車聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚有林

摘 要： 為了提高車聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信能力，實(shí)現(xiàn)通過無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對車輛監(jiān)控與導(dǎo)航，利用RFID和GPS技術(shù)，通過對車聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)了車聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了車載終端總體結(jié)構(gòu)、車載終端通信模塊、RFID感知通信模塊、移動(dòng)通信平臺(tái)架構(gòu)、定位追蹤通信模塊和遠(yuǎn)程控制通信模塊。應(yīng)用結(jié)果表明，該移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有較好顯示能力和信息處理能力，能夠處理導(dǎo)航、信息服務(wù)、車輛信息顯示與輔助控制等功能的車載終端信息通信服務(wù)的需求。

關(guān)鍵詞： 通信模塊； 車聯(lián)網(wǎng)； 車載終端； RFID； 物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN391?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）20?0031?04

Design and implementation of mobile wireless data communication system

for Internet of vehicles

YAO You?lin1， YOU Fei1， GAO Zhu?lian1， XU Dong?sheng2， ZHANG Feng1， ZHANG Yong?heng1

（1. School of Information Engineering， Yulin University， Yulin 719000， China； 2. School of Software， Xian University of Arts and Science， Xi'an 710065， China）

Abstract：In order to improve the mobile wireless data communication ability of Internet of Vehicles （IOV）， and realize vehicle monitoring and navigation with the wireless data communication system， an IOV mobile wireless data communication system was designed by means of RFID and GPS technologies， through structural analysis of IOV wireless data communication system. The overall structure of vehicle terminal， communication module of vehicle terminal， RFID perception communication module， mobile communication platform architecture， locating and tracking communication module and remote control communication module were researched. Application results show that the mobile wireless data communication system has better abilities of display and information processing， can deal with navigation， information service， vehicle information display and assist control functions required in the vehicle terminal information communication service.

Keywords： communication module； Internet of vehicles； vehicle terminal； RFID； Internet of Things

0 引 言

在車聯(lián)網(wǎng)（ Internet of Vehicles，IoV）中，移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信是核心的系統(tǒng)，車輛監(jiān)控與導(dǎo)航都要通過無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)和管理。車輛監(jiān)控與導(dǎo)航的研究在國外起始于20世紀(jì)70年代，目前稱為自動(dòng)車輛定位與導(dǎo)航 （Automatic Vihicle Location and Navigation，AVLN）。AVLN是智能運(yùn)輸系統(tǒng)（Intelligent Transport System，ITS）或智能汽車/公路系統(tǒng)（IVHS）的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。車輛定位與導(dǎo)航可采用各種技術(shù)手段進(jìn)行，但其中車輛精確定位的實(shí)現(xiàn)最重要，也最困難，花費(fèi)最高。但自從GPS應(yīng)用于車輛監(jiān)控與導(dǎo)航中，情況發(fā)生了劃時(shí)代的革命性變化[1]。面對車內(nèi)日益繁重的信息顯示和處理任務(wù)，車載信息終端通信系統(tǒng)被作為熱點(diǎn)提出。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)憑借其在顯示能力和信息處理能力上的優(yōu)勢，有潛力成為車載信息終端的最終載體集成了導(dǎo)航、信息服務(wù)、車輛信息顯示與輔助控制等功能的車載信息終端將是未來發(fā)展的方向[2]。

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT） 領(lǐng)域一個(gè)重要分支[1]。物聯(lián)網(wǎng)依托射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、傳感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等，將物品與后臺(tái)各類信息系統(tǒng)連接起來進(jìn)行信息交換和通信，最終構(gòu)建起一個(gè)集識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能于一體的跨媒介網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括RFID，GPS和GIS等。RFID技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有讀取速度快、存儲(chǔ)空間大、輻射范圍廣、可實(shí)現(xiàn)重復(fù)讀/寫等多種優(yōu)勢。一個(gè)基于RFID的信息系統(tǒng)至少包含RFID標(biāo)簽和閱讀器兩部分，閱讀器通過射頻信號(hào)自動(dòng)獲取RFID標(biāo)簽中的存儲(chǔ)信息，整個(gè)過程無需人工干預(yù)。GPS系統(tǒng)以24顆覆蓋全球的衛(wèi)星作為空間信息支撐，依托龐大的地面控制系統(tǒng)，可以在任意時(shí)刻采集到精確的經(jīng)緯度，以實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航等功能，該系統(tǒng)可方便地安裝在汽車等交通工具上。GIS系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過對GPS信號(hào)的捕捉和處理，實(shí)現(xiàn)對空間地理信息的采集、存儲(chǔ)、管理和顯示等功能[3?4]。

本文根據(jù)目前車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，針對實(shí)際業(yè)務(wù)，在智能交通系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)和GPS技術(shù)，設(shè)計(jì)車載信息終端通信系統(tǒng)的主要架構(gòu)和通信模塊。

1 車載終端通信系統(tǒng)

1.1 車載終端總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

車輛作為車聯(lián)網(wǎng)的重要構(gòu)成主體之一，因其為移動(dòng)物體，聯(lián)網(wǎng)必須依靠移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，面對車內(nèi)日益繁重的信息顯示和處理任務(wù)，車載信息終端系統(tǒng)要承擔(dān)諸多通信服務(wù)功能。汽車載通信終端集成了導(dǎo)航、信息服務(wù)、車輛信息顯示與輔助控制等功能。車載通信終端處理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載終端通信系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 車載終端通信模塊的設(shè)計(jì)

車載終端由通信模塊、GPS接收模塊和中心控制模塊、外圍輔助設(shè)備等組成， 車載終端通信模塊功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，移動(dòng)智能終端實(shí)物如圖3所示。

在圖2所示的通信終端功能結(jié)構(gòu)中，各模塊實(shí)現(xiàn)的功能為：

（1） 通信模塊：負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換，接收中心發(fā)送的指令，發(fā)送GPS信息及車輛信息到監(jiān)控中心。

（2） GPS接收模塊：由兩部份組成（GPS天線部份和GPS數(shù)據(jù)處理模塊），接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的衛(wèi)星報(bào)文，進(jìn)行計(jì)算處理，解算出當(dāng)前GPS天線所在地理位置。

（3） 車載終端中心控制模塊：解析中心發(fā)給終端的指令并做出相應(yīng)的反應(yīng)。對GPS接收模塊發(fā)送的GPS信息以及車輛狀態(tài)信息進(jìn)行打包，控制通信模塊通過GPRS或GSM短消息發(fā)送定位信息到監(jiān)控中心。

（4） 外圍輔助設(shè)備：包括音箱、攝像頭、油位計(jì)、斷油斷電繼電器等，主要完成語音撥報(bào)、圖片抓拍、斷油斷電等功能。

圖2 車載終端通信模塊功能結(jié)構(gòu)

圖3 車載終端通信終端實(shí)物圖

1.3 RFID感知通信模塊設(shè)計(jì)

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。按被測量可分為力敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏、濕敏、壓敏、離子敏、射線敏、生物敏、光纖敏等大類。而智能傳感器是帶有微處理器，具有信息處理功能的傳感器[1，5]。RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。其中，RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，由閱讀器和電子標(biāo)簽兩個(gè)基本器件組成，可用于控制、檢測和跟蹤物體[6]。目前，RFID技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到生活的很多領(lǐng)域中，如景區(qū)管理、停車廠和管道監(jiān)測等。RFID具有同時(shí)識(shí)別多個(gè)高速運(yùn)動(dòng)物體、讀寫距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、系統(tǒng)體積小、安全性好、安裝簡便、環(huán)境要求低等特點(diǎn)，因此可以把RFID應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，可以輕松實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)對監(jiān)測點(diǎn)的感知功能。

基于RFID感知通信模塊主要由電子標(biāo)簽（tag）、閱讀器（reader）及天線（antenna）等組成，其工作過程為閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接受信號(hào)后驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽電路將內(nèi)部之ID碼送出，然后閱讀器接收ID碼[1]?；赗FID感知通信模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。下面介紹RFID感知通信模塊主要功能模塊：

（1） 電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成。每個(gè)標(biāo)簽具有以惟一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對象。

（2） 閱讀器。閱讀器是讀取（也可以寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備，閱讀器通過天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

（3） 天線。天線是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)功率、天線的形狀和相對位置會(huì)影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。

圖4 基于RFID感知通信模塊結(jié)構(gòu)圖

2 移動(dòng)通信中心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)通信平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)通信平臺(tái)是一個(gè)遠(yuǎn)程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設(shè)備上網(wǎng)連接到監(jiān)控中心服務(wù)器，對車輛進(jìn)行調(diào)度指揮。

移動(dòng)通信中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是通信樞紐，負(fù)責(zé)與移動(dòng)智能終端的信息交互，完成各種信息的分類、記錄和轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)，同時(shí)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行監(jiān)控管理。實(shí)現(xiàn)車輛的監(jiān)控與智能調(diào)度，達(dá)到移動(dòng)資源的優(yōu)化配置、調(diào)度和管理，提高調(diào)度效率的目的。監(jiān)控中心響應(yīng)并處理緊急事件，提供跟蹤定位、監(jiān)聽錄音和遠(yuǎn)程控制等處理措施。移動(dòng)通信中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D5所示。

圖5 移動(dòng)通信中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 定位追蹤通信模塊

可以通過定位追蹤通信模塊向車載終端發(fā)送呼叫指令，命令車載終端回傳車輛的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過GIS處理后顯示在電子地圖上，可以對車輛實(shí)現(xiàn)定位。如果終端連續(xù)回傳定位數(shù)據(jù)，就可以對其進(jìn)行跟蹤。在車載終端的支持下，一般可有定時(shí)、定次、定距等數(shù)據(jù)回傳策略。車載終端可配有通話手柄或液晶顯示屏。監(jiān)控中心可通過電話進(jìn)行語音調(diào)度，或通過監(jiān)控終端向車載終端發(fā)送文本調(diào)度信息。文本調(diào)度信息通過短消息的方式下發(fā)到車載終端并顯示在液晶顯示屏上或手柄上，發(fā)送短消息窗口界面如圖6所示。

圖6 發(fā)送短消息窗口

移動(dòng)通信中心還可通過向車載終端發(fā)送文本信息的方式為司機(jī)提供信息服務(wù)功能，如導(dǎo)航服務(wù)、天氣預(yù)報(bào)、新聞報(bào)道、公告、貨物信息、路況信息等。車輛可以自動(dòng)或者由司機(jī)手動(dòng)向中心發(fā)送求助報(bào)警信息。當(dāng)車輛遇到緊急情況時(shí)，司機(jī)觸動(dòng)報(bào)警按鈕，車載終端立即向中心回傳報(bào)警信息，報(bào)警信息中包含車輛當(dāng)前位置。通過監(jiān)控終端可對車載終端進(jìn)行多種參數(shù)設(shè)置，設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程速度設(shè)置窗口

2.3 遠(yuǎn)程控制通信模塊

在緊急情況下，向車載終端發(fā)送控制指令可以達(dá)到遠(yuǎn)程控制車輛的目的，這需要車載終端硬件功能的支持。常見的功能有：斷油、斷電、開/鎖車門、熄火、停止車載終端工作，遠(yuǎn)程終端控制界面如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程終端控制窗口

車輛在行駛過程中回傳到中心的位置數(shù)據(jù)都將保存在數(shù)據(jù)庫中。只需選擇車輛及開始、結(jié)束時(shí)間，監(jiān)控終端可對車輛在某一時(shí)段的行駛軌跡進(jìn)行回放，顯示在電子地圖上，如圖9所示。

3 結(jié) 論

本文在物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了車聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載終端總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車載終端通信模塊、GPS接收模塊、車載終端中心控制模塊和外圍輔助設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；赗FID感知通信模塊是一個(gè)遠(yuǎn)程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設(shè)備上網(wǎng)連接到監(jiān)控中心服務(wù)器，對車輛進(jìn)行調(diào)度指揮和定位追蹤通信。

圖9 行駛軌跡進(jìn)行回放主界面

參考文獻(xiàn)

[1] 董新平.物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)成長研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2012.

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[6] ZHANG Feng， XUE Hui?feng. Big data cleaning algorithms in cloud computing [J]. International Journal of Online Engineering， 2013， 9（3）： 77?81.

圖6 發(fā)送短消息窗口

移動(dòng)通信中心還可通過向車載終端發(fā)送文本信息的方式為司機(jī)提供信息服務(wù)功能，如導(dǎo)航服務(wù)、天氣預(yù)報(bào)、新聞報(bào)道、公告、貨物信息、路況信息等。車輛可以自動(dòng)或者由司機(jī)手動(dòng)向中心發(fā)送求助報(bào)警信息。當(dāng)車輛遇到緊急情況時(shí)，司機(jī)觸動(dòng)報(bào)警按鈕，車載終端立即向中心回傳報(bào)警信息，報(bào)警信息中包含車輛當(dāng)前位置。通過監(jiān)控終端可對車載終端進(jìn)行多種參數(shù)設(shè)置，設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程速度設(shè)置窗口

2.3 遠(yuǎn)程控制通信模塊

在緊急情況下，向車載終端發(fā)送控制指令可以達(dá)到遠(yuǎn)程控制車輛的目的，這需要車載終端硬件功能的支持。常見的功能有：斷油、斷電、開/鎖車門、熄火、停止車載終端工作，遠(yuǎn)程終端控制界面如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程終端控制窗口

車輛在行駛過程中回傳到中心的位置數(shù)據(jù)都將保存在數(shù)據(jù)庫中。只需選擇車輛及開始、結(jié)束時(shí)間，監(jiān)控終端可對車輛在某一時(shí)段的行駛軌跡進(jìn)行回放，顯示在電子地圖上，如圖9所示。

3 結(jié) 論

本文在物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了車聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載終端總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車載終端通信模塊、GPS接收模塊、車載終端中心控制模塊和外圍輔助設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；赗FID感知通信模塊是一個(gè)遠(yuǎn)程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設(shè)備上網(wǎng)連接到監(jiān)控中心服務(wù)器，對車輛進(jìn)行調(diào)度指揮和定位追蹤通信。

圖9 行駛軌跡進(jìn)行回放主界面

參考文獻(xiàn)

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[6] ZHANG Feng， XUE Hui?feng. Big data cleaning algorithms in cloud computing [J]. International Journal of Online Engineering， 2013， 9（3）： 77?81.

圖6 發(fā)送短消息窗口

移動(dòng)通信中心還可通過向車載終端發(fā)送文本信息的方式為司機(jī)提供信息服務(wù)功能，如導(dǎo)航服務(wù)、天氣預(yù)報(bào)、新聞報(bào)道、公告、貨物信息、路況信息等。車輛可以自動(dòng)或者由司機(jī)手動(dòng)向中心發(fā)送求助報(bào)警信息。當(dāng)車輛遇到緊急情況時(shí)，司機(jī)觸動(dòng)報(bào)警按鈕，車載終端立即向中心回傳報(bào)警信息，報(bào)警信息中包含車輛當(dāng)前位置。通過監(jiān)控終端可對車載終端進(jìn)行多種參數(shù)設(shè)置，設(shè)置界面如圖7所示。

圖7 遠(yuǎn)程速度設(shè)置窗口

2.3 遠(yuǎn)程控制通信模塊

在緊急情況下，向車載終端發(fā)送控制指令可以達(dá)到遠(yuǎn)程控制車輛的目的，這需要車載終端硬件功能的支持。常見的功能有：斷油、斷電、開/鎖車門、熄火、停止車載終端工作，遠(yuǎn)程終端控制界面如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程終端控制窗口

車輛在行駛過程中回傳到中心的位置數(shù)據(jù)都將保存在數(shù)據(jù)庫中。只需選擇車輛及開始、結(jié)束時(shí)間，監(jiān)控終端可對車輛在某一時(shí)段的行駛軌跡進(jìn)行回放，顯示在電子地圖上，如圖9所示。

3 結(jié) 論

本文在物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了車聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載終端總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車載終端通信模塊、GPS接收模塊、車載終端中心控制模塊和外圍輔助設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于RFID感知通信模塊是一個(gè)遠(yuǎn)程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設(shè)備上網(wǎng)連接到監(jiān)控中心服務(wù)器，對車輛進(jìn)行調(diào)度指揮和定位追蹤通信。

圖9 行駛軌跡進(jìn)行回放主界面

參考文獻(xiàn)

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