Als Ergebnis dieser Projektarbeit liegt der fertige Aufbau zur Ermittlung, Verarbeitung und Darstellung von verschiedenen Fahrparametern als Verwaltungsunterstützung von Firmenfahrzeugen vor. Konkret beinhaltet das Projekt einen Mikrocomputer im Fahrzeug, welcher alle notwendigen Informationen per OBD2-Schnittstelle liest und auf einem RFID-Tag speichert, sowie einen Mikrocomputer zur Aufbereitung der Daten mittels eines Webservers an den jeweiligen Standorten. Dazu gehört neben dem Aufbau der Hardware auch die vollständige Entwicklung der Software (= je einen Quellcode pro Mikrocomputer).
Techniken:
-OBD2 Daten von CAN-Bus im KFZ lesen;
-Daten auf RFID Karte schreiben;
-Daten von RFID lesen;
-auf Webserver (Arduino) bereitstellen;
-inkl. Formel zur Berechnung des Durchschnittsverbrauchs aus OBD2-Daten
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problembeschreibung / Situation
1.2 Beschreibung der Aufgabe / Zielsetzung
1.3 Lösungsstrategie
1.3.1 Fahrtenbuch
1.3.2 RFID (Radio-Frequency identification)
1.3.3 Funkübertragung
1.4 Nutzwertanalyse
1.5 Funktionelle Umsetzung
1.5.1 Im Fahrzeug
1.5.2 Am Standort
1.5.3 Blockschaltbild
1.6 Qualitätsanforderungen
1.7 Aufgabenübersicht
2 Grundlagen
2.1 RFID (Radio-Frequency identification)
2.1.1 Technische Grundlagen
2.1.2 Speicherlayout
2.1.3 Sicherheitskonzept
2.2 OBD2 (OnBoard Diagnose 2)
2.2.1 Aufbau der Schnittstelle
2.2.2 CAN-BUS (Controller Area Network Binary unit System)
2.2.3 Informationsaustausch
3 Durchführung
3.1 Auswahl der Hardware
3.1.1 Mikrocomputer
3.1.2 Shields
3.2 Materialkosten
3.2.1 Kosten / Fahrzeug
3.2.2 Kosten / Standort
3.3 Programmkonzept
3.3.1 Zielbestimmung
3.3.2 Produkteinsatz
3.3.3 Produktfunktionen
3.3.4 Produktdaten
3.4 Speicherbelegung
3.5 Anwendungsfalldiagramm
3.6 Entwicklungsumgebung
3.7 Zusammenbau der Hardware
3.8 Quellcodeentwicklung
3.8.1 Main
3.8.2 RFID
3.8.3 OnBoardDiagnose2
3.8.4 Ethernet
3.9 Funktionstest
3.9.1 Komponententest
3.9.2 Integrationstest
3.9.3 Systemtest
4 Abschluss
4.1 Zusammenfassung
4.2 Ergebnisse der Arbeit
4.3 Lessons learned (Fazit)
4.4 Ausblick
A. Anlage
A.1. Literaturverzeichnis
A.2. Glossar
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Blockschaltbild funktionelle Umsetzung
Abbildung 2: Aufgabenübersicht
Abbildung 3: RFID Schematischer Ablauf[4]
Abbildung 4: Speicherlayout MiFareClassic 1K[5]
Abbildung 5: Sicherheitskonzept
Abbildung 6: OBD2-Schnittstelle[7]
Abbildung 7: CAN-BUS Paket[8]
Abbildung 8: OBD2 Informationsaustausch
Abbildung 9: Arduino Uno
Abbildung 10: OBD2-Adapter
Abbildung 11: Neuftech MiFare RC522
Abbildung 12: Wiznet W5100
Abbildung 13: LED
Abbildung 14: Widerstand
Abbildung 15: Anwendungsfalldiagramm Fahrzeug
Abbildung 16: Anwendungsfalldiagramm Standort
Abbildung 17: Arduino IDE
Abbildung 18: Ausgabe Web-Server
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Nutzwertanalyse
Tabelle 2: Qualitätsanforderungen
Tabelle 3: Schnittstelle OBD2[7]
Tabelle 4: Technische Daten Arduino[9]
Tabelle 5: Kosten / Fahrzeug
Tabelle 6: Kosten / Standort
Tabelle 7: Berechnung Verbrauch (MPG)
Tabelle 8: Speicherbelegung der Daten
Tabelle 9: Pin Belegung Arduino und Shields
Tabelle 10: Komponententest RFID
Tabelle 11: Komponententest Ethernet
Tabelle 12: Komponententest OBD2
Tabelle 13: Integrationstest
Tabelle 14: Systemtest Auswertung
Tabelle 15: Glossar
1 Einleitung
Dieses Kapitel beschreibt die aktuelle Situation, die daraus entstehende Aufgabe und mögliche Lösungsansätze. Um ein einfaches Verstehen des Textes zu ermöglichen werden Fachbegriffe mittels Fußnote kurz beschrieben. Eine ausführliche Beschreibung kann dem Glossar1 entnommen werden.
1.1 Problembeschreibung / Situation
Ein Mittelständiges Unternehmen ist an insgesamt 28 Standorten in Deutschland vertreten. An jedem Standort befinden sich in Abhängigkeit der Größe eine gewisse Anzahl von Pool- Fahrzeugen (im Mittel 30), welche zentral verwaltet werden. Die Schlüssel befinden sich in einem per PIN2 / Code gesichertem Schlüsselschrank. Bei Außendiensteinsätzen wurde bis- her ein willkürlich gewähltes Fahrzeug verwendet, bei dem bis auf das gesetzlich vorge- schriebene Fahrtenbuch keine weiteren Informationen geführt wurden. Dadurch ergaben sich folgende Probleme:
- Fehlende, zentrale Übersicht der aktuell verfügbaren Fahrzeuge
- Fehlende Informationen über Restreichweite, Kilometerstand
- Überzogene Service- / Inspektionsintervalle
- Fehlende Informationen über Defekte und Probleme an Fahrzeugen
Damit war es der zentralen Verwaltung nicht möglich eine adäquate Bereitstellung von Firmenfahrzeugen zu gewährleisten.
1.2 Beschreibung der Aufgabe / Zielsetzung
Es soll eine zentrale Verwaltungsmöglichkeit der vorhandenen Firmenwagen geschaffen werden. Darin enthalten ist eine automatisierte Übersicht aller wichtigen Informationen, wie Reichweite, Kilometerstand, Durchschnittsverbrauch und mögliche Defekte / Fehler der Fahrzeuge, welche zentral gesammelt werden. Eine leichte Adaptierung weiterer Daten ist Grundvoraussetzung.
Ziel ist es, der Abteilung Disposition3 eine erleichterte und präzisiere Arbeit zu ermöglichen. Außerdem können aus den gesammelten Daten weitere Statistiken für zukünftige Projekte erzeugt werden.
Zur Aufgabe gehört neben der Findung einer technologisch fortschrittlichen Lösung auch die Erstellung einer Kostenrechnung.
Eine technische Lösung ist, verglichen mit der bisherigen handschriftlichen, in vielen Bereichen die bessere Wahl. Die rechtzeitige Durchführung von Service- und / Inspektionsintervalle ist möglich, da eine rechtzeitige Erinnerung erscheinen wird. Dies und das Einlesen von möglichen Fehlercodes ermöglicht die rechtzeitige Reparatur bei Defekten. Zusätzlich verringert sich die Wartezeit auf ein freies Auto, da immer eine aktuelle Übersicht über die Auslastung und Zuordnung von Mitarbeiter und Auto vorhanden ist.
Durch all diese Maßnahmen ergibt sich eine erhöhte Zuverlässigkeit, welches neben einer erleichterten Arbeit innerhalb der Disposition auch große finanzielle Vorteile mit sich bringt.
1.3 Lösungsstrategie
Für die Lösung des Problems müssen die notwendigen Daten aus dem Auto ausgelesen und im Anschluss der Abteilung Disposition zur Verfügung gestellt werden. Drei mögliche Verfah- ren sind nachfolgend jeweils kurz beschrieben und die Vor- und Nachteile dargestellt:
1.3.1 Fahrtenbuch
Ein Diagnosegerät (Fahrtenbuchschreiber), ähnlich wie bei LKW4 -Systemen zeichnet die gefahrene Strecke auf und speichert die Ergebnisse auf einer Papier- oder Chipkarte. Das Auslesen der Informationen ist dann am Standort möglich.
Vorteile: Das System ist auf dem Markt etabliert und eine einfache und schnelle Verfügbarkeit ist garantiert.
Nachteile: Die verfügbaren Daten sind sehr eingeschränkt und eine einfache Erweiterung ist nicht gewährleistet. Das System als Ganzes ist sehr geschlossen und wenig transparent. Dazu ist es im Vergleich eher teuer, da die Geräte meist den gesetzlichen Grundlagen zur Manipulationssicherheit unterliegen.
1.3.2 RFID (Radio-Frequency identification)
Die notwendigen Daten werden über den CAN-BUS5 des Fahrzeugs mittels des Protokolls OBD26 ausgelesen. Dieser Anschluss ist an allen in der EU zugelassenen Fahrzeugen ab dem Jahr 2002 Pflicht, somit ist jeder Firmenwagen damit ausgestattet. Das Speichern der Infor- mationen erfolgt auf einem RFID-Tag7, welcher zum Beispiel am Schlüssel befestigt ist. Die- ser Speicher wird am Standort ausgelesen, um die notwendigen Daten zu erhalten.
Vorteile: Das Protokoll OBD2 liefert alle notwendigen Daten und ist leicht zu implementieren, da es standardisiert ist.
Nachteile: Es gibt keine kommerzielle Lösung, d. h. das gesamte System muss neu entwickelt werden.
1.3.3 Funkübertragung
Die Ermittlung der Daten erfolgt wie im Kapitel 1.3.2RFID (Radio-Frequency identification). Die Informationen werden dann allerdings per Funk (z. B. Bluetooth) auf das Smartphone übertragen und von dort aus direkt an die zuständige Abteilung gesendet.
Vorteile: Kommerzielle Lösungen stehen günstig zur Verfügung. Die Implementierung erfolgt per Plug-and-Play.
Nachteile: Die Systeme sind geschlossen und nicht vollständig nachvollziehbar. Fehler können sich auf das Fahrverhalten der Fahrzeuge auswirken. Desweiteren muss der Akku des Smartphone immer geladen sein.
1.4 Nutzwertanalyse
Nachfolgend ist unsere Nutzwertanalyse tabellarisch dargestellt. Die einzelnen Kriterien sind von - (sehr gering) bis ++ (sehr hoch) bewertet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Nutzwertanalyse
Die „RFID-Lösung“ bietet nach uswertung der Nutzwertanalyse die meisten Vorteile in Hinblick auf die o. g. Kriterien.
1.5 Funktionelle Umsetzung
Das prinzipielle Verfahren wird abhängig vom Einsatzort wie folgt umgesetzt.
1.5.1 Im Fahrzeug
Ein im Auto fest installierter Mikrocontroller besitzt eine CAN-BUS Schnittstelle (OBD2) und ein RFID-Schreibgerät. Nach dem Auslesen der notwendigen Daten per OBD2, werden diese vom Mikrocontroller aufbereitet und im Anschluss auf einem RFID-Tag gespeichert.
1.5.2 Am Standort
Ein am Standort fest installierter Mikrocontroller besitzt eine Ethernet8 -Schnittstelle und ein RFID-Lesegerät. Das Auslesen der genormten Daten erfolgt nach dem Erkennen eines neuen RFID-Tags. Nun werden die aufbereiteten Informationen per Webschnittstelle bereitgestellt.
1.5.3 Blockschaltbild
Im unten stehenden Bild sind die Aufgaben des Programms (Vierecke) und die Aufgaben der Anwender (Rauten) beschrieben, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Blockschaltbild funktionelle Umsetzung
1.6 Qualitätsanforderungen
Die Aufgabenstellung liefert verschiedene Kriterien anhand derer der Erfolg des Projekts gemessen wird. In der folgenden Tabelle sind die Qualitätsanforderungen mit der entsprechenden Bewertung dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: Qualitätsanforderungen
1.7 Aufgabenübersicht
Dieser Abschnitt gibt eine klare Übersicht der zu bewältigenden Aufgaben. Das Ziel ist die Prüfung auf eine theoretische Umsetzung. Außerdem ergibt sich eine logisch sinnvolle Reihenfolge und Aufteilung der Arbeitsaufträge.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2 Grundlagen
Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die grundsätzlich verwendeten Techniken und Protokolle, die in diesem Projekt genutzt werden.
2.1 RFID (Radio-Frequency identification)
RFID ermöglicht das kontaktlose Speichern und Auslesen von Daten. Damit ist die Identifizierung einzelner Objekte möglich. Diese können zusätzlich weitere Informationen beinhalten. Eingesetzt wird dieses Verfahren bei Zutrittskontrollen / elektronischen Schlössern, zum bargeldlosen bezahlen, in der Logistik zum Nachverfolgen von Waren und bereitstellen weiterer Information wie den Preis und auf vielen weiteren Gebieten.
Ziel ist es, Daten dauerhaft zu speichern, kontaktlos zu übertragen und den Datenspeicher unabhängig von einer Energiequelle wie Batterien oder Netzteilen zu verwenden.[1]
2.1.1 Technische Grundlagen
Ein System besteht grundsätzlich aus einem Transponder (oder auch Tag, der eigentliche Datenspeicher) und einem Lesegerät, welches typenabhängig auch schreiben kann. Der Transponder enthält neben dem Speicher eine Antenne. Das Lesegerät erzeugt ein hochfre- quentes magnetisches Feld, welchem der Transponder ausgesetzt wird. Dies erzeugt genug Energie um den Datenspeicher auszulesen und die Daten per Antenne an das Lesegerät zu liefern. Das folgende Bild zeigt den Schematischen Aufbau eines solchen Systems.[2][3]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: RFID Schematischer Ablauf[4]
2.1.2 Speicherlayout
Die Datenspeicher besitzen einen im Datenblatt festgelegten Aufbau des Speichers. Das Fol- gende Bild stellt den ufbau des von uns verwendeten RFID Tag „MiFare Classic 1K“ über- sichtlich dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Speicherlayout MiFareClassic 1K[5]
Dieser Speicher besteht aus 16 Sektoren x 4 Blöcken x 16 Byte=1024 Byte. Dabei sind jedoch einige Besonderheiten zu beachten:
- 16 Byte sind vom Hersteller reserviert (Sektor 0, Block 0)
- Der jeweils dritte Datenblock im Sektor beinhaltet den Key A und Key B zum Zugriff, sowie die Berechtigungsbits (Sector Trailer)
- Key A ist zum Lesen / Schreiben, Kopieren
- Key B ist der Master Key mit Vollzugriff und Zugriff auf Access-Bits
- Access-Bits konfigurieren Lese- und Schreibberechtigungen
2.1.3 Sicherheitskonzept
Zur Erfüllung bestimmter Sicherheitsanforderungen sind die beiden Keys (A und B) zustän- dig. Diese befinden sich einem RFID-Tag und enthalten einen 16 Byte Zahlencode im HEX- Format. Durch Übertragung der richtigen Kennung beim Zugriff, ist ein Lesen oder Schreiben von Daten möglich. Dies geschieht während der Autorisierung (siehe Kapitel 3.8.2.1 auf Seite 23).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.2 OBD2 (OnBoard Diagnose 2)
OBD2 ist ein im Fahrzeug integriertes Diagnose System. Es wurde entwickelt und eingeführt, um den Zugang zu allen abgasrelevanten Daten, die von den jeweiligen Steuergeräten erfasst werden, zu ermöglichen. Zusätzlich werden alle Fehlermeldungen im Fehlerspeicher aufgezeichnet. Eine genormte Schnittstelle stellt diese Informationen bereit. Seit dem Jahr 2002 ist dieses System für alle neu zugelassen Fahrzeuge mit Ottomotoren Pflicht, seit 2004 auch für Diesel betriebene Kraftfahrzeuge.[6][7]
2.2.1 Aufbau der Schnittstelle
Das folgende Bild zeigt mit der zugehörigen Tabelle den genormten Anschluss sowie die einzelne PIN Belegung zur Kommunikation zwischen Fahrzeug und Diagnose-Gerät.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: OBD2-Schnittstelle[7]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 3: Schnittstelle OBD2[7]
Für dieses Projekt sind zum einen die Stromversorgung für den Mikrocomputer (PIN 4 und 16) relevant, sowie PIN 6 und 14 zum Auslesen der Informationen per CAN-BUS.
2.2.2 CAN-BUS (Controller Area Network Binary unit System)
Dieses Bussystem ermöglicht die Kommunikation zwischen allen Steuergeräten im Fahrzeug. Um sicherheitsrelevante Systeme nicht durch Störungen oder weniger wichtige Informationen zu beeinträchtigen, werden verschiedene Busse für unterschiedliche Systemgruppen verwendet. Die Übertragung der Daten erfolgt seriell in standardisierten Datenpaketen mit einem festen Data-Length-Code (DLC) von 8. Anfragen haben (im Rahmen des Projekts) normalerweise eine Länge von 2, Antworten von 6 Bytes.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: CAN-BUS Paket[8]
Die Adresse (Identifier) bezeichnet das Steuergerät, mit dem kommuniziert wird, im ersten Datenbyte wird die Länge der eigentlichen OBD2-Nachricht angezeigt. Im Standard SAE J1979 werden 10 unterschiedliche Modi unterschieden, in welchen verschiedene Daten abfragbar sind. Zusätzlich fügen Hersteller proprietäre Modi hinzu, welche nicht allgemein- gültig sind.
[...]
1 Kapitel A.2
2 Persönliche Identifikationsnummer
3 Zuteilung, Überwachung, Koordination
4 Lastkraftwagen
5 Controller Area Network Binary Unit System, ist ein seriellen Datenübertragungsstrang
6 On-Board-Diagnose ist ein Fahrzeugdiagnosesystem
7 auch Transponder, Datenspeicher bei RFID-Systemen
8 Spezifikation für kabelgebundene Datennetze im Bereich LAN Seite 4