的汽车照明
随着物联网的飞速发展，许多企业利用物联网来获得提升并且获取更多的利润。物联网改变了消费者与商品之间的交互方式，也使一些企业在市场竞争中脱颖而出。当物联网与数据分析结合起来时，将会提供更多的信息，以往难以理解的问题也有可能得到解决。换句话说，凭借物联网的数据分析将有助于企业决策制定。汽车照明对汽车用户的体验来说尤为重要，将汽车灯具纳入物联网中将会给用户带来更加惊喜的驾驶体验。另外，利用物联网提高车灯的质量和可靠性也将提升客户的满意度。
在车灯发展的过程中，尤其是在新技术介入时和车灯出现故障时，我们急切地需要知道新的技术在实际使用条件下的表现，或者是在什么条件下会出现故障。例如，供应商或者汽车制造商会好奇实际工作条件下的汽车灯具温度，或是在崎岖的道路上车灯会受到多大的震动，又或者是汽车负载时车灯会有多大偏移量等等。接下来我们讨论一下再实际使用时，汽车前照灯的冷凝性能。图3展示了设备到云端交流模式下一个完整的前照灯温度和湿度远程数据采集和监控系统。
图3 前照灯温度和湿度远程数据采集和监控系统结构图
测试的前照灯需要在车灯的合适位置安装好一些温度和湿度传感器。传感器的选择范围很广。例如DTH-22，它可以同时采集温度和湿度数据，它可以测量-40℃到+80℃，0-100%RH，误差分别为0.1℃和0.1%RH。另外的DS18S20的精度较高，单总线数字温度传感器可以测量-55℃到+125℃。LM94021可以在低压下工作（1.5V），比较适合用小的纽扣电池供电情况下使用。
传感器选择好后，就需要用控制器来处理传感器的信号并且发送无线射频信号。无线信号可以被网关接受。现在许多半导体制造商提供的集成电路芯片可以应用到低能耗的无线连接中。这些芯片在不同的无线协议下工作。集成芯片利用最小的体积实现了不同传感器和驱动器之间的相互连接。集成芯片最突出的优点就在于它们有非常低的能量消耗和非常小的体积，使它们能够集成到传感器上，并采用纽扣电池供电，这样在相当长的时间内都不需要更换电源。nRF51824就是一个采用蓝牙低能耗协议的集成芯片，配有32位256kB的CPU和16kB的RAM，可以在1.7V-3.6V下进行高能效的工作。这种集成芯片拥有32个输出输入端口并且可以处理多种通信协议，而它的封装大小仅有6×6mm。
信息流的下一步是网关，它能过接受前照灯具里传递出的传感器数据。灯具中的传感信号转化器和物联网网关之间的距离不大（网关安装在车厢里），因此可以采用低能耗的无线通讯协议比如BLE、ZigBee或者Z-Wave。
传感信号转化器可以以事先设置好的间隔传递数据，或者是在网关请求数据时传递数据。当网关接收到每个传感器数据时，它又可以在3G、4G或者LTE网络中利用GPRS或者EDGE信号将数据信息发送给云端服务器。这时，我们假设所有安装有物联网前照灯的汽车都是在运行情况下，因此无线Wi-Fi由于范围有限就不能正常工作。其他一些通信协议比如HTTP, TCP, MQTT都可以和云端通信。
除了传感信号转化器和云端之间的相互通信，网关还可以用来储存传感信号，实现数据的本地下载和监控。还有一种方式，将网关与GPS接收器和时间模块连接起来，这样就可以同时记录到传感器采集数据的地点和时间。这些信息有助于了解前照灯在不同的使用时间后或者在不同地点的冷凝性能。
当传感器信号传递到云端时，就可以利用应用程序对数据进行计算分析。应用程序提供的网络服务使得用户可以在电脑、笔记本或者手机上获取实时的数据。为了保证数据的安全性和隐秘性，我们可以在系统的各个层面上进行授权处理。
为了演示这一概念，我们在福特澳大利亚利用现有的前照灯进行了相关的实验，对它的冷凝性能进行了监控。我们在车灯里安装了不同的湿度和温度传感器。利用Arduino平台搭建了网关。
图4 （a）传感器位置
（b）基于Arduino的数据储存器
（c）以时间轴记录的温度与湿度数据
总结与展望
物联网技术正在从根本上改变各行各业。在汽车行业，物联网可以被用到行业的各个方面，具有无限的潜能。本文旨在介绍物联网技术，利用物联网可以在复杂程度更高、可靠性要求更高的汽车照明系统中获取到更多以往都难以采集到的数据。
本文来源：第五届中国国际汽车照明论坛（IFAL 2017）论文集
