车联网平台动态数据采集

谈思汽车 2023-11-17 11:28

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随着车联网与5G技术的融合以及车辆智能化的发展，车联网的数据采集需求呈现爆发式增长。传统的车辆数据采集主要用于车辆的远程监测和故障诊断。

随着车辆应用的丰富和智能化水平的提高，车辆数据采集逐渐应用到更多的场景，如研发用数据采集、数据统计和分析、规则引擎与报警系统、车辆实时控制等。

现有的数据采集方案往往通过车载数据采集终端（T-BOX）固件中的采集功能或自行编写的采集程序进行车辆数据采集。

通常采集程序所采集到的车身信息是固定且直接固化在车载终端上的。在智能车联网时代之前，采集的数据种类少、全量采集压力不大，这种做法是可行的。

随着车联网技术的发展，车辆整车网络构成也越来越复杂，可采集的车身信息多样化，全量采集数据量过大而且浪费宝贵的带宽资源，因此需要根据TSP应用的需求按需进行采集。

此外，不同车型的汽车通常会有不同的数据，例如CAN总线的数据在不同车型上会有不同的DBC文件。固定采集程序无法移植，必须重新编写，并OTA升级采集程序。

总的来讲，固定采集程序存在以下问题：

•采集的数据固定，无法灵活变更采集的项目

实际上随着车联网的发展，数据采集项目将根据应用呈现更多变化，固定的采集方式无法满足经常变动的真实需求。

•采集信息解析配置固定，无法匹配新的车型或总线数据变化

例如，采集CAN总线数据的采集程序，无法变更DBC文件以匹配总线数据的变化。

•扩展不易，新的传感器或总线协议需要重新开发

注：DBC（Data Base CAN）文件是由德国Victor公司发布的，它被用来描述单一CAN网络中各逻辑节点信息，依据该文件可以开发出监视和分析CAN网络中所有逻辑节点的运行状态

因此，业界迫切需要一种灵活的、支持弱网情况的数据采集方案。

如何实现灵活数采

针对固定数采程序缺陷，我们需要一个灵活数据采集引擎，并具备以下能力：

•灵活数据埋点配置和规则，并可热更新和热启停数据采集规则。

•多数据源对接和解析能力，例如CAN总线、HTTP信号等。

•灵活配置数据源解析的能力。以CAN总线为例，应当支持DBC文件的灵活加载和更新。

•采集数据灵活分发的能力。可根据业务创建规则，将一部分数据本地保存，一部分数据回传云端。

•弱网工况下，采集数据高效回传的能力。

•足够轻量高效，从而可以运行在多种车型，包括车机资源受限的车型上。

基于大量的车联网用户案例和经验，EMQ推出了基于eKuiper与QUIC协议的车云系统方案，实现了一套易部署可移植的车联网灵活数采方案。方案架构如下图所示。

在该方案中，我们采用开源边缘流式处理引擎eKuiper实现车载终端上的灵活数据采集功能，采用大规模分布式物联网MQTT消息服务器EMQX实现采集数据的连接、移动和处理以及车云一体的控制指令交互。接下来，我们将以eKuiper为例，介绍如何实现车联网灵活数采。

灵活数采方案剖析

LF Edge eKuiper（简称eKuiper）是开源的超轻量数据分析和流式计算引擎。eKuiper兼容性强，可适配X86和ARM等多种CPU架构的车机终端。软件较轻量且可裁剪，核心包和初始运行内存在10MB级别，支持高吞吐低时延的各种数据处理和计算。在方案中，以部署于车机端的eKuiper为核心，可以实现近实时的灵活数据采集和处理转发等功能。

如下图所示，eKuiper具备了数据流的接入、处理和流转能力。南向部分，eKuiper支持接入各种协议的数据流，例如CAN总线、MQTT协议、Socket（TCP或UDP）和DDS等。

接入的数据可以在引擎内部根据用户定义的规则，进行数据的采集、转换、过滤和分析等数据

处理工作，之后再将采集或处理的结果发送到各种北向的目的地中，例如存到本地的文件、数据库中以便后续车载应用使用；或是通过HTTP/MQTT等协议发送到云端或TSP应用端进行处理。

在灵活数采的场景中，假设eKuiper已部署到车机中，要完成一个数采任务，一般只需要两个步骤：

1. 接入数据流

2. 建立采集规则

在eKuiper中，这两个步骤无需编写代码，可使用SQL语句或者可视化Flow编辑器进行配置。

数据流接入

CAN（Controller Area Network）是最常见的车联网总线网络。本文以接入和解析CAN数据为例，介绍eKuiper如何实现车载数据流的接入。

在eKuiper中提供了CAN数据源，其中主要实现了两个能力：

1. 连接协议

2. 根据DBC解码CAN报文

连接协议支持

若eKuiper可以直接连接CAN总线，则可通过CAN协议建立到车载总线的连接，获取总线数据。出于安全的原因，eKuiper也经常被部署到与总线隔离的硬件上。例如，eKuiper部署在MPU中；而在MCU中部署CAN总线连接应用，通过TCP、UDP或者MQTT协议等，将报文透传出来。eKuiper同样支持通过这些协议进行连接，获取总线数据报文。

灵活CAN报文解码

我们从总线接收到的报文为二进制编码的数据，人类难以阅读。CAN DBC是一种文本文件，用于CAN报文的描述文件。通过读取DBC的描述信息，我们可以把CAN报文的数据解析为物理值的信息。例如，一段CAN ID 0x208的数据0x0500000000000000，根据DBC的描述信息可能解析为一系列信号，可表示为键值对或者JSON串{"temperature":10,"voltage": 100}等。

eKuiper的CAN数据源可将数据解析为可读的键值对，这样编写数据采集规则的时候，可以直接选取可读的信号，大大简化采集逻辑的编写。CAN报文解析功能具有极大的灵活性，可以动态地更新DBC文件以适配不同的车型或升级车载总线数据而无需编码。

CAN报文解析的灵活性主要体现在如下方面：

•DBC文件可配置，可热更新

•支持多个DBC文件

•支持CAN FD格式

•支持白名单和container ID映射

基于灵活的报文解码支持，当总线数据结构改变或者更改车型时，仅需更新DBC文件即可适配。

在eKuiper中，流（stream）是用于定义数据接入的一个实体。我们可使用如下的SQL语句，定义一个接入CAN总线的数据流。

该语句定义了一个名为canDemo的流，其类型为can，即接入CAN总线的数据源类型；

CONF_KEY表示接入配置定义在名为test的配置中，其中可配置使用的DBC文件地址等；

SHARED设置为true，表示使用该数据流的所有规则共享一份数据，确保解码只会进行一次。

该流将接入解析CAN总线数据，得到JSON数据流。接下来，应用开发人员可以在其上创建多条规则，定义如何采集数据。

接入扩展

随着汽车智能化程度的提高，车载的传感器和数据总线的数量和种类越来越多。eKuiper提供了扩展机制，用户可以编写插件实现新的协议或私有协议的接入和解析。安装后的插件遵循使用逻辑，应用开发人员可以与使用原有的数据流类型相同的方法创建数据流。

灵活配置采集规则

前文中我们已经创建了连接CAN总线的数据流，接下来我们可以建立多个数据采集规则进行灵活的数采。规则内容为JSON文本数据，可通过REST API等方式进行规则的动态下发管理。

eKuiper的规则分为两个部分，其中SQL用于编写业务逻辑，例如需要采集哪些数据、对数据做哪些处理；Actions部分用于描述规则命中后执行的动作，例如存储到本地文件或者发送到云端MQTT的某个主题中。

总线中的数据解析为包含发动机相关数据如发动机转速（rpm）、进气温度（inletTemperature）、进气压力（inletPressure）以及电池相关数据，如电池电压（voltage），电池电流（current）等数据的键值对数据，如{"rpm":2000,"inletTemperature":230,"inletPressure":27,"voltage":15,"currency":2}

下列配置的规则将针对这个总线数据进行采集。

1. 采集指定的信号

本规则可实时采集发动机的信号并发送到MQTT topic collect中。规则通过SQL语句中的SELECT子句定义了需要采集的数据点。

{"id":"ruleCollect","sql":"SELECT rpm, inletTemperature, inletPressure FROM canDemo","actions":[        {"mqtt":{"server":"tcp://yourserver:1883","topic":"collect"            }        }    ]}