车辆健康监测和预测性维护

描述

1. 问题陈述

想想你生活中完全正常的一天。你正在快乐地遵循你所有的日常生活，然后突然你有一个“心脏病发作”。当你恢复意识时，你已经在手术室里，周围都是身穿绿色长袍、脸上戴着口罩的医生，准备进行手术。您发现您的动脉有多处阻塞，在这次危及生命的手术后，您必须在 ICU 中花费大量时间。害怕的？当发生意外故障时，您的车辆也会发生同样的事情（不完全相同;-)）。如果您是车队经理，那么这些频繁的意外故障可能会使您遭受严重的心脏病发作（严重）。即使操作员进行定期维护和定期修理零件以防止停机。一半的预防性维护活动是无效的。这个问题不仅适用于车辆，也适用于所有机器。

2. 解决方案：预测性维护

这是一个严重的问题，可以通过预测性维护来减少其影响。当无法承受故障的影响时，例如飞机发动机故障，机器需要进行预防性维护，包括定期检查和维修，通常根据使用时间安排。正确调度的挑战随着机器的复杂性而增加：在一个有许多组件协同工作并影响彼此寿命的系统中，我们如何才能找到应该执行维护的正确时刻，以便不会过早更换组件但整个系统仍然保持可靠运行？提供这个问题的答案是预测性维护的目的，

这就是 Azure Sphere 可以帮助我们的地方。它可以通过其低级通信协议（例如 I2C 和 UART）有效地收集数据，并可以将数据安全地发送到 Microsoft Azure 以进行预测性维护。它还具有足够的马力，可以在未来的发展中用作边缘设备。

3. 为什么选择 Azure Sphere？

您一定想知道，为什么选择 Azure Sphere 而不是其他任何微控制器，例如 Arduino 或 Raspberry Pi？选择 Azure Sphere 的主要原因是安全性。Azure Sphere 以低成本提供高级别的安全性，并遵循高度安全设备的七个属性。

我们关心我们的隐私（如果您不这样做，那么您应该这样做），因为在这个相互联系且不断提供广告服务的世界中，我们的数据可能会被用来对付我们自己。我们的车辆也是如此。它们也是我们生活的一部分，其诊断数据可能与我们用于广告服务器的健康数据一样重要。它需要不惜一切代价加以保护。

我在下面列出了选择 Azure Sphere 的许多其他原因。

• 易于与 Microsoft 的 Azure 云服务集成。
• Microsoft 10 年的安全更新。
• 足够的马力来处理未来的资源匮乏的发展。
• 得益于Visual Studio，易于开发和调试。

4. 它是如何工作的

电路图或原理图非常简单。我列出了我的一些发现。

• https://azure.microsoft.com/en-in/services/azure-sphere/get-started/
• https://www.hackster.io/workshops/azure-sphere-course
• https://www.element14.com/community/groups/azuresphere/blog/2019/09/30/project-part-1-getting-started-with-microsoft-azure-guide-and-a-simple-azure-球体传感器项目

随着 Microsoft 扩展开发，第 3 方文档可能无法提供正确的信息。当信息/步骤与第三方文档不匹配时，首选微软官方文档。

通过运行 Blink 应用程序确保一切就绪。

• https://docs.microsoft.com/en-us/azure-sphere/install/qs-blink-application

6. 设置 OBD-II 模块

注意：我在这里使用的 OBD-II 模块使用蓝牙进行通信，这是这个安全项目中的一个弱点。我买了这个型号，因为它便宜而且我买得起。我想通过绕过蓝牙芯片直接将UART引脚与Azure Sphere的UART端口进行修改。不幸的是，该模型使用了板载芯片 IC，这使得在时间限制的情况下很难找到正确的引脚。所以我继续使用蓝牙方法。如果可能，请使用物理介质将 OBD-II 模块与 Azure Sphere 连接起来。

让我们继续设置这个模块。设置此模块非常简单。您只需要找到您汽车的OBD端口并将此模块插入其中即可。而已。

7. 将蓝牙模块（HC-05）设置为主角色

注意：如果您在 Azure Sphere 和 OBD-II 模块之间使用物理介质，请跳过此步骤。

我们需要把HC-05的角色改成master，这样一上电就可以自动连接OBD-II模块。蓝牙连接需要一主一从。主机发起配对和链接请求。配对完成后，模块将相互通信，无论其角色如何。

在这种情况下，与 Azure Sphere 连接的 HC-05 将作为主机，并发起链接请求以连接从机，即 OBD-II 模块。

HC-05 的默认角色为从机，若要设置为主机，请按照以下步骤操作。

• 使用 FTDI 模块将蓝牙模块与 PC 连接。请参考下图以供参考。将+5v 施加到HC-05 的KEY 引脚，使其进入AT 命令模式。

• 获取OBD-II模块的蓝牙地址。它在配置 HC-05 模块时很有用。作为参考，我们假设 OBD-II 模块的地址是 12:34:56:78:9a:bc
• 设置完成后，使用任何串行终端程序，例如“CoolTerm”来配置模块。将串口通讯软件的波特率设置为38400。将下面列出的AT指令一一发送，将HC-05配置为主机。

1. AT+RESET (Reset the device)
2. AT+ORGL (Apply default configuration)
3. AT+ROLE=1 (Set role as Master)
4. AT+CMODE=0 (Force the device to connect with specific address)
5. AT+BIND=1234,56,789abc (Force to connect to this address, only useful if CMODE = 0)
6. AT+INIT (Initialize SPP profile)
7. AT+PAIR=1234,56,789abc,20 (last 2 digits mean 20 second timeout)
8. AT+LINK=1234,56,789abc

8. 将蓝牙/OBD-II 模块与 Azure Sphere 连接

• 如果您使用物理介质将 OBD-II 模块与 Azure Sphere 连接，则直接将 OBD-II 模块的 Rx、Tx、GND 引脚分别与 Azure Sphere 的 Tx、Rx 和 GND 引脚连接。

• 如果您使用蓝牙作为 OBD-II 模块和 Azure Sphere 之间的通信媒介，请连接 HC-05 模块和 Azure Sphere。

注 1 ：不要忘记为 HC-05 的 KEY 引脚提供 GND。这会将 HC-05 设置为数据通信模式。

注意 2 ：请使用 Azure Sphere 的 PORT 1 进行此连接。如果您打算使用 PORT 2，那么您还必须对代码进行更改。

9. 软件

该项目的代码托管在 Github 平台上。请从此存储库克隆/下载代码。

10. 云（基本上是别人的电脑）

Azure Sphere 是一个很棒的云平台，但在没有 Microsoft Azure 的情况下单独使用它就像在没有自动驾驶功能的情况下驾驶特斯拉，它不会很有趣。Microsoft Azure 提供了一个全新维度的可视化、控制和功能，这可能仅通过使用 Azure Sphere 是不可能实现的。

Microsoft Azure 的 IoT 中心功能是我用过的最好的服务之一。它是 Microsoft 提供的软件即服务 (SaaS) 产品。微软让您的设备连接到它的平台变得非常容易，而且无需任何编码。它还提供云到设备（C2D）功能，用于通过云控制设备。它可用于显示遥测数据、创建警报、执行命令以及创建您自己的仪表板。

在这个项目中，我使用了 Avenet Technical Training Course 提供的模板来设计我的 IoT Central Dashboard。它在仪表板上显示冷却液温度、发动机转速和节气门位置等遥测数据。此模板还可用于通过“设置”选项卡控制设备。

您可以参考本次Azure Sphere 技术培训课程中提供的文档下载模板。我建议完成此培训，因为它将非常有帮助，而且它是免费的。如果您了解 IoT Central 并且只想要模板，请点击此链接。

有趣的部分并不止于此。您可以使用上传到 IoT Central 的所有数据来预测车辆中可能发生的潜在故障，甚至在故障发生之前就仔细计划维修。这样不仅可以节省大量资金，还可以减少车辆停机时间并更好地计划。

Microsoft Azure 提供了大量服务，从物联网中心到机器学习，从人工智能到分析等等。即使是天空也不是您可以通过使用所提供的服务所做的限制。

11. 总装

上图代表测试环境。在测试环境中，笔记本电脑为设备提供电源和调试环境。在最终设置中，设备将从汽车接收电源。在测试时，不惜一切代价行使安全性。

如果尚未完成，请从此处克隆代码并将其闪存到板上。闪烁代码后，它将开始在 Visual Studio 的“设备输出”选项卡中显示输出。

• 如果设备成功连接到 IoT 中心，则输出应如上图所示。输出显示设备已由设备配置服务成功配置（第 1 点），然后成功连接到 IoT Central（第 2 点）。

• 上图显示了设备成功将遥测数据上传到 IoT Central 时的输出。可以看出，数据是按{key:pair}排列的。它还显示 IoT Central 收到的确认。

如果您的设备输出与上图类似，那么您可以说连接已成功建立，并且 Azure Sphere 正在从 OBD-II 模块正确读取数据并将其上传到 IoT Central。

测试完成后，将设备放在可以保护它并使其看起来干净的外壳中。

开源就是爱。快乐制作:-)