Verbrauchsoptimiertes Fahrverhalten durch Einsatz mobiler Technologien unter Berücksichtigung sozialer Komponenten

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1 Verbrauchsoptimiertes Fahrverhalten durch Einsatz mobiler Technologien unter Berücksichtigung sozialer Komponenten Fabian Schmid M A S T E R A R B E I T eingereicht am Fachhochschul-Masterstudiengang Interactive Media in Hagenberg im Januar 2013

2 Copyright 2013 Fabian Schmid Diese Arbeit wird unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz Namensnennung NichtKommerziell KeineBearbeitung Österreich (CC BY- NC-ND) veröffentlicht siehe 3.0/at/. ii

3 Erklärung Ich erkläre eidesstattlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen nicht benutzt und die den benutzten Quellen entnommenen Stellen als solche gekennzeichnet habe. Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt. Hagenberg, am 25. Januar 2013 Fabian Schmid iii

4 Inhaltsverzeichnis Erklärung Kurzfassung Abstract iii vii viii 1 Einleitung Motivation Zielsetzung Aufbau der Arbeit Android Geschichte Android Architektur Verbreitung Fahrzeugdiagnose Fahrzeugelektronik Bussysteme Topologien Klassifizierung der fahrzeuginternen Bussysteme CAN-Bus CAN-Bus Nachrichtenübermittlung Zugriff auf den Bus Nachrichtenformate Nachrichtenframe On Board Diagnose Entwicklung der OBD-Schnittstelle OBDII genormte Diagnoseschnittstelle PIDs Fehlercodes Bestehende Arbeiten 30 iv

5 Inhaltsverzeichnis v 4.1 Bestehende Ansätze BMW EcoChallenge Porsche ACC InnoDrive Green GPS Garmin Eco Route Eigener Ansatz Verbrauchsoptimiertes Fahren Berechnung der benötigten Leistung nach Geschwindigkeit Erkennung des eingelegten Ganges Berechnung des Momentanverbrauchs Berechnung des Treibstoffverbrauchs auf Strecken anhand des Momentanverbrauchs Soziale Komponenten Persuasiver und gamifizierter Ansatz Umsetzung Vorbereitungen Herangehensweise Ähnliche Anwendungen Programmaufbau App Server Probleme und Testen Evaluierung Testfahrzeuge Vorbereitungen Testfahrten Fazit Fazit Schlussbemerkungen Zusammenfassung Ausblick Fazit A SIDs Diagnosemodi 63 B Inhalt der CD-ROM/DVD 66 B.1 Masterarbeit (PDF) B.2 Online-Quellen (PDF) B.3 Masterprojekt Quellenverzeichnis 67

6 Inhaltsverzeichnis vi Literatur Online-Quellen

7 Kurzfassung Durch den stetigen Anstieg der Rohöl und Benzinpreise an Tankstellen ist aus finanzieller Sicht eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erforderlich. In dieser Arbeit wird versucht Anwendern eine möglichst sparsame Fahrweise mittels mobiler Technologien wie Android Smartphones zu ermöglichen. Positive ökonomische Effekte wie die Verringerung des CO 2 -Ausstoßes oder der verminderte Materialverschleiß können mit einem effizienteren Fahrstil ebenfalls erreicht werden. Durch den Aufbau einer sozialen Gemeinschaft wird eine Möglichkeit geschaffen eigene Ergebnisse mit anderen Teilnehmern zu vergleichen. Einige Beispielprojekte und Studien zielen in eine ähnliche Richtung ab. Immer mehr Fahrzeughersteller werben mit besonders verbrauchsarmen und -optimierten Modellen, somit kann ein Trend dahingehend beobachtet werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein neuer Ansatz entwickelt, um Lenkern von Kraftfahrzeugen möglichst spielerisch eine effizientere Fahrweise noch während des Fahrens vorzuschlagen und so effektiv Treibstoff einzusparen. vii

8 Abstract Correspondent to the raise of oil prices, the financial point of view claims a reduction of fuel consumption. This work deals with proposing low fuel consuming driving behavior by using mobile technologies like android smart phones. An efficient driving behavior results in positive effects, e.g. reduction of CO 2 emissions and material wasting. With the creation of a social community it is possible to compare achievements and results with other participants. Exemplary projects and studies aim a similar direction. More and more car producers advertise specially low consuming and optimized models. This trend can be observed. A new approach concerning efficient driving behavior is presented in this work. Simple and fuel efficient driving is proposed in order to save energy and raw materials. viii

9 Kapitel 1 Einleitung Der Werbeslogan Freude am Fahren von BMW beschreibt sehr knapp das Gefühl, welches dieser Automobilhersteller den Käufern vermitteln möchte. Der zunehmende Mobilitätszwang in vielen Bereichen erfordert von vielen Personen die Bereitschaft ein eigenes Fahrzeug besitzen und unterhalten zu müssen. Bei den meisten Fahrern spielt das Finanzielle eine sehr große Rolle, was den Fahrspaß stark einschränken kann. Durch die gestiegenen Benzinpreise ist aus monetärer Sicht eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erforderlich. Positive ökonomische Effekte wie die Verringerung des CO2-Ausstoßes oder der verminderte Materialverschleiß hat eine effizientere Fahrweise ebenfalls zur Folge. 1.1 Motivation Die Motivation für diese Arbeit beruht auf mehreren Punkten. Als Hauptgrund kann an dieser Stelle die Entwicklung der Kraftstoffpreise in den letzten Jahren angeführt werden (siehe Abb. 1.1). Durch Umstellen und Anpassen der eigenen Fahrweise wird der Treibstoffverbrauch oft drastisch reduziert. Die stark gestiegenen Preise ermöglichen mittels angepassten und effizienteren Fahrens jährlich Einsparungen im dreistelligen Bereich. Einen weiteren zentralen Aspekt sich mit diesem Thema auseinanderzusetzen ist der Umweltschutz. Durch einen geringeren Verbrauch werden von einem Fahrzeug weniger Schadstoffe produziert und somit weniger in die Atmosphäre ausgestoßen. In vielen Berufsfeldern spielt die Mobilität oft eine sehr große Rolle und macht den Verzicht auf ein eigenes Fahrzeug fast unmöglich. Zudem erschwert das fehlende Bewusstsein oder die Unwissenheit wie effizient gefahren werden kann, die Einsparung von Treibstoff. Daraus ergibt sich die Motivation sich mit diesem Thema auseinanderzusetzen. 1

10 1. Einleitung 2 1, 4 Benzin Diesel 1, 3 1, 2 Preis in EUR 1, 1 1 0, 9 0, 8 0, Jahr Abbildung 1.1: Entwicklung des Benzinpreises [14]. 1.2 Zielsetzung Im Zuge der Arbeit wird die fahrzeuginterne Kommunikation sowie die On- Board-Diagnose selbst vorgestellt und beschrieben wie dieser Standard und dessen Protokolle aufgebaut sind. Außerdem wird erläutert wie es möglich ist Daten aus einem Fahrzeug mithilfe eines Bluetooth ELM237 Dignosesteckers mittels einer Android App auszulesen. Weiters sollen die so erhaltenen Werte mit Geodaten versehen werden und schlussendlich auf einem Server gespeichert werden. Dort können sie für den späteren Gebrauch wieder aufbereitet und einem Anwender zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich soll im Hintergrund eine Art soziales Netzwerk aufgebaut werden, in denen die Benutzer die Möglichkeit haben, die Verbrauchswerte anderer User einzusehen und mit ihren eigenen zu vergleichen. 1.3 Aufbau der Arbeit Nach der Einleitung folgen die Kapitel über die in dieser Arbeit benötigten Grundlagen. Dabei wird zunächst auf die Android Plattform selbst und deren

11 1. Einleitung 3 Entwicklung eingegangen. Im dritten Kapitel folgt die Fahrzeugdiagnose. Genauer eine kurze Beschreibung der historischen Fakten von der Entwicklung der Fahrzeugelektronik bis zur fertigen OBDII Schnittstelle. Danach wird die Diagnoseschnittstelle selbst samt Spezifikationen und Protokollen vorgestellt. Zusätzlich werden weitere fahrzeuginterne Kommunikationsarten, wie beispielsweise der erste richtige Fahrzeug Bus, der CAN-Bus, vorgestellt und dessen Funktionsweise erklärt. In Kapitel 4 wird auf Referenzprojekte eingegangen, welche in eine ähnliche Richtung abzielen, sowie auf bereits bestehende mobile Anwendungen und Forschungsansätze in diesem Bereich. Im darauffolgenden Kapitel erfolgt die Vorstellung des im Zuge der Arbeit entwickelten Prototypen samt Android Anwendung und Server. Dabei sollen zunächst die Grundüberlegungen erörtert werden. Daraufhin wird näher auf die ersten Ansätze, den Problemen bei der Verbindungsherstellung sowie den unterschiedlichen OBD2 Protokollen bis hin zur Entwicklung des Prototypen eingegangen. Zudem werden Lösungsansätze für die noch nicht erreichten Ziele behandelt. Den Schluss dieser Arbeit bildet eine Zusammenfassung sowie der weitere Ausblick auf Treibstoffeinsparungen im Automobilbereich.

12 Kapitel 2 Android 2.1 Geschichte Google stellte 2007 das Android Betriebssystem vor, welches zu diesem Zeitpunkt nur über den Emulator ausgeführt werden konnte. Das erste Smartphone mit der Android Version 1.0 erschien erstmals 2008 mit dem T-Mobile G1. Das Telefon wurde bereits mit den wichtigsten Google Anwendungen wie Google Maps, Gmail, Youtube und dem Play-Store (2009 noch Android Market) ausgeliefert. Wichtige Features wie das On-Screen Keyboard oder die Sprachunterstützung in anderen Sprachen als Deutsch und Englisch fehlten noch. Diese Mängel wurden mit dem ersten großen Update auf Android Version 1.5 Cupcake ausgebessert. Zudem wechselten die Android Geräte ab dieser Version automatisch zwischen Hoch- und Querformat. Mit Version 1.6 Donut unterstütze das mobile Betriebssystem erstmals unterschiedliche Auflösungen, was anfangs zu einer großen Umstellung bei der App Entwicklung führte. Ein neuer Linux-Kernel, ein neuer Just-in-time Compiler, Tethering und das Installieren von Applikationen auf die SD-Karte brachte das nächste große Update auf Android 2.2 Froyo im Mai Seit dieser Version ist der Empfang von Push-Nachrichten möglich. Knapp die Hälfte (siehe Abb. 2.4) aller aktivierten Android Geräte benutzen die Android Version 2.3 Gingerbread welche von Dezember 2010 bis September 2011 entwickelt wurde. Die Android Version 3 Honeycomb wurde speziell für Tablets entwickelt und brachte einige Neuerungen wie eine verbesserte und benutzerfreundlichere Bedienoberfläche. Seit dieser Version werden keine Hardwaretasten mehr benötigt wurden sowohl Android 3 für Tablets als auch die Version 2 für Smartphones weiterentwickelt. Erst mit der Betriebssystemversion 4.0 Ice Cream Sandwich erfolgte eine Verschmelzung der beiden Entwicklungsbereiche und ermöglicht die Installation auf allen Arten von Geräten (unter anderem auch GoogleTV). Android 4.1 / 4.2 alias Jelly Bean ist das aktuelle Betriebssystem von Google und enthält einige Neuerungen wie Google 4

13 2. Android 5 Abbildung 2.1: Android 4.2 Homescreen. Now1. Dieses neue Feature erhielt vom Popular Science Magazin2 den Innovation of the Year 2012 Preis [15] verliehen. Android zeichnet sich vor allem durch die Flexibilität und Möglichkeiten zur Anpassung aus. Andere und sogar selbst entwickelte Firmwareversionen des Betriebssystems, sogenannte Roms, können auf nahezu jedes Gerät installiert (im Fachjargon geflasht) werden, sofern dieses für die verwendete Hardware angepasst ist. Eine große Sammlung solcher Roms ist bei den XDA-Developern3 oder im deutschen Android-Hilfe4 Forum zu finden. Das bekannteste und weit verbreitetste Custom Rom ist mit über 3,5 Millionen Installationen [16] die CynogenMod Firmware

14 2. Android Android Every day more than 1 million new Android devices are activated worldwide. [17] Android ist bekannt als ein linuxbasiertes Betriebssystem welches hauptsächlich für mobile Endgeräte zum Einsatz kommt. Entwickelt wird das Betriebssystem von der Open Handset Alliance [18]. Als Basis dient ein Linux- Kernel. Das gesamte Betriebssystem ist quelloffen und wird unter der Apache 2.0 Lizenz veröffentlicht [19]. Android selbst bietet allerdings mehr als nur ein Betriebssystem. Es besteht aus einer kompletten Software Sammlung für Mobilgeräte unterteilt in drei Bereiche: Betriebssystem, Middleware und Anwendungen welche auf den Geräten laufen. Die jeweiligen Bereiche sind in verschiedene Schichten unterteilt, auf welche im nächsten Absatz kurz eingegangen wird. Android stellt eine Umgebung für mobile Endgeräte zur Verfügung, in der Anwendungen, sogenannte Apps (Applikationen) ausgeführt werden können. Vom System wird dabei nicht unterschieden, ob es sich um Systemapplikationen selbst oder um Anwendungen von Drittanbietern handelt. Jedes dieser Programme erhält Zugriff auf das System und die Hardwarekomponenten sowie auf Services wie Internet oder andere Kommunikationsformen (Wlan, Bluetooth, etc.) [18]. Im Gegensatz zu anderen mobilen Betriebssystem wie ios ist es in Android möglich, systemweit mit anderen Anwendungen zu kommunizieren bzw. andere Anwendungen aus einer eigenen Applikation zu starten. 2.3 Architektur Wie bereits im vorherigen Absatz erwähnt besteht die Android Architektur aus mehreren Bereichen, welche in vier Schichten unterteilt sind. Abbildung 2.2 zeigt die einzelnen Komponenten welche nachfolgend kurz vorgestellt werden. In der Application-Schicht befinden sich alle Anwendungen die bereits mit Android ausgeliefert werden (core applications), sowie alle aus dem Play-Store installierten Anwendungen sowie alle selbst entwickelten Applikationen. Die Framework-Schicht bildet die Schnittstelle zum System. Alle Anwendungen greifen über diese auf Systemkomponenten wie Hardware oder Location-Services zu. Hauptaufgabe dieser Schicht ist die Bereitstellung von Views welche über den Window-Manager zur Verfügung gestellt werden. Die Library-Schicht unterteilt sich in zwei Komponenten. In der Library Komponente selbst finden sich native C und C++ Bibliotheken auf welche mittels der Framework-Schicht zugegriffen werden kann. Die Runtime Komponente führt alle Android Anwendungen auf dem Gerät in je einer eigenen virtuellen Maschine (Dalvik Virtual Machine) aus. Die Dalvik VM wurde speziell für mobile Geräte entwickelt und führt, wie eine Java VM, Bytecode aus. Da alle Android Anwendungen in Java geschrieben werden, wird

15 2. Android 7 Abbildung 2.2: Android Architektur [20]. dieser Code zuerst vom Java-Compiler in Java Bytecode und dann mittels eines Cross-Compilers in den speziellen Dalvik Bytecode umgewandelt. Dieser wird dann auf den Geräten ausgeführt. Auf der untersten Ebene befindet sich die Schicht des Linux Kerns in der Version 2.6. Dieser übernimmt die Aufgaben des Speichermanagements, Prozess- und Threadverwaltung, Netzwerkzugriffe und enthält alle Gerätetreiber für den Zugriff auf Hardware [20]. 2.4 Verbreitung Derzeit ist Android das meistgenutzte Betriebssystem auf mobilen Endgeräten. Mit einem derzeitigen Marktanteil von über 72% konnte Android im Vergleich zum Vorjahr den Anteil um nochmals knapp 20% ausbauen (siehe Abb. 2.3) und ist somit zugleich Marktführer als auch das am schnellsten Wachsende mobile Betriebssystem [21]. Die aktuelle Android Version lautet 4.2 unter dem Codenamen Jelly Bean, jedoch ist die am meisten verbreitet Version 2.3 mit Codenamen Gingerbread (siehe Abb. 2.4).

16 2. Android 8 Marktanteile9Smartphone-Betriebssysteme9weltweit System 3.9Quartal Quartal92011 Geräte Marktanteil Geräte Marktanteil Android 122,480(Mio. 72,4W 60,490(Mio. 52,5W ios 23,550(Mio. 13,9W 17,295(Mio. 15,0W Blackberry(GRIMt 8,947(Mio. 5,3W 12,701(Mio. 11,0W Bada 5,055(Mio. 3,0W 2,479(Mio. 2,2W Symbian 4,405(Mio. 2,6W 19,500(Mio. 16,9W Windows 4,058(Mio. 2,4W 1,702(Mio. 1,5W Andere 0,684(Mio. 0,4W 1,018(Mio. 0,9W Gesamt 169,1799Mio. 115,1859Mio. Abbildung 2.3: Marktanteile Smartphone-Betriebssysteme weltweit [21]. Abbildung 2.4: Android Versionsverteilung Stand: [22].

17 Kapitel 3 Fahrzeugdiagnose Mit dem Wunsch nach einer besseren Verbrennungssteuerung mit dem Ziel, den Verbrauch zu senken und den Ausstoß von schädlichen Abgasen zu reduzieren, hielten elektronische Bauteile immer mehr Einzug in die Kraftfahrzeugtechnik. Zusätzlich wurden immer mehr Komfortfunktionen im Fahrzeug eingebaut, die nur mithilfe von Elektronik realisiert werden können. [11] 3.1 Fahrzeugelektronik Seit den 70er Jahren nimmt die Fahrzeugelektronik in den Fahrzeugen stetig zu. Zunächst bestanden diese nur aus einfachen Schaltungen wie elektronischen Zündungen oder einfachen Relais. In den Fahrzeugen wurden nur sogenannte Stand-alone-Systeme verbaut, jedes System hatte nur eine spezifische Aufgabe zu erledigen, z.b. ein Scheibenwischer mit Intervallfunktionalität. Für Radios kamen ebenfalls solche Stand-alone Lösungen zum Einsatz, welche eigene Anschlüsse für Antenne, Lautsprecher und die Stromversorgung besaßen [5]. 3.2 Bussysteme Die zunehmende Ausstattung mit elektrischen Komponenten führte in den 1980er Jahren zu immer komplexeren Kabelbäumen mit bis zu 4000 Leitungen, da die einzelnen Baugruppen und Steuergeräte über Einzeldrahtverbindungen miteinander kommunizierten. [10] Zur Behebung dieser Komplexität bei der Vernetzung wurden neue Standards und Infrastrukturen notwendig. Damit weitere Geräte effizient eingebunden werden konnten, wurden erste Ansätze zu Bussystemen entwickelt. Die Idee hinter einem Busnetzwerk ist relativ einfach: Über zentrale Ka- 9

18 3. Fahrzeugdiagnose 10 belleitungen werden alle notwendigen Baugruppen angeschlossen. Angesprochen werden können diese dann über zugewiesene Adressen und Datenpakete. Durch die höhere Funktionskomplexität sowie dem steigenden Anteil systemübergreifender Kommunikation zwischen den Steuergeräten war der Einsatz von Bussystemen unabdingbar. Nach Grzemba und Wense [5] lag das damalige Hauptaugenmerk und Vorteile der Bussysteme an folgenden Punkten: Gewichtsreduzierung des Kabelbaums. Reduzierung Steckeranzahl/-größe. Kostenreduzierung. Neue, verbesserte Funktionen(v.a. Sicherheit). Verbrauchsoptimierungen. (Abgas-)Vorschriften. Ersatz mechanischer/elektrischer Systeme. Integration/Mehrfachnutzung von Sensoren. Qualitätsverbesserung (Busse verringern die Anzahl von Verbindungen und reduzieren somit drastisch das Ausfallrisiko). Als erster Standard setzte sich der von Bosch entwickelte CAN-Bus durch welcher auch in den aktuellen Kraftfahrzeugen zum Einsatz nach wie vor für die Vernetzung der Steuergeräte zum Einsatz kommt. Dieser wird im Abschnitt 3.3 näher behandelt Topologien Alle in einem Fahrzeug vorkommenden Steuer- und Regelsysteme sind über Netzwerke mit einander verbunden. Je nach Anforderung an die Kommunikationsnetze werden diese nach einer gewissen Netzwerktopologie aufgebaut, welche die Struktur und Eigenschaft des gesamten Netzwerkes bestimmen. Nach [9] wird zwischen vier Grundtopologien unterschieden. Bustopologie Die Bustopologie wird auch als linearer Bus bezeichnet, da er aus einer einzigen Leitung besteht an der alle benötigen Geräte über kurze Kabel angeschlossen sind. Einen wesentlichen Vorteil bringt die einfache Erweiterbarkeit um zusätzliche Netzwerkteilnehmer. Diese werden auch als Knoten bezeichnet. Zudem gestaltet sich auch die Verkabelung als relativ einfach, da nur eine einzige Busleitung benötigt wird. Aufgrund der Tatsache, dass alle Systeme miteinander auf einem einzigen Kabel kommunizieren können, Nachrichten nur nacheinander über den Bus geschickt werden, was unter Umständen zu höheren Latenzzeiten führt. Alle weiteren Teilnehmer müssen ihre Nachrichten zwischenspeichern und auf eine freie Leitung warten. Die Funktionsweise der Nachrichtenübermittlung wird im Abschnitt 3.3 erläutert. Ein großer

19 3. Fahrzeugdiagnose 11 Abbildung 3.1: Bustopologie Nachteil dieser Topologie ist das hohe Ausfallrisiko. Bei einem Kabelbruch der Hauptleitung ist keine weitere Kommunikation mehr möglich. Ein Beispiel dieser Topologie ist der CAN-Bus. Sterntopologie Bei der Sterntopologie werden alle Netzwerkteilnehmer sternenförmig um einen zentralen Knoten bzw. Verteiler angeschlossen. Dieser übernimmt die Weiterleitung der Datenpakete an die jeweiligen Gegenstellen. Solange an diesem zentralen Element noch Anschlüsse zur Verfügung stehen, ist die Erweiterbarkeit relativ einfach. Da jedes Endgerät über eine eigene Leitung kommunizieren kann, sind hier besonders hohe Übertragungsraten möglich. Das Ausfallrisiko ist im Vergleich mit der Bustopologie minimiert, da nur ein kaputter Zentralknoten zu einem Totalausfall des Netzwerkes führen kann. Durch den Defekt eines oder mehrerer Teilnehmer bleibt das Netz unter den restlichen Knoten bestehen und eine Kommunikation ist weiterhin möglich. Typische Vertreter der Sterntopologie im Kfz-Bereich sind Sicherheitssysteme wie Bremse oder Lenkung. Dabei werden jedoch die Zentralknoten meist redundant ausgelegt, um Ausfälle des gesamten Netzes weitgehend zu verhindern [9]. Ringtopologie Bei der Ringtopologie ist ein Knoten mit seinen jeweiligen zwei Nachbarknoten verbunden. Dadurch ergibt sich eine Ringstruktur. Jeder Teilnehmer fungiert gleichzeitig als ein Repeater welcher das Nachrichtensignal eines anderen Knoten verstärkt und weiterleitet. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht aus der einfachen Verkabelung und Erweiterbarkeit des Netzes. Größter Nachteil ist jedoch, dass bei Ausfall eines Teilnehmers das gesamte Netzwerk ausfällt. Da jede Nachricht über die Knoten transportiert wird, entsteht bei sehr großen Verbunden zudem eine hohe Latenzzeit. Ringtopologien werden in Systemen eingesetzt, welche keine hohen Übertragungsraten benötigen, wie z.b. die Steuerung der Unterhaltungselektronik (MOST-Bus) in einem Fahrzeug [12].

20 3. Fahrzeugdiagnose 12 Abbildung 3.2: Sterntopologie Abbildung 3.3: Ringtopologie Maschentopologie Bei einem vermaschten Netzwerk ist jeder Endknoten mit jedem anderen Endknoten verbunden. Dadurch ist eine maximale Ausfallsicherheit gegeben da die zu übermittelnden Nachrichten bei einem Defekt jederzeit auf andere Wege umgeleitet werden kann. Eine Maschentopologie besitzt die Eigenschaft eines Busses für den Nachrichtenaustausch und die eines Sterns für die Datenübertragung, da alle Stationen alle Übertragungen der übrigen Stationen empfangen, der Ausfall von Verbindungen zwischen Stationen aber verkraftet werden kann. [9] Ein großer Nachteil dieser Vernetzung ist jedoch der nötige Verkabelungsaufwand, sowie die eingeschränkte Erweiterbarkeit. Für das Hinzufügen eines

21 3. Fahrzeugdiagnose 13 Abbildung 3.4: Maschentopologie Abbildung 3.5: Stern-Bus-Topologie weiteren Teilnehmers muss das ganze Netzwerk geändert werden. Hybridtopologien Zusätzlich existieren noch weitere Topologiesysteme, welche Mischungen aus den vorher genannten Systeme darstellen. Typische Vertreter dieser Gattung sind die Stern-Bus-Topologie, Stern-Ring-Topologie oder die Baum- Topologie. Durch die Kreuzung der verschiedenen Netzwerkarten wird meist versucht lange Latenzzeiten zu verringern oder die Ausfallsicherheit zu erhöhen [9]. Fazit Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die unterschiedlichen Topologien für unterschiedliche Anforderungen eingesetzt werden. Bei sicherheitsrelevanten

22 3. Fahrzeugdiagnose 14 Netzwerktopologie Vorteile Nachteile Bus Ring Stern Maschen Geringer)Verkabelungsaufwandx Erweiterbarkeit Geringer)Verkabelungsaufwandx)hohe Bandbreitex)Erweiterbarkeit Hohe)Übertragungsgeschwindigkeitx)Ausfall eines)einzelsystem)führ)nicht)zu Gesamtausfall. Maximale)Ausfallsicherheitx)sehr)hohe Bandbreite Teilweise)hohe)Latenzzeitx)hohes Ausfallrisiko)üz.B.)KabelbruchN Keine)Ausfallsicherheitx)bei)vielen Teilnehmern)hohe)Antwortzeit Ausfall)des)zentralen)Knoten)führ)die Totalausfall)des)Netzesx)aufwändigere Verkabelung Sehr)hoher)Verkabelungsaufwandx eingeschränkte)erweiterbarkeit. Abbildung 3.6: Vor- und Nachteile der Vernetzungstopologien. Vernetzungen wie Bremse oder Assistenzsysteme werden schnelle Übertragungsraten sowie eine sehr hohe Ausfallsicherheit benötigt. Für weniger kritische Bereiche wie z.b. Entertainmentsysteme reichen weniger schnelle Topologien, da sie kein Risiko für den Fahrer tragen. Mit zunehmender Ausfallsicherheit und Geschwindigkeit steigt die Verkabelungskomplexität und die damit verbundenen Kosten zur Herstellung eines solchen Netzwerkes. In Tabelle 3.6 werden die Vor- und Nachteile in Anlehnung an Wallentowitz und Reif [12] der vorgestellten Grundtypen der Vernetzung übersichtlich dargestellt Klassifizierung der fahrzeuginternen Bussysteme Grundsätzlich lässt sich die Kommunikation zwischen aller im Fahrzeug vorkommenden Steuer und Regelsysteme nach Schäffer [10] in fünf verschiedene Arten klassifizieren. Diese sind teilweise auch in der ISO beschrieben. Je nach Verwendungszweck und Einsatzgebiet kommen hierfür verschiedene Topologien zum Einsatz. Auf einige der hier genannten Protokolle wird im weiteren Verlauf des Kapitels noch näher eingegangen. Mechatronische Applikationen Zu der Gruppe der Mechatronische Applikationen zählen unter anderen Sensoren und die Regelelektronik, welche über diesen Bus vernetzt werden. Hauptvertreter ist das Local Interconnect Network (LIN-Bus). Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt bis ca. 20 Kbit/s und die Kommunikation erfolgt über firmenspezifische Protokolle.

23 3. Fahrzeugdiagnose 15 Karosserieelektronik Zu dieser Gattung zählen Steuergeräte wie die Zentralverriegelung, Sitzverstellung oder Klimaanlage. Das wichtigste Protokoll ist der CAN-B, welcher Übertragungsraten von 100 bis 500 Kbit/s zulässt. Antrieb und Fahrwerk Hier kommt vor allem das CAN-C Protokoll zum Einsatz. Mit Geschwindigkeiten von 200 Kbit/s bis zu 1 Mbit/s werden Steuergeräte für Motor, Bremse, Getriebe und Fahrwerk angesprochen. Sicherheitskritische Systeme Die zu dieser Gruppe gehörigen Systeme zeichnen sich vor allem durch Datensicherheit, Redundanz und Fehlertoleranz aus. Verschiedene Protokolle wie TTP/C, FlexRay oder TTCAN kontrollieren beispielsweise passive Sicherheitssysteme wie Airbags. Mit einer Datenrate von bis zu 10 Mbit/s zählen sie zu den Systemen mit der höchsten Übertragungsgeschwindigkeit in einem Fahrzeug. Mobile Kommunikation und Telematik In dieser Kategorie sind vor allem die Entertainmentsysteme eines Fahrzeuges angesiedelt. Radio, Telefon, Navigation sind nur einige Vertreter dieses Bereichs. Für die Übertragung kommen verschiedene Technologien bzw. Protokolle zum Einsatz. Das wichtigste bildet der MOST-Bus (Media Oriented Systems Transport), aber auch Bluetooth oder IEEE1994 (Firewire) sind zu finden. Die Datengeschwindigkeit unterscheidet sich hier je nach Technologie. Eine weitere Möglichkeit die einzelnen Systeme nach ihrem Anwendungsgebiet und ihrer Geschwindigkeit zu klassifizieren liefern Zimmermann und Schmidgall [13]: High-Speed-Systeme für Echtzeit Steuerungsaufgaben. Die Steuerung und Regelung von Motor, Getriebe, Bremsen und Fahrwerk ist nur möglich, wenn die Steuergeräte Sensorinformationen austauschen und Stelleingriffe über mehrere Systeme hinweg koordinieren. Die notwendigen Informationen sind nur wenige Bytes lang, müssen aber periodisch mit hoher Frequenz, kurzer Verzögerungszeit (Latenz) und großer Zuverlässigkeit übertragen werden. Für diese Anwendungen wurde CAN entworfen. Durch moderne Fahrwerkssteuerungen steigen die Anforderungen. Daher wurde CAN zu TTCAN weiterentwickelt und neue Bussysteme wie FlexRay konzipiert.

24 3. Fahrzeugdiagnose 16 Low-Speed-Systeme zur Kabelbaum-Vereinfachung. Auch für simplere Aufgaben wie das Ansteuern von Lampen und Fenstermotoren werden Bussysteme eingeführt, um den Kabelbaum zu vereinfachen. Da vor allem Schaltsignale übertragen werden, sind die erforderlichen Datenraten niedrig. Hauptgesichtspunkt sind die Kosten je Busknoten. Für diese Aufgaben wird eine vereinfachte CAN-Variante ergänzt durch das noch kostengünstigere Bussystem LIN eingesetzt. Daneben entstanden spezielle Busse wie PSI5 oder Safe-by-Wire für die Vernetzung von Rückhaltesystemen. Infotainment-Bussysteme. Mit der Einführung von Infotainment-Systemen im Fahrzeug für Navigation, Video, Audio und Telefon müssen sehr große Datenmengen beispielsweise zwischen dem DVD- Wechsler, dem verteilten Audio-System und dem Display im Armaturenbrett ausgetauscht werden. Da diese Informationen aber nicht für echte Steuer- und Regelaufgaben eingesetzt werden, ist der Hauptgesichtspunkt dabei ein hoher Datendurchsatz, während die Anforderungen an die Latenzzeiten und die Übertragungszuverlässigkeit wesentlich geringer sind als bei den High-Speed-Systemen für Echtzeit- Steuerungsaufgaben. Die Anbindung an die Außenwelt und die Einbindung von Geräten der Unterhaltungselektronik erfolgt über Funkschnittstellen wie GSM/UMTS und GPS oder Consumer-Schnittstellen wie USB bzw. Bluetooth. Abschließend werden alle erwähnten Technologien und Protokolle übersichtlich in den Tabellen 3.7 und 3.8 dargestellt.

25 3. Fahrzeugdiagnose 17 Bedeutung CAN-C High-Speed-CAN ControllerbAreab Network CAN-B Low-Speed-CAN ControllerbAreab Network LIN LokalbInterconectb Network ArtbdesbBusses konventionellerbbus konventionellerbbus konventionellerbbus Domäne Antriebsstrang Komfort Komfort Anwendung meistbangewandteb Topologie Vernetzungbvonb MotormanagementUb Getriebesteuerungb undbabs0esp Vernetzungbvonb KarosserieFbundb Komfortelektronik kostengünstigeberweiterung desbcanfbusb fürbeinfachebanwendungenbim Bereichb Komfortelekbtronik TTP TimeFTriggeredbProtoco konventionellerbundboptischer Bus sicherheitsrelevanteb Vernetzung Vernetzungbinb sicherheitsrelevantenb UmgebungenUbwieb BremsenUbLenkungUb Bahnstellwerkenboderb Flugzeugfahrwerk LinearerbBus LinearerbBus LinearerbBus SternFTopologie Datenübertragungsrate.xbkbit0sbbisb.Mbit0s max1b.24bkbit0s max1b2xbkbit0s nichtbspezifiziertub typ1b.xbmbit0s max1banzahlbderbknoten.x 2y.6 nichtbspezifiziert Steuerungsmechanismus ereignisgesteuert ereignisgesteuert zeitgesteuert zeitgesteuert Busleitungen Einsatz Kupferleitungenb Stwistedbpair/ Kupferleitungen inballenb Fahrzeugen Kupferleitungenb Stwistedbpair/ Kupferleitungen inballenb Fahrzeugen Kupferleitungenb Stwistedbpair/ Kupferleitungen inballenb Fahrzeugen Kupferleitungenb Stwistedbpair/ Kupferleitungen inballenb Fahrzeugen Norm ISOb..O) ISOb..b4.OF2 LINFKonsortium TTAgroup SAEFKlassifizierung KlassebC KlassebB KlassebA DriveFByFWire Abbildung 3.7: Übersicht über die in Kraftfahrzeugen eingesetzten Busse Teil 1. Quelle: [9] Bedeutung MOST-Bus Bluetooth Flexray MediavOrientedv SystemsvTransport Kunstnamev -DänischervKönig, Kunstname ArtvdesvBusses optischervbus drahtlos konventionellervundvoptischervbus Domäne MultimediavundvInfotainment MultimediavundvInfotainment domänenübergreifenderveinsat Anwendung meistvangewandtev Topologie Datenübertragungsrate ÜbertragungvvonvSteuerN.v AudioNvundvVideodaten Datenübertragungvüberv geringevdistanzen.vzrbrvintegrationvdes Mobiltelefonsvinv dasvinfotainmentsystem RingNTopologie Netztopologiev-Funk, SternNTopologie maxrv55.0vmbitfs maxrv/vmbitfsv-v5rx,v maxrv15/vkbitfsv-v2r5, maxrvanzahlvdervknoten 73 6vaktivv-bisvzuv507vpassiv, einvnetzwerksystemvzumveinsatzv invsicherheitsrelevantenvundv einfacherenvanwendungenr typrv2xvmbitfsv maxrv5xvmbitfs theoretischvbisvzuv5x36v maxrv55vprovpassivenvbusfstern Steuerungsmechanismus zeitnvundvereignisgesteuert ereignisgesteuert zeitnvundvereignisgesteuert Busleitungen Einsatz LichtleitervausvKunststoffv odervglas OberklasseNFzRveuropäischerv Hersteller invallenvfahrzeugen.vverbindungvvon Multimediagerätenv mitvdemvinfotainmentsystem invallenv Fahrzeugen Kupferleitungenv -twistedvpair, Kupferleitungen Pilotanwendung Norm MOSTvKooperation BluetoothvSIG FlexrayNKonsortium SAENKlassifizierung MobilevMedia Wireless DriveNByNWire Abbildung 3.8: Übersicht über die in Kraftfahrzeugen eingesetzten Busse Teil 2. Quelle: [9]

26 3. Fahrzeugdiagnose CAN-Bus Der CAN-Bus (Controller Area Network) wurde 1987 von Bosch vorgestellt und ist das erste Bussystem, welches seit den 1990er Jahren herstellerübergreifend eingesetzt wird. Er dient zur Vernetzung von Steuergeräten und ist in ISO standardisiert. In Bezug auf das ISO/OSI-Schichtenmodell bildet der CAN-Bus den ersten (physikalische Schicht) und zweiten (Datensicherungsschicht) Layer des Referenzmodells und zählt zu den Bustopologien [12]. Die CAN-Busse werden in zwei Kategorien eingeteilt: Der Highspeed- CAN oder auch CAN-C Protokoll kann Nachrichten mit bis zu 1 Mbit/s verschicken. Diese kommt für das Motormanagement oder Assistenzsysteme wie ESP zum Einsatz. Mit einer Übertragungsrate von bis zu 125 Kbit/s werden über den Lowspeed-CAN, oder auch CAN-B, Steuergeräte im Komfortbereich wie Klimaanlage oder Sitzverstellung angesprochen. Auch bei der Fahrzeugdiagnose von Fahrzeugherstellern selbst werden Diagnosegeräte oft direkt an den CAN-Bus angeschlossen um den Umweg über Diagnoseprotokolle zu vermeiden [9] CAN-Bus Nachrichtenübermittlung Das CAN-Protokoll arbeitet nach dem Multimaster-Prinzip. Dadurch wird eine Kommunikation zwischen zwei an den Bus angeschlossenen Teilnehmer ohne ein zentrales Steuerungssystem ermöglicht. Jeder Knoten kann zu jedem Zeitpunkt versuchen, Nachrichten über die Datenleitung zu senden. Der Erfolg hängt einerseits von einer freien Leitung vor Sendebeginn, andererseits von der Arbitrierung ab [9]. Der Arbiter oder die Arbitrationslogik (von lat. arbiter, Richter ) ist eine Funktionseinheit in Form einer elektrischen, digitalen Schaltung oder einer Softwareroutine, die Zugriffskonflikte oder Zugriffskollisionen löst oder priorisiert. [...] Im Allgemeinen versteht man unter der Arbitrierung die möglichst gerechte Zuteilung von Ressourcen auf verschiedene Benutzer bzw. Geräte. [23] Die über CAN übermittelten Botschaften werden nicht wie bei anderen Netzwerkprotokollen (z.b. TCP/IP) an einen einzelnen Teilnehmer gesendet, sondern enthalten einen eindeutigen Identifier welcher den Inhalt der Nachricht (z.b. Motordrehzahl oder Kühlertemperatur) eindeutig kennzeichnet. Dadurch kann eine Station an alle anderen Teilnehmer Nachrichten aussenden. Diese entscheiden anhand der Kennung (Identifier) selbst ob die Botschaft für sie relevant ist oder nicht. Unterstützt werden dabei zwei Nachrichtenformate, welche sich durch die Länge des Identifiers unterscheiden: Das Standardformat, oder auch CAN 2.0A beinhaltet eine Identifierlänge von 11 Bit (2048 unterschiedliche Botschaften), das erweiterte Format, oder auch CAN 2.0B unterstützt einen Nachrichtenidentifier von 29 Bits und ermöglicht somit über 530 Millionen verschiedene CAN-Botschaften. Durch

27 3. Fahrzeugdiagnose 19 diese Adressierung benötigt kein Teilnehmer Informationen über die zugrundeliegende Systemkonfiguration und kann unabhängig von anderen Knoten selbstständig agieren. Werden von einem Steuergerät Informationen benötigt, welche bereits auf dem Bus liegen, so können diese einfach abgerufen werden [5, 9, 13] Zugriff auf den Bus Der Bus selbst kennt zwei verschiedene Zustände: Dominant und rezessiv (siehe Abb. 3.9). Ist die Leitung frei befindet sie sich immer im rezessiven Zustand, in welchem jeder Knoten jederzeit mit einer Nachrichtenübermittlung beginnen kann. Wird bereits eine Nachricht über den Bus geleitet, befindet sich dieser im dominanten Zustand. Jedes Verschicken einer neuen Botschaft bedarf einer Arbitrierung. Abbildung 3.9: Dominanter und Rezessiver Zustand. Arbitrierungsphase Befindet sich der Bus im rezessiven Pegel, so kann mit der Nachrichtenübermittlung begonnen werden. Beginnen mehrere Stationen gleichzeitig zu senden, so ist eine Arbitrierung notwendig um Buszugriffskollisionen zu vermeiden. Beim CAN-Bus kommt ein sogenanntes Wired-And - Arbitrierungsschema zum Einsatz. Dieser Vorgang wird anhand eines Beispiels erläutert (siehe Abb. 3.10). Zunächst senden alle drei Stationen eine rezessives Bit aus um eine Nachrichtenübertragung zu initialisieren. Jede Station sendet anschließend Bit für Bit ihren Nachrichtenidentifier an den Bus. Rezessive Bits werden dabei von Dominanten überschrieben. In Stufe 1 des Beispiels senden alle 3 Stationen ein dominantes Bit. Im zweiten Schritt je ein rezessives Bit. Bis jetzt konnte noch keine Nachrichtenpriorisierung vorgenommen werden. Im dritten Schritt sendet Station 1 ein rezessives, die restlichen beiden je ein dominantes Bit. Da die Rezessiven von den Dominanten überschrieben werden, verliert Station 1 die Arbitrierung und geht in den Nachrichtenempfangsmodus über. Station 2 und 3 legen weiterhin ihren Identifier auf die Bus Leitung. In Schritt vier senden beide je ein dominantes Bit, gefolgt von zwei Rezessiven. Erst im siebten Schritt unterscheiden sie sich und das dominante Bit von Station 2 überschreibt das Rezessive von Station 3, welche dadurch die Arbitrierung verliert und ebenfalls in den Empfangsmodus übergeht. Auf der Busleitung befindet sich nun der Identifier von Station 2 welche mit der

28 3. Fahrzeugdiagnose 20 Abbildung 3.10: Bitweise Arbitrierung. Bildquelle: [9] weiteren Nachrichtenübermittlung, ohne die Botschaft wiederholen zu müssen, fortfahren kann. Sobald die Leitung wieder frei ist, können Station 1 und 3 das Senden ihrer Nachricht erneut versuchen. Nachrichten mit der höchsten Priorität, also mit dem niedrigsten Binärwert, können so immer zuerst auf den Bus schreiben. Die Zuordnung der Identifier muss bei der Erstellung des Busses vorgenommen werden. Je mehr Teilnehmer an dieser Leitung hängen, desto größer wird der zeitliche Versatz. Dementsprechend muss die Leitungsgeschwindigkeit an die Anzahl der Knoten angepasst werden [5] Nachrichtenformate Eine CAN-Nachricht besteht aus mehreren Teilen die zu einem Rahmen, einem sogenannten Frame zusammengesetzt werden. Hierfür existieren nach [9] vier verschiedene Frame-Arten: Data Frame Überträgt aktuelle Informationen des Steuergeräts, z.b. aktuelle Motordrehzahl. Remote Frame Wird gesendet um Daten eines anderen Teilnehmers anzufordern, z.b. Scheibenwischer fordert Daten vom Regensensor. Nachrichtenempfänger sendet daraufhin die angeforderten Werte. Error Frame Wird ein Fehler durch eine Station erkannt wird dieser durch den Error- Frame anderen Stationen mitgeteilt. Diese können bevorzugt auf den

29 3. Fahrzeugdiagnose 21 Bus schreiben. Overload Frame Sollte eine Station zu viele Anfragen bekommen, bzw. können nicht alle Anfragen abgearbeitet werden erzwingt ein Knoten durch diesen Frame eine Verzögerung. Andere Teilnehmer wissen dadurch, dass dieser derzeit keine weiteren Frames abarbeiten kann Nachrichtenframe Der Aufbau eines Nachrichtenframes selbst ist in Abbildung 3.11 ersichtlich und gliedert sich nach Grzemba und Wense [5] in die folgenden Bestandteile: Start of Frame Mit dem Schreiben auf den rezessiven Bus (IDLE) eines ersten dominanten Bit wird von einem Knoten der Beginn einer Nachricht eingeleitet. Arbitration Field Bei deinem CAN 2.0A Frame besteht dieser Abschnitt aus dem Identifier und dem Datenanforderungsbit, dem Remote Transition Request, kurz RTR-Bit. Dieses kennzeichnet den Frame als Daten (dominant) oder Remote Frame (rezessiv). Bei den längeren CAN 2.0B Frames kommt statt des RTR-Bits ein SRR-Bit (Substitute Remote Request) sowie ein IDE-Bit (Identifier Extension Bit) zum Einsatz. Beide sind rezessiv um zu gewährleisten, dass ein CAN 2.0A Vorrang vor einem CAN 2.0B Frame mit gleichem Identifier hat. Control Field Den dritten Teil der Nachrichtenrahmens bildet das Control Field und enthält 6 Bit. Bei CAN 2.0 A besteht dieses aus einem dominanten IDE-Bit, gefolgt von einem Bit für spätere Erweiterungen und einem 4 Bit breiten Feld, welches die Anzahl der Bits des folgenden Datenfelds beschreibt. Dadurch kann ein Empfänger feststellen, ob er alle Nachrichtenbestandteile erhalten hat. Das Control Field bei CAN 2.0B enthält statt dem IDE-Feld, welches bereits im Arbitrierungsfeld zum Einsatz kommt, ein weiteres rezessives Bit für zukünftige Erweiterungen. Data Field Das Datenfeld beinhaltet mit einer Länge von bis zu 8 Byte (64 Bit) die eigentlich zu übertragenden Werte.

30 3. Fahrzeugdiagnose 22 Abbildung 3.11: Nachrichtenframe. Bildquelle: [9] CRC Field Das Sicherungsfeld (Cyclic Redundancy Check) enthält eine 15-bitige Prüfsumme über den gesamten Frame, gefolgt von einem rezessiven Bit. Dadurch ist es dem Empfänger der Nachricht möglich, beim Vergleich der Prüfsummen Fehler zu erkennen. ACK Field Das Acknowledgement Field oder auch Bestätigungsfeld besteht aus einem Acknowledge Delimiter und dem Acknowledge Bit. Der Sender schreibt beide rezessiv auf den Bus. Der Empfänger der Nachricht überschreibt im Erfolgsfall das zweite Bit. Dadurch kann der Sender erkennen, ob alle Daten korrekt seinen Empfänger erreicht haben. Im Fehlerfall wird hier ein Error Frame auf den Bus geschrieben. End of Frame Am Ende jedes Nachrichtenframes befindet sich das End of Frame Feld, welches aus 7 rezessiven Bits besteht. Dadurch wird ein kompletter Frame abgeschlossen und der Bus in den rezessiven (IDLE) Zustand versetzt. Danach kann ein weiterer Knoten seine Nachrichten auf die Leitung schreiben. 3.4 On Board Diagnose Der Wunsch nach fahrzeuginternen Diagnosesystemen besteht schon seit den 1970er Jahren und wurde teilweise auch schon von Fahrzeugherstellern rudimentär implementiert. Diese waren jedoch nicht genormt sondern dienten

31 3. Fahrzeugdiagnose Abbildung 3.12: BMW Diagnosestecker. Bildquelle: [11] einzig dem Zweck den Hersteller bei Fehlerdiagnosen zu unterstützen: Bereits seit Ende der 1980er Jahre können Werkstätten Diagnosegeräte ans Fahrzeug anschließen und gespeicherte Fehler etc. auslesen. Da es zu Beginn keinerlei Vorschriften zum Aufbau dieser Diagnoseschnittstellen gab, entwickelte fast jeder Hersteller sein eigenes System. Je nach Fahrzeugmodell und Hersteller wird dabei über ein unterschiedliches Protokoll kommuniziert, welches zwar teilweise standardisiert ist, aber nicht regelt, wie die Kommunikation abläuft. [10] Dementsprechend unterschiedlich fallen auch die Diagnoseanschlüsse selbst aus (siehe Abb. 3.12). Hersteller wie Volkswagen, BMW oder Mercedes implementieren auf unterschiedliche Art die Diagnoseschnittstellen. Bei dem alten 38-poligen Mercedes Anschluss werden die Steuergeräte direkt mit den einzelnen Pins verbunden. Dadurch muss ein Diagnoseinterface direkt über diese Pins einzeln anstatt über ein zwischengeschaltete Schnittstelle kommunizieren. Für diese älteren Anschlüsse gibt es Adapter auf die aktuellen OBDII-Stecker. Dadurch ist jedoch noch nicht sichergestellt, dass eine Verbindung mit den Steuergeräten hergestellt werden kann oder ob das Fahrzeug den OBD Diagnosestandard unterstützt. Selbst bei einem positiven Verbindungsaufbau überträgt die Schnittstelle meist nur wenige Werte und bietet keinen Vollzugriff auf alle fahrzeuginternen Daten [9, 10] Entwicklung der OBD-Schnittstelle Seit 1991 muss jedes in den USA zugelassene Fahrzeug eine On-Board- Diagnose (OBDI) aufgrund der strengeren Abgaswerte in Kalifornien vorweisen können. Durch diese solle es bei Kontrollen einfacher sein, die Umweltverträglichkeit festzustellen. Für den Zugriff auf die benötigten Werte gab es weder ein genormtes Protokoll noch einen einheitlichen Stecker, zudem wurden auch nur wenige relevante Daten überwacht. Eine herstellerübergreifende Kontrolle war somit so gut wie unmöglich, da für fast jeden Hersteller

32 3. Fahrzeugdiagnose 24 CHECK ENGINE Abbildung 3.13: Motorkontrollleuchte (MIL) eigene Verbindungsmethoden und Adapter benötigt wurden. Die Fahrzeugdiagnose bei den Vertragswerkstätten gestaltet sich zu dieser Zeit noch sehr einfach. Beim Aufleuchten der Kontrolllampe (später MIL) erfolgte das Auslesen über sehr einfache Lesegeräte, bzw. durch Überbrücken einzelner Drahtverbindungen. Bei älteren Opel-Modellen beispielsweise wird bei leuchtender Motorkontrolllampe eine Drahtverbindung überbrückt und der Fehlercode daraufhin über Blinkcodes einer einzigen Lampe ausgegeben. Rückgestellt bzw. gelöscht wurden diese über Kombinationen mit den Amaturknöpfen. [10] Um zum Beispiel das Serviceintervall des Golf 4 zurückzustellen muss bei ausgeschalteter Zündung der Knopf zum Zurücksetzen der Tageskilometer gedrückt und gehalten werden. Dann die Zündung einschalten, loslassen und den Minutenknopf zum Einstellen der digitalen Uhr nach rechts drehen. Wird nun die Zündung wieder ausgeschalten, ist der Service zurückgestellt. Die erste Generation der On-Board-Diagnose ist somit zwar in vielen Fahrzeugen Pflicht, es fehlt jedoch ein Standard, welcher die Protokolle, Kommunikation und die Stecker normt. Auch die Fehlercodes können meist nur von den Herstellern bzw. den Vertragswerkstätten selbst ausgelesen und interpretiert werden. Seit 1994 besitzt jedes Kfz ein Malefunction Indicator Light oder kurz MIL. Diese Motorkontrollleuchte besteht aus einem Logo oder einem Schriftzug Check Engine (siehe Abb. 3.13) und befindet sich im Tachometerbereich. Leuchtet diese während der Fahrt auf, wird die Schwere des Fehlers nach [11] in drei Kategorien eingeteilt: Kurzzeitiges Aufblinken: Es wurde ein sporadischer Fehler erkannt, bedarf keiner weiteren Aufmerksamkeit durch den Fahrer. Dauerhaftes Leuchten: Es wurde ein Fehler erkannt, welcher baldmöglichst behoben werden sollte. Stellt aber keine Gefahr für Fahrzeug und Umwelt dar. Nach drei fehlerfreien Warmfahrzyklen wird dieser automatisch wieder gelöscht. Dauerhaftes schnelles Blinken: Ein schwerer Fehler wurde festgestellt. Nach Möglichkeit Fahrzeug sofort Abstellen oder nur noch sehr langsam weiterfahren. Sofort eine Werkstatt aufsuchen. Bei Weiterfahrt sind Folgeschäden am Fahrzeug möglich. Im Motorsteuergerät werden die Fehler mithilfe von Fehlercodes den Diagnostic Trouble Codes (DTC) abgelegt. Tritt eine Fehlfunktion zum ersten Mal auf, wird diese nur temporär (pending code) gespeichert. Kommt dieser

33 3. Fahrzeugdiagnose 25 beim nächsten Warmfahrzyklus wieder vor, wird er permanent gespeichert. Zum Auslesen werden dafür verschiedene Diagnosemodi von der Schnittstelle angeboten, welche im nächsten Abschnitt behandelt werden OBDII genormte Diagnoseschnittstelle Aufgrund der vorangegangen Ausführungen war eine einheitliche Schnittstelle für alle Fahrzeuge notwendig. Seit 1996 müssen alle Personenfahrzeuge mit Benzinmotor, seit 1997 alle Kfz und Lkw mit Dieselmotor OBDII in den USA unterstützen. In Europa wurde dieser Standard 2000 für Benzinfahrzeuge und 2003 bzw für alle Dieselfahrzeuge eingeführt. Diese Schnittstelle existiert in zwei Ausführen: Typ A und Typ B, welche sich in der Steckerart und in der Betriebsspannung (12V und 24V) unterscheiden [11] Abbildung 3.14: OBDII-Stecker Nachfolgend wird nur auf den Typ A Stecker eingegangen. Dieser muss sich im Fahrgastraum, vom Fahrersitz erreichbar befinden und ohne Werkzeugeinsatz zugänglich sein. Meistens ist er hinter dem Aschenbecher oder im Fußraum des Fahrers. Der Stecker selbst (siehe Abb. 3.14) ist genormt und die einzelnen Pins sind verschiedenen Protokollen zugeordnet. Eine Gegenüberstellung ist in Tabelle 3.1 aufgeführt. Jedes Fahrzeug sollte nur ein Protokoll unterstützen. Deswegen kann bereits durch eine Sichtkontrolle des verbauten Steckers festgestellt werden, welche Kontaktfeder vorhanden ist und somit über welches Protokoll kommuniziert werden kann. Bei den Pins 1, 3, 8 9 und handelt es sich um herstellerspezifische Anschlüsse, dessen Pins möglicherweise zusätzlich zu dem unterstützen Protokoll vorhanden sind. Um eine Verbindung mit dem jeweiligen Protokoll herzustellen müssen verschiedene Pins verbunden, bzw. nicht verbunden sein. Die meisten OBDII- Lesegeräte bieten deswegen alle Protokolle an und können je nach gewünschtem Protokoll einzelne Pins abschalten. Um auch hier eine Vereinheitlichung zu schaffen, ist seit 2003 das von Bosch entwickelte CAN Protokoll (ISO 15765) erlaubt und darf seit 2008 nur noch als einziges Protokoll in Neufahrzeugen zum Einsatz kommen. Somit ist sichergestellt, dass alle Fahrzeuge ab diesem Baujahr und viele seit 2003 dieses Protokoll unterstützen [10]. Aufgrund der vorhandenen Testfahrzeuge (siehe Abschnitt erfolgte die Kommunikation in dieser Arbeit über die K-Leitung (ISO 9141/ISO 14230).

34 3. Fahrzeugdiagnose 26 Tabelle 3.1: Belegung des OBDII-Steckers. Quelle: [24] PIN Protokoll/Funktion 1, 3, 8-9, Herstellerspezifisch 2 SAE J1850 Bus + 4 Fahrzeugmasse 5 Signalmasse 6 CAN High (ISO 15765) 7 K-Leitung (ISO 9141/ISO 14230) 10 SAE J1850 Bus - 14 CAN Low (ISO 15765) 15 L-Leitung (ISO 9141/ISO 14230) 16 Batteriespannung Der Zugriff über die OBDII-Schnittstelle erfolgt nur lesend, es können hingegen diverser Meinungen in Foren, keine Fahrzeugparameter verändert oder überschrieben werden. Einzig über herstellerspezifische Erweiterungen können solche Änderungen vorgenommen werden. Diese sind aber nicht Teil der OBDII-Norm [10]. Bei einer Verbindung mit der On-Board-Diagnose kann zwischen neun verschiedenen Diagnosemodi, den sogenannten Service Identifier oder kurz SID gewählt werden. Teilweise werden von den Fahrzeugherstellern weitere Modi implementiert, welche jedoch mit Standardlesegeräten nicht gewählt werden können. Eine tabellarische Aufstellung aller Modi findet sich aufgrund des großen Umfangs im Anhang dieser Arbeit. Die Modi 1, 3 und 7 werden nachfolgend kurz erläutert. Mithilfe des Diagnosemodus 3 können die von einem Steuergerät festgestellten und abgespeicherten Fehlercodes (siehe Abschnitt 3.4.4) abgerufen werden. Diese Fehler müssen schon öfter aufgetreten sein um fest im Fehlerspeicher der jeweiligen Steuergeräts gespeichert zu werden. Tritt ein Fehler während des aktuellen Fahrzykluses auf, so wird dieser temporär gespeichert und kann mithilfe des Modus 7 ausgelesen werden. Dies ist vor allem für Servicetechnik interessant um feststellen zu können, ob ein Fehler bei der Probefahrt behoben ist [10]. Im Diagnosemodus 1 werden aktuelle Fahrzeug und Motordaten wie Drehzahl, Geschwindigkeit, Kühlmitteltemperatur, usw. zur Verfügung gestellt. Das Abfragen erfolgt mittels sogenannter Parameter Identifier, nachfolgend PIDs genannt. Der Aufbau und die Datenabfrage wird im nächsten Abschnitt behandelt.

35 3. Fahrzeugdiagnose PIDs Um Fahrzeugdaten mittels OBDII-Schnittstelle abfragen zu können, muss zunächst über einen Diagnoseadapter eine Verbindung mit der Schnittstelle hergestellt werden. Danach können Fahrzeugdaten über die verschiedenen Modi abgefragt werden. Für die aktuellen Werte wird der Modus 1 (SID 01) verwendet. Anhand der PIDs können nun die Live-Daten der Steuergeräte empfangen werden. Die Anfrage an diese erfolgt mit hexadezimalen Werten. Mit Mode 01 und PID 0D kann beispielsweise die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit ausgelesen werden. Die Anfrage für diesen Wert lautet 010D. 01 für den Modus (SID) und 0D für die PID. Als Antwort gibt die Schnittstelle die Werte binär hexadezimal zurück. Als erstes Byte wird der angefragte Modi zurückgegeben, als zweites die angefragte PID. Als nächstes folgt ein Byte, ob die aktuelle PID von der Schnittstelle unterstützt wird. 7F bedeutet dabei, dass die PID nicht unterstützt wird. Können die Daten abgefragt werden, so folgt zunächst eine 4 gefolgt vom angefragten Modus. Im nächsten Byte wird wieder die angefragte PID zurückgegeben, gefolgt von 1 4 weiteren Bytes, durchnummeriert von A D, welche die eigentlichen Werte der Anfrage enthalten [10]. Eine komplette Antwort der OBDII-Schnittstelle auf eine Anfrage sieht demnach folgendermaßen aus: 1. Byte: Angefragte SID. 2. Byte: Angefragte PID. 3. Byte: PID wird unterstützt: 4 gefolgt von SID, z.b. 41. PID wird nicht unterstützt: 7F. 4. Byte: Angefragte PID Byte: Die eigentlichen Werte die angefragt wurden. SID PID 4x / 7F PID Angeforderte Werte A B C D 1. Byte 2. Byte 3. Byte 4. Byte Byte Abbildung 3.15: Antwort auf OBDII-Anfrage. Die angeforderten Bytewerte müssen zunächst in die jeweiligen physikalischen Messwerte umgewandelt werden. Die Umrechnung ist für jedes PID individuell notwendig und erfolgt anhand der Maximal- und Minimalwerte der PID. Der Wertebereich ist durch die Protokolle vorgegeben. Für die Berechnung des Messwertes ergibt sich die folgende Formel [10]: W ert Bytewert 2 AnzahlBits pmaximalwert Minimalwertq ` Minimalwert 1

36 3. Fahrzeugdiagnose 28 Die Tabelle für jede Formel für die Umrechnung der einzelnen PIDs lässt sich aber in fast jedem Fachbuch (wie [10, 11]) sowie in der Wikipedia [25] finden und muss dadurch nicht neu berechnet werden. Zudem kann eine Liste aller PIDs samt aller benötigten Werte in dieser Literatur gefunden werden. Eine Anfrage für die aktuelle Motordrehzahl des Fahrzeuges mit einer möglichen Antwort sieht in Anlehnung an [10] so aus: Tabelle 3.2: PID für Motordrehzahl. Quelle: [10] PID Bedeutung Datenbytes min max Einheit 0C Motordrehzahl A, B ,75 1/min Anfrage an das Fahrzeug: Anfrage an OBDII: Antwort von OBDII: A = 0x24 B = 0xBC 01 0C 01 0C 41 0C 24 BC 36 dezimal 188 dezimal Die Formel für die Berechnung der Motordrehzahl nach [25, 11]: pa 256q ` B p36 256q ` Für die Anfrage liefert das Fahrzeug also einen Wert von 2351 Umdrehungen pro Minute zurück. Eine Umrechnung ist jedoch nicht bei allen angefragten Werten erforderlich. Für die PDI 0D, die Fahrzeuggeschwindigkeit, ist der zurückgelieferte Wert bereits der gesuchte Wert und muss für eine bessere Lesbarkeit nur in das Dezimalsystem umgerechnet werden Fehlercodes Erkannte Fehler am Fahrzeug werden in Fehlercodes, im Fehlerspeicher des jeweiligen Steuergerätes, gespeichert. Sie sind nach SAE J2012 bzw. nach ISO genormt. Jeder Fehlercode besteht aus einem Buchstaben gefolgt von vier Zahlen. P0206 bedeutet beispielsweise: Einspritzdüsen Schaltkreis Fehlfunktion - Zylinder 6. Tabelle 3.3: Buchstabenzuordnung bei Fehlercodes. Quelle: [10] Kennbuchstabe P B C U Baugruppe Antriebssystem Fahrgestell Karosserie/Aufbau Netzwerkfehler

37 3. Fahrzeugdiagnose 29 Tabelle 3.4: Bedeutung erste Zahl bei Fehlercodes. Quelle: [10] Code 0xxx 1xxx 2xxx 3xxx Fehlertyp Fehler nach SAE/ISO Fehlercode des Herstellers Fehler nach SAE/ISO Fehler nach SAE/ISO (P P3999 Hersteller) Der Buchstabe ordnet den Fehlercode einer Baugruppe am Fahrzeug zu (siehe Tabelle 3.3, die erste Zahl der vier folgenden zeigt, ob es sich um einen genormten oder einen herstellerspezifischen Fehlercode handelt (siehe Tabelle 3.4). Nach Möglichkeit sollten diese aber weitgehend mit den genormten Fehlercodes übereinstimmen. Zum Beispiel sollte 0703 und 1703 den gleichen Fehler bezeichnen. Die zweite Zahl gibt in hexadezimaler Schreibweise an, um welches Untermenü es sich handelt (z.b. x7xx ist Unterkategorie Getriebe). In den letzten beiden Ziffern ist der eigentliche Fehlercode, ebenfalls hexadezimal gespeichert. Die Speicherung selbst erfolgt in zwei Datenbytes [10].

38 Kapitel 4 Bestehende Arbeiten Im Bereich der Energie- und Verbrauchseffizienz gibt es bereits mehrere unterschiedliche Ansätze, wie eine möglichst sparsame Fahrweise erzielt werden kann. Den meisten unterliegen bereits kleine Studien oder Projektprototypen, welche nachfolgend vorgestellt werden. 4.1 Bestehende Ansätze Fast alle Hersteller in der Automobilindustrie haben bereits eigene Projekte um verbrauchsoptimiertes Fahren zu ermöglichen. Für einige dieser Konzepte bestehen bereits handfeste durch Studien erprobte Prototypen, dessen Ergebnisse in die weitere Entwicklung der Fahrzeuge einfließt. Aber auch Universitäten und andere Forschungseinrichtungen, sowie Automobilzubehörhersteller wie Garmin befassen sich mit dieser Materie BMW EcoChallenge Die BMW Gruppe und LMU in München arbeiteten 2007 gemeinsam an einem Projekt, welches Autofahrer motivieren sollte effizienter zu fahren. Ziel ist es ein Bewusstsein dafür zu schaffen sein Fahrzeug spritsparend zu bewegen. Durch angepasstes Fahrverhalten ist es möglich, den Energieverbrauch eines Fahrzeuges um bis zu 50% zu senken [3]. Um solche Werte erreichen zu können, ist es aber notwendig, dass der Fahrer eine hohe Motivation für effizienteres Fahrverhalten sowie eine gewisse Lernbereitschaft mitbring, um neue Wege und Arten des Fahrens zu erlernen. Dabei sollte der Fahrer ständig mit aktuellen Informationen versorgt werden, sowie Ratschläge während des Fahrens für eine bessere Fahrweise von dem Fahrzeug erhalten. Außerdem ist die ökologischste Fahrweise nicht zwingend auch immer die sicherste. Deswegen wurden im Rahmen dieses Projekts zwei Methoden erarbeitet um dem Fahrer einen sparsameren Fahrstil zu lernen. Bei der ersten wird der Fahrer über direktes Feedback vom Fahrzeug über seine Effizient informiert. 30

39 4. Bestehende Arbeiten 31 Abbildung 4.1: BMW EcoChallenge System [3]. Dies erfolgt zum Beispiel über das Anzeigen der richtigen Schaltpunkte oder Warnleuchten für einen ineffizienten Fahrstil in den Amaturen, sowie mithilfe von haptischem Feedback am Gaspedal [2]. Das Hauptaugenmerkt liegt dabei den Fahrer davon abzuhalten das Fahrzeug stark zu beschleunigen oder hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Die zweite Methode zielt darauf ab, die Fahreffizienz des Fahrers mit früheren Fahrten zu vergleichen. Somit besteht die Möglichkeit, Verbesserungen und Verschlechterungen zu erkennen. Durch diese Auswertung kann das System zudem wichige Hinweise geben, wo noch Verbesserungspotential besteht und welche Strecken besonders effizient oder ineffizient gefahren werden. Zudem sollte eine Art Belohnungssystem, Stichwort Achievements, den Fahrer dazu antreiben weiter sparsam zu fahren. Diese beiden Ansätze wurden bei der Entwicklung des Projekts mit berücksichtigt. Die BMW EcoChallenge ist eine Studie, in der auf spielende Weise Fahrer ermutigt werden sollten, spritsparend zu fahren. Dafür wurden spielähnliche Situationen geschaffen, bei denen 37 Fahrer in einer Art Spritsparbewerben auf einer vorgegebenen Strecke gegeneinander antreten. Jeder Fahrer hat mehrere Versuche um eine möglichst effiziente Fahrt zu schaffen. Ein BMW 530i wurde hierfür als Prototyp umgebaut(siehe Abb. 4.1). Alle 100m erfolgte eine Bewertung des Fahrers anhand eines zuvor festgelegten Bewertungssystems. In die Armaturen des Fahrzeugs wurden drei verschiedene Ansichten implementiert (siehe Abb. 4.2). 1. Links erfolgt die Darstellung und Bewertung des aktuellen Beschleunigungs- oder Bremsvorgangs. Grün bedeutet gut, rot schlecht. 2. Rechts ist die aktuelle Position des Fahrers im Vergleich zu den anderen Teilnehmern der EcoChallenge zu sehen. Somit erfolgt ein live Feedback und eine persönliche Einordnung des Fahrstils noch während des Fahrens selbst.

40 4. Bestehende Arbeiten 32 Abbildung 4.2: BMW EcoChallenge User Interface [3]. 3. In der Mitte erfolgt die Ansicht der aktuellen Fahrhistorie im Vergleich mit dem eigenen besten bisherigem Lauf. Anhand der Kurven lässt sich erkennen wie stark die Testperson beschleunigt oder verzögert hat. Die benötigten Werte werden direkt vom Steuergerät des BMW über den CAN-Bus ausgelesen (siehe Abschnitt 3.3). Der Prototyp bedient sich einer Client-Server Architektur und lädt die gewonnenen Fahrzeugdaten, sowie die aktuellen GPS Positionen direkt auf einen Server, welcher sich um die Datenhaltung und Auswertung kümmert. Fazit Alle Fahrer der BMW EcoChallenge passten ihre Fahrweise dem vorgegebenen Muster des Boardcomputers an. Unnötige Beschleunigungs- und Bremsmanöver wurden bereits nach wenigen Versuchen von allen Probanden unterlassen. Die Hypothese weniger Treibstoff zu verbrauchen, welche die Studie aufstellte, konnte nicht belegt werden. Trotz der effizienteren Fahrweise konnte kein signifikant geringerer Benzinverbrauch festgestellt werden. Jedoch trägt der verbesserte Fahrstil dazu bei, den Material- und Motorverschleiß geringer zu halten. Alle Teilnehmer gaben an, dass die Ansicht des Challengemodus (der Vergleich mit den anderen Fahrern) das für sie ermutigenste Instrument war, um effizient zu fahren [3] Porsche ACC InnoDrive Der Sportwagenhersteller Porsche arbeitet ebenfalls an einem System, den Treibstoffverbrauch seiner Fahrzeuge zu reduzieren. Unter dem Codenamen ACC InnoDrive wird derzeit ein Konzept getestet welches den Fahrer aktiv unterstützt. Durch die automatische Regulierung von Beschleunigungs- und

41 4. Bestehende Arbeiten 33 Abbildung 4.3: Porsche ACC InnoDrive Cockpit [26]. Bremsvorgängen wird eine ökonomischere Fahrweise erzielt. Zudem soll es bald in der Serienproduktion eingesetzt werden. ACC InnoDrive blickt vorausschauend auf die Strecke und gewinnt daraus Informationen zur Steuerung von Motor, Getriebe und Bremsen für ein verbrauchsoptimiertes Fahren in verschiedenen Geschwindigkeits- und Fahrdynamikbereichen. Damit trägt es in erheblichem Maß zu einer Effizienzsteigerung des Fahrzeugs bei. [26] Nach ersten Tests im Realbetrieb sind mit ACC 1 InnoDrive Kraftstoffeinsparungen von ca. 10% möglich. Das System erkennt anhand verschiedener Sensoren die Umwelt des Fahrzeuges, wie zum Beispiel vorherfahrende Fahrzeuge oder Witterungsbedingungen. Durch die Nutzung von GPS und Kartendaten, können Steigungen und Gefälle sowie Straßenkrümmungen und Kurvenradien auf der Straße bestimmt werden (siehe Abb. 4.4). Das Porsche System berechnet so für mehrere Kilometer im Voraus die Verkehrs- und Straßenlage und greift, wenn aktiviert, unter Berücksichtigung einer vorher gewählten Regelstufe aktiv und vollautomatisch in das Fahrgeschehen ein. Beim Verzögern des Fahrzeuges wird je nach der weiteren Strecke die Geschwindigkeit mittels Motorbremse, durch die Bremsvorrichtung selbst oder durch Abkoppeln des Motors vom Antriebsstrang reduziert. Das System verhält sich ähnlich wie ein Tempomat und beschleunigt und verzögert das Fahrzeug selbstständig. Der Fahrer kann jedoch jederzeit in das Fahrverhalten eingreifen. Die Berechnung der Fahrweise erfolgt in drei Schritten. Zunächst wird anhand topografischer Daten die Mindest- und Höchstgeschwindigkeit für einen Streckenabschnitt errechnet. Danach erfolgt die Berechnung der Optimalgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Fahrzeugsensorendaten wie Beladung, Straßenzustand oder Wetter. Im dritten und letzten Schritt 1 Adaptive Cruise Control

42 4. Bestehende Arbeiten 34 Abbildung 4.4: Porsche ACC InnoDrive Streckenberechnung [26]. erfolgt die Umsetzung der Fahrweise. Die errechneten Daten werden an die jeweiligen Steuergeräte weitergegeben, welche die einzelnen Fahrzeugkomponenten regulieren [26]. Insgesamt wird ein [...] harmonisches Fahrbild mit dem Ziel höchster Effizienz erzeugt. [26] Fazit Das ACC InnoDrive befindet sich derzeit noch im Entwicklungsstadium, jedoch konnten bei ersten Tests bereits ein um 10% verringerter Treibstoffverbrauch, ohne Verlängerung der Fahrzeit erreicht werden. Zudem wurde von keinem Testfahrer ein geringerer Kraftstoffverbrauch ohne dem System erreicht. Im weiteren Fortschritt des Projekts wäre es auch denkbar Ampelphasen in die Berechnungen miteinfließen zu lassen um das Fahrzeug durch eine grüne Welle zu leiten [26] Green GPS GreenGPS ist eine von Universität Illinois entwickelte Kartenanwendung welche dem Benutzer ermöglicht anhand vorher gesammelter Daten die effizienteste Fahrroute zu einem gewünschten Ziel zu planen. GreenGPS utilizes a vehicle s OBD-II system and a typical scanner tool in conjunction with a participatory data collection framework to enable collection and upload of fuel consumption data.

43 4. Bestehende Arbeiten 35 Abbildung 4.5: GreenGPS Hardware [4]. In contrast to traditional mapping and navigation tools, such as Google maps 2 and MapQuest 3, which provide either the fastest or the shortest route between two points, GreenGPS collects the necessary information to compute and answer queries on the most fuel-efficient route. [4] Das Auslesen der relevanten Daten erfolgt über die OBDII Schnittstelle der Fahrzeuge. Für den Testbetrieb wurde ein Hardwarepaket zusammengestellt (siehe Abb. 4.5), bestehend aus einem OBDII Lesegerät (DashDyno) samt OBD-Stecker sowie einem Garmin GPS. Gespeichert werden die Daten dabei auf einer SD Karte im DashDyno. Das System unterscheidet zwischen zwei verschiedenen Anwendertypen. Registrierte Benutzer können aufgezeichnete Daten in das GreenGPS System einspielen und erhalten genauere Routenberechnungen, da diese an ihr Fahrzeug angepasst werden. Alle anderen Anwender müssen ihre Fahrzeugdaten eintragen und bekommen dadurch eine vorgeschlagene Strecke. Für die graphische Ansicht der geplanten Stecke wurde ein Webinterface, basierend auf Microsofts Bing Maps 4 geschaffen. Die Berechnung des effizientesten Weges erfolgt mit einer angepassten Version Gosmore 5, einem OpenSource- Routing-Programm, welches bereits generische Algorithmen zur Berechnung der schnellsten und kürzesten Route mit sich bringt. Für die Berechnung des anzunehmenden Treibstoffverbrauchs wurde für das GreenGPS Projekt eine Formel, basierend auf den Testfahrten ähnlicher Fahrzeuge und unter Berücksichtigung von Verkehrszeichen und Ampeln, entwickelt. In einer Studie

44 4. Bestehende Arbeiten 36 wurden mit mehreren Fahrzeugen mehr als 1600 km zurückgelegt um Daten für die Berechnungen zu sammeln. Durch die Planung einer Strecke mittels GreenGPS konnte so eine um durchschnittlich 10% verringerter Treibstoffverbrauch nachgewiesen werden. Fazit GreenGPS liefern nach der selbst durchgeführten Studie einen sehr guten Ansatz um Kraftstoff einzusparen. Zudem zeigt das Projekt, dass nicht nur die Fahrweise sondern auch die richtige Planung einer Strecke zur Reduzierung des Verbrauchs beiträgt Garmin Eco Route Garmin Eco Route HD ist bereits auf dem Markt erhältlich und besteht aus einem OBDII Stecker und einem Garmin Navigationssystem. Der Adapter kann jedoch auch einzeln erworben werden. Garmin Eco Route HD vereint Boardcomputer, Diagnose-Tool und Navigationssystem in einem Gerät. Der an die On Board Diagnose angeschlossene Eco Route Stecker übermittelt 1 2 mal pro Sekunde die folgenden fahrzeuginternen Daten an das Navigationsgerät via Bluetooth: Motorlast, Kühlmitteltemperatur, Ansaugrohrdruck, Ansauglufttemperatur, Luftmassenstrom, Drosselklappenposition, Batteriespannung, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motorumdrehungen pro Minute. Die Stromversorgung für den Sender übernimmt die OBD Schnittstelle. Zusätzlich können bis zu 4000 Fehlercodes ausgelesen und dargestellt werden. Hauptaufgabe des Garmin Eco Route HD ist der Routenberechnungsmodus EcoRoute: Zuerst müssen die durchschnittlichen Verbrauchsdaten des Fahrzeuges in das Navi eingegeben werden. Auf Grund dieser Daten erfolgt die Berechnung einer möglichst ökonomischen Route samt Anzeige des geplanten Treibstoffverbrauchs und dessen Kosten. Laut einem Test von navimagazin 6 konnte jedoch auf ca km keine Routenänderung festgestellt werden. Ähnlich wie bei BMW bietet auch dieses System die Möglichkeit einer EcoChallenge (siehe Abb. 4.6). Dabei kann der Fahrer mit einer effizienteren Fahrweise Punkte abhängig von seinem Fahrstil sammeln. Die Punk- 6

45 4. Bestehende Arbeiten 37 Abbildung 4.6: Garmin EcoChallenge [27]. Abbildung 4.7: Kraftstoffverbrauch nach Beendigung einer Fahrt [27]. teberechnung erfolgt durch den Grad des Kraftstoffverbrauchs, der Fahrgeschwindigkeit, sowie den Grad der Beschleunigung und der Verzögerung [27]. Der für eine Stecke verbrauchte Kraftstoff wird berechnet und nach Beendiung einer Fahrt angezeigt. Laut navi-magazin funktionierte die EcoChallenge weniger gut, da bereits kleine Änderungen an der Gaspedalstellung für eine, laut dem System, ineffiziente Fahrweise sorgen. Auf der Autobahn waren ökonomische Werte nur bei einer maximalen Geschwindigkeit von 80 km/h zu erreichen. Fazit Die Routenberechnung sowie die EcoChallenge scheinen noch nicht ausgereift zu sein. Zudem wäre es wünschenswert, erzielte Ergebnisse mit anderen Fahrern zu vergleichen um bessere Rückschlüsse auf seine eigene Fahrweise schließen zu können. Ein nettes Gimmick ist sicherlich die Anzeige des Kraftstoffverbrauchs nach Beendigung einer Fahrt (siehe Abb. 4.7). Dadurch wird eine bessere Einschätzung des Kraftstoffverbrauchs sowie dessen Kosten ermöglicht. Dies ist möglicherweise ein Anreiz kurze Strecken nicht mit dem Fahrzeug zurückzulegen, da die Kosten dafür auf einen Blick ersichtlich sind.

46 Kapitel 5 Eigener Ansatz 5.1 Verbrauchsoptimiertes Fahren Im folgenden Abschnitt wird beschrieben welche Überlegungen bezüglich eines Systems zum Vorschlagen eines möglichst effizienten Fahrstils getroffen wurden. Ein Teil dieser Lösung wurde bereits im Rahmen dieser Arbeit implementiert und wird in Abschnitt 6 näher beschrieben. Nach ersten Überlegungen ist durch eine Verringerung der Geschwindigkeit eine Einsparung von Benzin möglich. Darauf basiert auch der Ansatz, der im Prototypen implementiert wurde. Ein erhöhter Verbrauch mit steigender Geschwindigkeit lässt sich auch physikalisch nachweisen. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird aufgrund des Roll- und Luftwiderstands eine höhere Leistung benötigt um auf eine gewisse Geschwindigkeit zu beschleunigen. Durch eine höhere am Motor anliegende Leistung wird auch mehr Treibstoff benötigt Berechnung der benötigten Leistung nach Geschwindigkeit Die Berechnungen werden am Beispiel des Golf 4 durchgeführt, welcher auch als Testfahrzeug (siehe Abschnitt 6.7.1) zur Verfügung stand. Die benötigten Formeln wurden aus Hammer et al. [6] entnommen. Die Rollwiderstandskraft des Fahrzeuges F r berechnet sich nach, F r C r mg, mit dem Rollwiderstandskoeffizient C r 0,015, der Fahrzeugmasse m 1200 kg und der Erdbeschleunigung g 9, 81 m{s 2. Die Luftwiderstandskraft F w errechnet sich durch F w A 2 C wρv 2, 38

47 5. Eigener Ansatz 39 wobei A 2,22 m 2 die Stirnfläche des Fahrzeuges, C w 0,32 der Luftwiderstandsbeiwert, ρ 1,29 kg die Dichte der Luft bei Normalbedingungen m 3 und v die gefahrene Geschwindigkeit in m{s ist. Für die benötigte Leistung P in Watt ergibt sich somit die Formel P pf w ` F r qv pc r mgvq ` p A 2 C wρv 3 q. Zusätzlich muss noch die Verlustleistung an Getriebe und Antrieb berücksichtigt werden. Bei einem Golf 4 mit Frontantrieb wird ein Wert von ca. 15% für dieses Beispiel angenommen. Daraus ergibt sich für die Berechnung der am Motor anliegenden Leistung folgende Formel P ppc r mgvq ` p A 2 C wρv 3 q1,15. Tabelle 5.1 zeigt beispielhaft die errechneten Leistungswerte für den Golf in PS (Umrechnung 736W 1P S) in Abhängigkeit der Geschwindigkeit. Tabelle 5.1: Leistungswerte in Abhängigkeit der Geschwindigkeit. Geschwindigkeit (km/h) Ben. Leistung (PS) Die Werte für die Berechnungen wurden gerundet, zudem ist die Formel bewusst sehr einfach gehalten, da sie lediglich der Anschauung dienen sollte. Neben der Berücksichtigung von Luft- und Rollwiderstand wäre die Einrechnung weiterer wirkender Kräfte nötig um ein physikalisch korrektes Ergebnis zu erhalten. Diese Gegenüberstellung von Geschwindigkeit und benötigter Leistung zeigt, dass durch eine Verringerung der Geschwindigkeit Einsparpotential besteht. Je höher die Leistung die ein Motor bringen muss desto höher ist auch sein Energieverbrauch Erkennung des eingelegten Ganges Die Diagnoseschnittstelle bietet keine Möglichkeit den aktuell eingelegten Gang auszulesen. Für eine effiziente Fahrweise spielt der gewählte Gang ebenso eine Rolle wie die Geschwindigkeit. Ein erster Ansatz dieses Problem zu

48 5. Eigener Ansatz 40 Umdrehungen pro Minute 5,000 4,000 3,000 2,000 Rpm Geschwindigkeit in km/h Abbildung 5.1: Skizze Geschwindigkeit und Umdrehungen pro Minute. lösen ist der Weg über die Umdrehungen pro Minute und die Geschwindigkeit. Beide Werte können mittels OBD ausgelesen werden. Abbildung 5.1 skizziert zur besseren Verdeutlichung sehr grob eine Beschleunigungskurve in Abhängigkeit der Motorumdrehungen pro Minute. Darin kann in etwa bei 30 km/h, 50 km/h, 70 km/h und 90 km/h ein rapider Abfall der Motorumdrehungen pro Minute festgestellt werden. Diese stellen die Schaltvorgänge in einem Fahrzeug dar, da bei Betätigung der Kupplung der gesamte Antriebsstrang samt Getriebe vom Motor getrennt wird. Zudem wird bei korrekter Fahrweise der Fuß während des Schaltvorgangs vom Gaspedal genommen, wodurch der Abfall der Motorumdrehung zu erklären ist. Anhand der von der OBD-Schnittstelle gelieferten Daten kann nun erkannt werden, ob ein Schaltvorgang vorliegt. Für eine genauere Unterscheidung kann anhand der Leistung des Fahrzeuges auch eine Heuristik für die Gangerkennung entwickelt und angewendet werden. Jeder Gang kann ein gewisses Geschwindigkeitssprektrum abdecken, welches an die Motordrehzahl gebunden ist. Konkret bedeutet dies für eine Erkennung des eingelegten Gangs: Fällt die Motordrehzahl bei nahezu gleich bleibender Geschwindigkeit schnell ab (auskuppeln und vom Gas gehen) und pendelt sich deutlich unter der vorherigen Motordrehzahl wieder ein (einkuppeln und Gashebel nach unten) und kann infolge dessen ein Geschwindigkeits- und Motordrehzahlzuwachs festgestellt werden, so hat der Anwender einen Gang hochgeschalten. Für das Herunterschalten verhält es sich analog. Ein großes Problem bei diesem Ansatz ist jedoch, dass eine Erkennung nur gewährleistet sein kann, wenn stets mit dem ersten Gang angefahren wird und beim Schalten keine Gänge übersprungen werden. Bei jedem Stillstehen des Fahrzeuges wird der gewählte Gang immer auf den ersten zurückgesetzt. Eine Implementierung könnte

49 5. Eigener Ansatz 41 dementsprechend vereinfacht so aussehen: 1 var constforrpmreleaseclutch = 1000; //assumend the rpm decrease by var constforrpmengageclutch = 500; //assumend the rpm increase by function checkupshift() { 5 6 var rpm = getrmpfromobd(); 7 wait 0.5s; 8 var rpm2 = getrmpfromobd(); 9 10 if( (rpm - rpm2) > constforrpmdecrease) { //clutch is released 13 rmp3 = getrmpfromobd(); if((rmp3 - rpm2) > constforrpmengageclutch) { 16 //clutch is engaed var v1 = getvehiclespeed() 19 var rpm1 = getrmpfromobd(); 20 wait 1s; 21 var v2 = getvehiclespeed() 22 var rpm2 = getrmpfromobd(); if(v1 < v2 && rmp1 < rmp2) { return true; 27 } 28 } 29 } 30 } Berechnung des Momentanverbrauchs Für die Berechnung des Momentanverbrauchs bei Benzinfahrzeugen wurde die Formel von Bruce Lightner verwendet, welche er in [8] beschreibt. Dafür müssen die folgenden Werte aus dem Fahrzeug ausgelesen werden: Tabelle 5.2: Werte für die Berechnung des Momentanverbrauchs. PID Einheit Bedeutung 0x0D km/h Fahrzeuggeschwindigkeit 0x10 g/sec Luftmassenmesser Lightner berechnet dabei den Momentanverbrauch in mpg (in der Formel mit M abgekürzt) also miles per gallon und muss danach noch auf Kilometer pro Liter umgewandelt werden. Aus diesen Werten lässt sich dann einfach der

50 5. Eigener Ansatz 42 in Europa standardisierte Verbrauch in Litern pro 100 Kilometer errechnen. Die Formel sieht wie folgt aus: M pb D U v W q 3600 L M 710,7 v 710,7 v L L (5.1) (5.2) Die in der Formel eingesetzten Werte bzw. Konstanten ergeben sich wie folgt: In fast allen emissionsarmen Fahrzeugen beträgt das ideale Benzin- Luftgemisch B 14, 7 g Luft zu 1 g Benzin. Dadurch lassen sich die Daten des Luftmassenmessers (g Luft {s) in g Benzin {s umrechnen. Die zweite Konstante ist die Dichte von Benzin und beträgt D 6, 17 lb{gall. Diese kann zwar je nach Temperatur und Qualität des Kraftstoffs variieren, dieser Wert wird jedoch für Markentreibstoff angenommen. Die dritte Konstante beträgt U 454 und dient der Umrechnung von Pfund in Gramm (1 lb 454 g). Dies ist notwendig um den Benzinfluss in Gallonen pro Sekunde zu berechnen. Dieser Wert wird mit 3600 s multipliziert um auf die Einheit Gallonen pro Stunde zu kommen. Die letzte Konstante W 0, rechnet die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) von km{h in Meilen pro Stunde um. Zusätzlich muss der Wert des Luftmassenmessers L durch 100 dividiert werden, da das Steuergerät einen Wert mit der Einheit 100 g{s 100 zurückgibt. Übersichtlich dargestellt setzt sich die Formel aus folgenden Faktoren zusammen: M Meilen pro Gallone B 14, 7 Ideales Benzin/Luftgemisch [g Luft {g Benzin ] D 6, 17 Dichte von Benzin [lb{gall] U 454 Umrechnung Pfund in Gramm v Fahrzeuggeschwindigkeit W 0, Umrechnung km in Meilen 3600 Umrechnung Sekunden in Stunden L Werte Luftmassenmesser [100 g{s] 100 Umrechnung Luftmassenmesser [g{s] Der errechnete Wert muss noch in km pro Liter (K) umgerechnet werden. Dies erfolgt mittels: K M X Y M 0, Die Werte ergeben sich aus der Umrechnung von Meilen in Kilometer X 1, km und Gallonen in Liter Y 3, L. Um daraus die europäische Maßangabe Liter pro 100 Kilometer (V ) zu gewinnen muss lediglich 100 / km gerechnet werden. Der gewonnene Wert wird mit Z 0, abgekürzt.

51 5. Eigener Ansatz 43 Somit ergibt sich folgende Formel: V 100 M Z Zu beachten ist jedoch, dass nicht jedes Fahrzeug einen Luftmassenmesser besitzt und somit der momentane Treibstoffverbrauch mithilfe dieser Formeln berechnet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch mit diesen Daten gearbeitet werden, da alle Testfahrzeuge mit einem solchen Messgerät ausgestattet waren Berechnung des Treibstoffverbrauchs auf Strecken anhand des Momentanverbrauchs Um aus den oben errechneten Werten den Gesamtverbrauch auf einer Strecke zu errechnen, bedarf es zusätzlichen Faktoren. Je nach Auslastung der Busse im Fahrzeug werden die Anfragen an die OBDII Schnittstelle in unterschiedlichen Zeitabständen beantwortet. Bei jeder Berechnung des Momentanverbrauchs wird zusätzlich der aktuelle Zeitstempel gespeichert. Zwischen zwei solcher Berechnungen kann nun die Zeitdifferenz t aktuellezeit vorherigezeit ermittelt werden. Anhand der Geschwindigkeitswerte des Fahrzeuges, kann mittels der Zeitdifferenz die zurückgelegte Strecke errechnet werden. Teilt man die ermittelten Liter pro 100 Kilometer durch , so kann der Verbrauchswert Liter pro Meter errechnet werden. Anhand der in t zurückgelegten Strecke ist es nun möglich den Verbrauch in Litern zu berechnen. Der Gesamtverbrauch auf einer Strecke errechnet sich durch die Summe aller Teilstrecken. Als Einheitswerte ergeben sich für die Zeitdifferenz Sekunden und für die Geschwindigkeit Meter pro Sekunden (1 km{h 0, m{s). Der Verbrauch in Litern auf der gefahrenen Strecke kann somit wie folgt errechnet werden: V erbrauch ÿ t v 5.2 Soziale Komponenten 1 3,6 V 10 5 Mithilfe der Werte, die sich aus den wie oben beschriebenen Absätzen errechnen lassen, ist es möglich den eigenen Verbrauch auf einer gefahrenen Stecke zu errechnen. Unter Zuhilfenahme von GPS-Lokalisierungsdaten kann zudem ein genaues Profil über den Fahrstil auf einer Strecke erstellt werden. Werden diese Werte über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet, ist es möglich, genaue Analysen über sein eigenes Fahrverhalten auf gewissen Strecken zu erstellen. Durch den Vergleich dieser Datensätze kann zudem Verbesserungspotential auf einzelnen Streckenabschnitten erkannt werden, wenn einer dieser

52 5. Eigener Ansatz 44 Teilbereiche beispielsweise einmal besonders effizient, sonst aber eher ineffizient gefahren wurde. Mithilfe dieser gesammelten Daten kann schnell gesehen werden, welche Kraftstoffersparnis sich aus einer effizienteren Fahrweise ergibt. Zudem sollten nicht nur die Geschwindigkeit oder der Verbrauch erfasst werden, sondern auch der Grad der Beschleunigung bzw der Verzögerung, sowie den verwendeten Gängen und den daraus resultierenden Motordrehzahlen. Zusätzlich zu einer Auswertung der Daten soll dem Fahrer während der Fahrt vorgeschlagen werden wie er Fahren soll. Aus allen erfassten Daten kann für eine bestimmte Strecke somit eine möglichst verbrauchseffiziente Fahrweise errechnet werden. Diese kann dem Fahrer live während der Fahrt auf seinem Smartphone angezeigt werden. Folgende Parameter werden dabei analysiert: Geschwindigkeit, verwendeter Gang, Beschleunigungen. Um den Fahrer weiter zu ermutigen kann zusätzlich zu der Ersparnis oder dem Mehrverbrauch der Wert in Euro ausgegeben werden. Aktuelle Benzinpreise lassen sich beispielsweise über das Portal Spritpreisrechner 1 des Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend beziehen. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Anreiz zur Kraftstoffeffizienz, da der Geldwert ersichtlich ist. Neben der Auswertung der eigenen Werte sollen diese zudem einer Gemeinschaft in einem Portal zur Verfügung gestellt werden. So können die erreichten Verbrauchswerte mit anderen Fahrern verglichen werden. Kimura und Nakajima beschreiben ein solches Vorgehen in [7]. Durch das Vergleichen der eigenen Fahrweise und einem möglichen Optimum, welches von einem anderen Fahrer erreicht wurde entsteht ein Wettbewerb zwischen den Anwendern. Dabei versucht jeder die Werte des anderen zu übertreffen. Somit ist eine weitere Motivation für eine effiziente Fahrweise gegeben. Zusätzlich können eine gewisse Mitgliederzahl vorausgesetzt auf viel befahrenen Straßen Spritsparbewerbe ausgetragen werden, bei dem der Gewinner einen kleinen Preis für seine Fahrweise erhält. 5.3 Persuasiver und gamifizierter Ansatz Es existieren bereits einige Ansätze welche durch direktes, zum Teil haptisches Feedback versuchen, den Fahrer zu einer verbrauchsorientierten Fahrweise zu lotsen. Einen möglichen Ansatz liefert die BMW EcoChallenge mit einem direkten Feedback am Gaspedal [3]. Einen weiteren Ansatz, welcher in das aktive Fahrgeschehen des Fahrzeuges eingreift, liefert Meschtscherjakov et al. [1]. Dabei werden verschiedene Systeme vorgestellt, welche bei Aktivierung aktiv Fahrzeugparameter verändern und somit Kraftstoff sparen. Zudem sorgen mehrere Displays wie Eco Speedometer oder Eco Display für ein Live-Feedback der aktuellen Ersparnis. Anhand solcher Komponenten werden Fahrer zusätzlich ermutigt effizienter zu Fahren. Zusätzlich zum im vorherigen Absatz erwähnten Vorschlagssystem sollen spielerische Ansätze 1

53 5. Eigener Ansatz 45 in das System mit einfließen. Registrierte Mitglieder sollen dabei sogenannte Gamification Points durch ihre Fahrweise verdienen können. Je effizienter oder besser dabei eine Strecke gefahren wird, desto mehr Punkte können erreicht werden. In einer internen Rangliste werden die Benutzer nach verdienten Punkten absteigend aufgelistet. Dies sollte als zusätzlicher Ansporn dienen effizienter zu fahren. Zusätzlich soll in das Portal ein Achievementsystem eingebaut werden. Die Planung eines solchen erfolgt jedoch erst später und ist nicht mehr Teil dieser Arbeit.

54 Kapitel 6 Umsetzung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein erster Prototyp für die zuvor geschilderten Ausführungen entwickelt. Dieser besteht aus 2 Komponenten, einer Android Applikation und einem simplen PHP-Server, welcher Daten entgegennimmt, aufbereitet und auf Anfrage zum Client zurücksendet. 6.1 Vorbereitungen Um eine Verbindung mit einem Fahrzeug herstellen zu können wird ein OBD2 Adapter benötigt, welcher an die Schnittstelle angeschlossen wird. Eines der vorrangigen Ziele dieser Arbeit war es, den finanziellen Aufwand sehr gering zu halten. Aus diesem Grund kam hierfür nur ein günstiger OBD2 Bluetooth Adapter in Frage, welcher Beispielsweise über das Online- Aktionshaus ebay 1 zu einem Preis von ca. 20 Euro zu erstehen ist. Es existieren aber weitere Online Shops welche solche Adapter in Preisspannen von ca Euro verkaufen. Außerdem gibt es neben genannten Bluetooth Geräten ebenso welche, die über WLan, USB oder eine serielle Schnittstelle angesprochen werden können. Der erworbene Adapter hat jedoch den Vorteil, dass dieser sowohl von Smartphones als auch von den meisten modernen Laptops verwendet werden kann, da nahezu jedes Gerät den Bluetooth Standard unterstützt. Vor Implementierung der Android Applikation wurden verschiedene bereits verfügbare Anwendungen getestet um ein erstes Bild von der Funktions- und Leistungsfähigkeit solcher Apps zu erhalten. Die wichtigsten werden im nächsten Abschnitt kurz vorgestellt

55 6. Umsetzung 47 Abbildung 6.1: Günstiger ELM327 OBDII Bluetooth Adapter 6.2 Herangehensweise Ähnliche Anwendungen Torque Die am weitesten verbreitete Android Applikation für die OBD2 Schnittstelle ist mit über einer Million aktiver Installationen Torque 2, welche in einer kostenlosen sowie einer kostenpflichtigen Pro Version erhältlich ist. Diese App kann sich sowohl mit Bluetooth OBD2 Adaptern als auch mit Wifi bzw. USB Dongles verbinden. Mittels des kostengünstigen OBD2 Adapter konnte zu allen zur Verfügung stehenden Testfahrzeugen (siehe Tabelle 6.1) via Bluetooth eine Verbindung hergestellt werden. Ein Auslesen grundlegender Motordaten war bei zwei der vier Fahrzeugen möglich. Der Golf 3 unterstützt aufgrund seines fortgeschrittenen Alters kaum Steuergeräte welche Daten ausliefern können. Die Schnittstelle ist nur zum Auslesen von Errorcodes im Fehlerfall gedacht. Mit dem BMW 525d konnte keine Verbindung hergestellt werden. Bei der Verbindung mit Golf 4 und BMW 320d konnten einige Werte wie Luftmassenstrom, Drosselklappenposition, Batteriespannung, Motorumdrehungen pro Minute und Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgreich ausgelesen werden. Torque bietet ein Gauge zur Darstellung des aktuellen Kraftstoffverbrauchs, dessen Anzeige aber bei keinem der Testfahrzeuge funktionierte. Um diese Funktion bei weiteren Fahrzeugen testen zu können standen kurzfristig weitere Autos wie Renault Clio, Skoda Fabia, Toyota Yaris, VW Scirocco zur Verfügung. Einzig beim Toyota war das Auslesen der Treibstoffwerte erfolgreich. ScanMaster Die ScanMaster Android App 3 wird von WGSoft 4 entwickelt, welche auch Diagnosehardware für OBD verkaufen. Diese Applikation ermöglicht das Auslesen von OBD Fehlercodes und aktueller Fahrzeugdaten. Eine Berechnung des momentanen Treibstoffverbrauchs ist (noch) nicht implementiert. 2 https://play.google.com/store/apps/details?id=org.prowl.torquefree 3 https://play.google.com/store/apps/details?id=de.wgsoft.scanmaster 4

56 6. Umsetzung 48 Abbildung 6.2: Torque Android App. Abbildung 6.3: ScanMaster App. Mit dem Haupttestfahrzeug war es möglich aktuelle Steuergerätedaten wie die des Luftmassenmesser, Umdrehungen pro Minute u.a. auszulesen. OBDDiag Als letzte vergleichbare Applikation kam OBDDiag 5 in der generischen Version zum Einsatz. Diese noch sehr junge App liest Fahrzeugdaten, Fehlercodes 5 https://play.google.com/store/apps/details?id=scantech.obddiaggeneric

57 6. Umsetzung 49 und Werte freigegebener Steuergeräte aus. Eine erfolgreiche Verbindung zum Auslesen der Grunddaten war mit allen Testfahrzeugen (außer BMW 525) möglich. Leider brauch nach wenigen Sekunden meist die Verbindung ab und erforderte ein erneutes Aufbauen dieser. 6.3 Programmaufbau Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Android Applikation entwickelt, der als erster Prototyp für den im Kapitel 5 beschrieben Ansatz dienen soll. Dieser basiert auf dem Android-OBD-Reader 6, welcher unter Google code veröffentlicht wurde. Die App unterteilt sich in mehrere Bereiche welche in dem Screenshot (siehe Abb. 6.4) ersichtlich sind. Auf dem Homescreen kann zwischen verschiedenen Ansichten gewählt werden. Mit dem Button Track Route startet sich eine GoogleMaps View, welche die gefahrene Strecke samt der GPS Geschwindigkeit aufzeichnet. Unter TraceView wird ebenfalls eine GoogleMapsView gestartet, allerdings wird dem Benutzer dabei eine zu fahrende Geschwindigkeit vorgeschlagen. Die Daten werden live von einem Server abgefragt. Der Client schickt seine aktuellen Lokalisierungsdaten, also Longitude und Latitude an einen Server, der die zu fahrende Geschwindigkeit zurückgibt. Ist auf der Strecke noch kein anderer Fahrer gefahren, so wird no data zurückgegeben. Mithilfe der dritten Schaltfläche start OBD, wird der On-Board-Diagnose Activity gestartet, welche auf der dritten Ansicht in Abbildung 6.4 zu sehen ist. Mithilfe der Menütaste kann in den Settings eine Verbindung zu einem OBDII Bluetooth Adapter hergestellt werden. Zudem kann der Datenupload auf einen Server gestartet werden, dessen URL im Punkt Upload URL einzutragen ist. Nach Abschluss der Einstellungen gelangt der Benutzer mithilfe der Zurücktaste wieder zum Hauptbildschirm der Activity. Durch erneutes Antippen der Menütasten und der Auswahl von Start Live Data stellt die App eine Verbindung mit dem zuvor gepaartem Bluetooth Adapter her und versucht Live Daten aus der Schnittstelle auszulesen. Das User Interface wurde dabei vom android-obd-reader übernommen. Ist der Verbindungsaufbau positiv werden nun in einer Liste alle auszulesenden Werte (siehe dritte Ansicht Abb. 6.4) angezeigt. Liefert die Diagnoseschnittstelle für gewisse Anfragen keine Antwort zurück oder wird der Modus nicht unterstützt, wird in der Liste NODATA angezeigt. Die so gewonnenen Werte werden an die in den Einstellungen angegebene Server- URL übermittelt und gespeichert. Anhand dieser wird dem Benutzer in der Trace Route View eine zu fahrende Geschwindigkeit vorgeschlagen. 6

58 6. Umsetzung 50 Abbildung 6.4: Prototyp App 6.4 App Die Android Applikation gliedert sich in mehrere Bereiche. In diesem Abschnitt werden kurz prägnante Implementierungspunkte bzw. der Quellcode dazu vorgestellt. Die Hauptaktivität, welche die OBDII Daten aus dem Fahrzeug ausließt ist die ObdReaderMainActivity Klasse. Wird in dieser im Menü der Punkt Start Live Data gewählt, wird die Methode livedata() aufgerufen, welche die Applikation als einen sogenannten Service im Android Betriebssystem registriert. A Service is an application component representing either an application s desire to perform a longer-running operation while not interacting with the user or to supply functionality for other applications to use. [28] Ein Service registriert sich also im Betriebssystem um im Hintergrund weiterzulaufen. Der User kann mit dem Smartphone weiter agieren und die OBDII Werte werden im Hintergrund ausgelesen. Dies erfolgt auch, wenn das Gerät in den Standby Modus geschaltet wird. Ohne einen solchen Service würde die Verbindung zum Bluetooth Adapter getrennt werden, wenn der Benutzer eine andere App oder den Homescreen öffnet, oder sich das Handy in den Standby Modus begibt. Zudem wird der LocationManager gestartet, über den die Lokalisierungsdaten der aktuellen Position abgefragt werden können. Diese werden zusätzlich zu dem ausgelesenen Werten an den Server übertragen. Die Verbindung zum Fahrzeug wird mittels des ObdReaderService über den ObdConnectThread hergestellt. Auf den Smartphoneeigenen Bluetooth

59 6. Umsetzung 51 Adapter kann mittels der vom Android SDK bereitgestellten Klasse BluetoothAdapter zugegriffen werden. Dieses greift dann über das Application Framework und den Linux Kernel (siehe Abschnitt 2.3) auf den Bluetooth Chip zu. Die gepaarten Geräte können mithilfe der Methode getremotedevice() vom BluetoothAdapter abgerufen werden. Der Zugriff über den zu verbindenden Adapter wird über BluetoothDevice geregelt. Konnte über den Service eine erfolgreiche Verbindung zum Diagnoseadapter hergestellt werden, wird der UpdateThread gestartet, welcher in einem bestimmten Zeitabstand die Werte vom Fahrzeug abfrägt. Dieses Intervall kann ebenfalls in den Einstellungen der App verändert werden und beträgt standardmäßig 4 Sekunden. Der Minimalwert beträgt 250 ms. 1 private class UpdateThread extends Thread { 2 boolean stop = false; 3 public void run() { 4 String vehicleid = prefs.getstring(obdreaderconfigactivity. VEHICLE_ID_KEY,""); 5 while (!stop && serviceconn.isrunning()) { 6 ObdReaderService svc = serviceconn.getservice(); 7 Map<String,String> datamap = null; 8 if (svc == null svc.getdatamap() == null) { 9 datamap = new HashMap<String, String>(); 10 for (ObdCommand cmd:obdconfig.getcommands()) { 11 datamap.put(cmd.getdesc(),"--"); 12 } 13 } else { 14 datamap = svc.getdatamap(); 15 } 16 if (vehicleid!= null &&!"".equals(vehicleid.trim())) { 17 datamap.put("vehicle ID", vehicleid); 18 } 19 updatedatatable(datamap); 20 try { 21 Thread.sleep(ObdReaderConfigActivity.getUpdatePeriod(prefs)); 22 } catch (InterruptedException e) { 23 e.printstacktrace(); 24 } 25 } 26 } 27 } Alle anzufragenden OBDCommands werden in einer ArrayList über die Methode getcommands über die Klasse ObdConfig aufbereitet und zurückgegeben. Für zukünftiges Implementieren ist hier noch geplant, dem Benutzer die Auswahl der auszulesenden Daten, bis auf die für die Berechnung des Treibstoffverbrauchs nötigen, selbst zu überlassen. 1 public static ArrayList<ObdCommand> getcommands() { 2 ArrayList<ObdCommand> cmds = new ArrayList<ObdCommand>(); 3 cmds.add(new AirIntakeTempObdCommand()); 4 cmds.add(new IntakeManifoldPressureObdCommand()); 5 cmds.add(new PressureObdCommand("0133","Barometric Press","kPa","atm

60 6. Umsetzung 52 ")); 6 cmds.add(new TempObdCommand("0146",AIR_TEMP,"C","F")); 7 cmds.add(new SpeedObdCommand()); 8 cmds.add(new ThrottleObdCommand()); 9 cmds.add(new EngineRPMObdCommand()); 10 cmds.add(new FuelPressureObdCommand()); 11 cmds.add(new TempObdCommand("0105",COOLANT_TEMP,"C","F")); 12 cmds.add(new ThrottleObdCommand("0104","Engine Load","%")); 13 cmds.add(new MassAirFlowObdCommand()); 14 cmds.add(new FuelEconomyObdCommand()); 15 cmds.add(new FuelEconomyMAPObdCommand()); 16 cmds.add(new FuelEconomyCommandedMAPObdCommand()); 17 cmds.add(new FuelTrimObdCommand()); 18 cmds.add(new FuelTrimObdCommand("0106","Short Term Fuel Trim","%")); 19 cmds.add(new EngineRunTimeObdCommand()); 20 cmds.add(new CommandEquivRatioObdCommand()); 21 cmds.add(new TimingAdvanceObdCommand()); 22 cmds.add(new ObdCommand("03","Trouble Codes","","")); 23 return cmds; Um Werte aus dem Fahrzeug auszulesen, müssen wie im Abschnitt beschrieben sogenannte PIDs an die Schnittstelle gesendet werden. Diese sind in der Applikation als OBDCommand hinterlegt. Jedes Command wird dabei einzeln an das Kfz gesendet indem es den zuvor gestarteten ObdConnect- Thread übergeben bekommt und die Anfragen über diesen schickt. Die Klasse OBDCommand erbt von Thread und beinhaltet die Logik für eine generische Anfrage an die Schnittstelle. Alle einzelnen Abfragen erben von dieser Klasse und beinhalten die anzufragenden Werte. Dies wird am Beispiel des Massive Air Flow, oder Luftmassenmesser im folgenden Codebeispiel verdeutlicht. Im Konstruktor der Klasse werden die zur Anfrage benötigten Werte an die Superklasse weitergegeben. In diesem Fall 0110 die SID und die PID für die Werte des Luftmassenmessers, gefolgt von dem Namen des Listeneintrags (siehe Abb. 6.4) die die Einheit, in welcher die Werte von der Schnittstelle zurückgegeben werden. Mithilfe der Methode formatresult() erfolgt die Interpretation und die Berechnung der Werte. Da der Massive Air Flow mit in 100 g pro Sekunde angegeben wird, erfolgt die Berechnung der Werte mittels der in Zeile 19 des Codebeispiels zu sehenden Rechnung. Eine Erläuterung dieser ist in Abschnitt zu finden. 1 public class MassAirFlowObdCommand extends ObdCommand { 2 3 private double maf = ; 4 public MassAirFlowObdCommand() { 5 super("0110","mass Air Flow","g/s","g/s"); 6 } 7 public MassAirFlowObdCommand(MassAirFlowObdCommand other) { 8 super(other); 9 } 10 public String formatresult() { 11 String res = super.formatresult(); 12 if ("NODATA".equals(res)) {

61 6. Umsetzung return "NODATA"; 14 } 15 String A = res.substring(4,6); 16 String B = res.substring(6,8); 17 int a = Integer.parseInt(A,16); 18 int b = Integer.parseInt(B,16); 19 maf = ((256.0*a)+b) / 100.0; 20 return Double.toString(maf); 21 } 22 double getmaf() { 23 return maf; 24 } 25 } Um einfache Anfragen an die OBDII-Schnittstelle zu ermöglichen, deren Antwort direkt binär vom Fahrzeug zurückgegeben wird, ist mithilfe der IntObdCommand Klasse möglich. 1 public class IntObdCommand extends ObdCommand { 2 3 protected int intvalue = -9999; 4 public IntObdCommand(String cmd, String desc, String restype, String imptype) { 5 super(cmd, desc, restype, imptype); 6 } 7 public IntObdCommand(IntObdCommand other) { 8 super(other); 9 } 10 public String formatresult() { 11 String res = super.formatresult(); 12 if ("NODATA".equals(res)) { 13 return "NODATA"; 14 } 15 String bytestr = res.substring(4,6); 16 int b = Integer.parseInt(byteStr,16); 17 intvalue = transform(b); 18 if (isimperial()) { 19 return String.format("%s %s", Integer.toString(getImperialInt()), imptype); 20 } else { 21 return String.format("%s %s", Integer.toString(intValue), restype) ; 22 } 23 } 24 protected int transform(int b) { 25 return b; 26 } 27 public int getint() { 28 return intvalue; 29 } 30 public int getimperialint() { 31 return intvalue; 32 } 33 }

62 6. Umsetzung 54 Mithilfe der Methode formatresult() werden die zurückgelieferten Binärwerte in Integer Werte umgerechnet. Alle konkreten OBD-Commands die so ausgelesen werden können erben von dieser Klasse. Ein Beispiel hierfür ist das Auslesen der Geschwindigkeit. 1 public class SpeedObdCommand extends IntObdCommand { 2 3 public SpeedObdCommand() { 4 super("010d",obdconfig.speed,"km/h","mph"); 5 } 6 public SpeedObdCommand(SpeedObdCommand other) { 7 super(other); 8 } 10 public int getimperialint() { 11 if (intvalue <= 0) { 12 return 0; 13 } 14 return (int)(intvalue *.625); 15 } 16 } Die bei der Anfrage gesammelten Daten werden mithilfe des ObdUpload- Thread auf den in den Einstellungen angegebenen Server hochgeladen. Der Aufbau der Requests und dessen Datenmodell sind in der Klasse DataUploader zu finden. Alle Werte werden mit der HTTP POST Methode übertragen. Dabei wurde für erste Tests die aktuelle Geschwindigkeit samt Lokalisierungsdaten des Fahrzeuges mittels GPS-Daten in der TrackMapsActivity2 aufgezeichnet und an einen Server übertragen, später wurden diese Werte mit den ausgelesenen Werten übertragen. Das Vorschlagen der aktuellen Geschwindigkeit übernimmt die Trace- MapsActivity2. Über einen onlocationchanged Listener in der MapActivity, beide vom Android SDK zur Verfügung gestellt, wird bei jeder festgestellten Standortveränderung des Smartphones ein Request mit den aktuellen Geodaten aufgebaut und an den Server geschickt. Wurde diese Position bereits von einem Anwender gefahren, schickt der Server einen Response mit dessen Geschwindigkeit zurück und schlägt sie so in einem Overlay über der Kartenansicht dem Benutzer vor. 6.5 Server Für die Datenspeicherung und -aufbereitung kam ein sehr einfacher PHP- Server zum Einsatz. In weiterer Folge und bei der Umsetzung des Portals samt dem sozialen Netzwerk, soll dieser durch einen stabileren und besseren ausgetauscht werden. Denkbar wäre hierfür das PHP-Serverframework Symfony 7 zu verwenden, da es genau für solche Zwecke ausgelegt ist. An die 7

63 6. Umsetzung 55 Datei lookup_speed.php werden die vom Smartphone erzeugten Geodaten geschickt. Für diese werden mittels eines Datenbankqueries die vorzuschlagenden Geschwindigkeitswerte ermittelt, sofern diese vorhanden sind. Zusätzlich werden weitere Parameter wie Motorumdrehungen pro Minute oder die Drosselklappenstellung, anhand derer beispielsweise die Gaspedalstellung ermittelt werden kann, mit zurück geschickt. Die Daten wurden zuvor mit der Android App erfasst und in einer MySQL-Datenbank gespeichert. Durch die oft nur geringe Bandbreite der Handynetze in schlecht ausgebauten Gebieten ist ein besonders kleiner Response notwendig um die Daten schnell an das Androidtelefon zu bringen. Aus diesem Grund erfolgt dieser JSONcodiert. Zusätzlich bietet das Format den Vorteil, dass es mithilfe der Google eigenen Library gson 8 einfach auf den Geräten verarbeitet werden kann. 1 while($res = mysql_fetch_object($result)){ 2 3 $speed = $res -> speed; 4 $speed = $speed * 3.6; 5 $dbentry = new DBEntry(); 6 $dbentry->speed = $speed; 7 $dbentry->latitude = $res->lat; 8 $dbentry->longitude = $res -> lat; 9 $dbentry->called_latitude = $lat; 10 $dbentry->called_longitude = $lon; 11 $dbentry->vspd = $res->vspd; 12 $dbentry->rpm = $res -> rpm; 13 $dbentry->fuel_economy_map = $res->fuel_econ_map; 14 $dbentry->throttle_position = $res->throttle_pos; 15 array_push($array, $dbentry); } 18 $dblist->result = $array; 19 header("content-type: application/json; charset=utf-8"); 20 echo json_encode($dblist); Für die Speicherung der Daten nimmt die Datei get_data.php alle mittels HTTP POST übergeben Werte entgegen, und speichert diese in einer MySQL Datenbank ab. Alle von der App gestellten Requests für eine vorgeschlagene Geschwindigkeit werden von diesen Daten abgerufen. Zusätzlich wurden einige hilfreiche Skripte zum Beispiel für die Umwandlung von XML geformten Geodateien (gpx) geschrieben bzw. Gefundene umgeschrieben. 6.6 Probleme und Testen Ein weiteres großes Problem ergab sich durch das Testen der in Entwicklung befindlichen Applikation. Nach jeder Implementierung neuen Codes, bzw. jeder Bugfix erforderte ein Testen direkt am Fahrzeug mangels kostengünstiger Emulatoren. Für einen ELM 237 Simulator wie der ECUsim

64 6. Umsetzung 56 Abbildung 6.5: ECUSim 5100 OBDII Simulator. Bildquelle: [29] Multiprotocol OBD-II ECU Simulator [29] (siehe Abb. 6.5)muss knapp mit Euro und weiteren 200 pro unterstütztem Protokoll gerechnet werden. Um trotzdem ohne Fahrzeug testen zu können wurde aufgrund der Projektbeschreibung sehr viel Zeit in den von Gary Briggs entwickelten OBDSoftware-Simulator OBDSim [30] investiert: Command-line I wanted it to work from the commandline [and optionally a GUI version]. Specifically I wanted something I could run on a SheevaPlug. Pluggable There were a couple OBDII simulators out there, but they all had single, hardcoded data sources. I wanted to be able to configure it to work with multiple, different, data sources. Honors Elm327 AT commands Many simulators appear to understand ELM327 AT commands [such as echo on/off], but do not actually honor them. As a tool for working on OBDII software, it seems important to support these features. Multiple ECU support You can use multiple data sources simultaneously, each pretends to be a different engine control unit. Cross platform, multiple terminal types OBDSim works on Linux, Windows, OSX and others, and the same framework is used to simulate bluetooth as well as serial connections Multiple Protocols there are lots of protocols that might be talked, each with a different way of presenting headers. Multiple ECU support hinges on this. Auch nach Kontakt mit dem Programmautor und dem Testen unter mehreren Linux-Distributionen auf unterschiedlichen Rechnern war es nicht möglich, eine stabile Verbindung via Bluetooth herzustellen. Mit den im Abschnitt vorgestellten Apps klappte die Kommunikation ebenfalls nicht. Beim Verbindungsaufbauversuch wurde diese sofort wieder beendet. Aus diesen Gründen blieb nur der Weg des live am Fahrzeug testen. Für jeden Testlauf ist ein vorheriges Abstellen und Starten des Motors nötig. Zumindest konnte so die höchste erfolgreiche Verbindungsquote erstellt werden.

65 6. Umsetzung 57 Abbildung 6.6: PLX-Device KIWI Bluetooth Adapter. Bildquelle: [31] Ein weiteres großes Problem ergab sich aus der Verwendung des günstigen OBDII-Adapters. Aufgrund der wirklich billigen Bauweise war dieser nicht in der Lage schnell aufeinanderfolgende Zugriffe zu verarbeiten und brach die Verbindung mit dem Fahrzeug oder mit dem per Bluetooth angeschlossenen Smartphone ab. Abhilfe schaffte nur das erneute Ordern eines hochwertigeren Adapters. Nach längerer Recherche kam hierfür nur der ca. 120 Euro teure KIWI-Adapter (siehe Abb. 6.6) von PLX-Devices9 in Frage. Mit diesem war es möglich, kontinuierliche und stabile Verbindungen mit dem Fahrzeug herzustellen. In diversen Foren wird auch dieser Adapter von vielen empfohlen. Zu erwähnen sei an dieser Stelle noch der OBDLink Wifi Scan Tool Adapter, sowie OBDLink Bluetooth Scan Tool Adapter, der mittels Wlan bzw. Bluetooth und USB angesprochen werden können. Beide können über Scantool.net10 geordert werden. Der Meinung vieler Forenbenutzer nach ist dies der beste Diagnosestecker, kostet jedoch mit je über 200 Euro deutlich mehr als die hier getesteten. Verbindungsaufbau Zunächst muss der Einbauort des Diagnoseanschlusses ermittelt werden. Dieser befindet sich meist versteckt hinter Verkleidungen oder im Fußraum, aber immer im Umkreis von 1 m zum Fahrer. Auf diversen Internetplattformen oder in Foren lässt sich dieser aber meist sehr schnell finden. Im Falle des 4er Golfs muss der Aschenbecher aus der Mittelkonsole entfernt werden, um Zugang zum Diagnosestecker zu erhalten. Nach Starten des Motors wird der Bluetooth Diagnose Adapter angesteckt und eine Verbindung mit der App ist möglich

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