車聯網移動無線數據通信系統的設計與實現

姚有林

摘 要： 為了提高車聯網移動無線數據通信能力，實現通過無線數據通信系統對車輛監控與導航，利用RFID和GPS技術，通過對車聯網無線數據通信系統的結構分析，設計了車聯網移動無線數據通信系統。重點研究了車載終端總體結構、車載終端通信模塊、RFID感知通信模塊、移動通信平臺架構、定位追蹤通信模塊和遠程控制通信模塊。應用結果表明，該移動無線數據通信系統有較好顯示能力和信息處理能力，能夠處理導航、信息服務、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的需求。

關鍵詞： 通信模塊； 車聯網； 車載終端； RFID； 物聯網

中圖分類號： TN391?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

在車聯網（ Internet of Vehicles，IoV）中，移動無線數據通信是核心的系統，車輛監控與導航都要通過無線數據通信系統來實現和管理。車輛監控與導航的研究在國外起始于20世紀70年代，目前稱為自動車輛定位與導航 （Automatic Vihicle Location and Navigation，AVLN）。AVLN是智能運輸系統（Intelligent Transport System，ITS）或智能汽車/公路系統（IVHS）的基礎環節。車輛定位與導航可采用各種技術手段進行，但其中車輛精確定位的實現最重要，也最困難，花費最高。但自從GPS應用于車輛監控與導航中，情況發生了劃時代的革命性變化[1]。面對車內日益繁重的信息顯示和處理任務，車載信息終端通信系統被作為熱點提出。汽車導航系統憑借其在顯示能力和信息處理能力上的優勢，有潛力成為車載信息終端的最終載體集成了導航、信息服務、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展的方向[2]。

車聯網是物聯網（Internet of Things，IoT） 領域一個重要分支[1]。物聯網依托射頻識別（RFID）技術、傳感技術、全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）等，將物品與后臺各類信息系統連接起來進行信息交換和通信，最終構建起一個集識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能于一體的跨媒介網絡。物聯網應用的關鍵技術主要包括RFID，GPS和GIS等。RFID技術是一種非接觸式的自動識別技術，具有讀取速度快、存儲空間大、輻射范圍廣、可實現重復讀/寫等多種優勢。一個基于RFID的信息系統至少包含RFID標簽和閱讀器兩部分，閱讀器通過射頻信號自動獲取RFID標簽中的存儲信息，整個過程無需人工干預。GPS系統以24顆覆蓋全球的衛星作為空間信息支撐，依托龐大的地面控制系統，可以在任意時刻采集到精確的經緯度，以實現定位、導航等功能，該系統可方便地安裝在汽車等交通工具上。GIS系統在計算機軟硬件支持下，以地理空間數據庫為基礎，通過對GPS信號的捕捉和處理，實現對空間地理信息的采集、存儲、管理和顯示等功能[3?4]。

本文根據目前車聯網應用需求，針對實際業務，在智能交通系統、傳感器網絡技術發展基礎上，利用物聯網感知技術和GPS技術，設計車載信息終端通信系統的主要架構和通信模塊。

1 車載終端通信系統

1.1 車載終端總體結構的設計

車輛作為車聯網的重要構成主體之一，因其為移動物體，聯網必須依靠移動互聯網技術來實現。在車聯網應用中，面對車內日益繁重的信息顯示和處理任務，車載信息終端系統要承擔諸多通信服務功能。汽車載通信終端集成了導航、信息服務、車輛信息顯示與輔助控制等功能。車載通信終端處理平臺架構如圖1所示。

圖1 車載終端通信系統架構

1.2 車載終端通信模塊的設計

車載終端由通信模塊、GPS接收模塊和中心控制模塊、外圍輔助設備等組成， 車載終端通信模塊功能結構如圖2所示，移動智能終端實物如圖3所示。

在圖2所示的通信終端功能結構中，各模塊實現的功能為：

（1） 通信模塊：負責與監控中心的數據交換，接收中心發送的指令，發送GPS信息及車輛信息到監控中心。

（2） GPS接收模塊：由兩部份組成（GPS天線部份和GPS數據處理模塊），接收GPS衛星發送的衛星報文，進行計算處理，解算出當前GPS天線所在地理位置。

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

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

圖2 車載終端通信模塊功能結構

圖3 車載終端通信終端實物圖

1.3 RFID感知通信模塊設計

傳感器是能感受規定的被測量，并按照一定規律轉換成可用信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。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）技術是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。其中，RFID是一種簡單的無線系統，由閱讀器和電子標簽兩個基本器件組成，可用于控制、檢測和跟蹤物體[6]。目前，RFID技術已經應用到生活的很多領域中，如景區管理、停車廠和管道監測等。RFID具有同時識別多個高速運動物體、讀寫距離遠、數據存儲量大、系統體積小、安全性好、安裝簡便、環境要求低等特點，因此可以把RFID應用到車聯網當中，可以輕松實現車聯網中各節點對監測點的感知功能。

基于RFID感知通信模塊主要由電子標簽（tag）、閱讀器（reader）及天線（antenna）等組成，其工作過程為閱讀器發射一特定頻率的無線電波能量給電子標簽，電子標簽接受信號后驅動標簽電路將內部之ID碼送出，然后閱讀器接收ID碼[1]。基于RFID感知通信模塊結構如圖4所示。下面介紹RFID感知通信模塊主要功能模塊：

（1） 電子標簽。電子標簽是射頻識別系統的數據載體，電子標簽由標簽天線和標簽專用芯片組成。每個標簽具有以惟一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。

（2） 閱讀器。閱讀器是讀取（也可以寫入）標簽信息的設備，閱讀器通過天線與電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。

（3） 天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數據的發射和接收裝置。在實際應用中，系統功率、天線的形狀和相對位置會影響數據的發射和接收。

圖4 基于RFID感知通信模塊結構圖

2 移動通信中心結構的設計

2.1 移動通信平臺架構設計

移動通信平臺是一個遠程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設備上網連接到監控中心服務器，對車輛進行調度指揮。

移動通信中心是整個系統的核心，同時也是通信樞紐，負責與移動智能終端的信息交互，完成各種信息的分類、記錄和轉發動，同時對整個網絡狀況進行監控管理。實現車輛的監控與智能調度，達到移動資源的優化配置、調度和管理，提高調度效率的目的。監控中心響應并處理緊急事件，提供跟蹤定位、監聽錄音和遠程控制等處理措施。移動通信中心的網絡拓撲圖5所示。

圖5 移動通信中心網絡拓撲圖

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送呼叫指令，命令車載終端回傳車輛的定位數據，經過GIS處理后顯示在電子地圖上，可以對車輛實現定位。如果終端連續回傳定位數據，就可以對其進行跟蹤。在車載終端的支持下，一般可有定時、定次、定距等數據回傳策略。車載終端可配有通話手柄或液晶顯示屏。監控中心可通過電話進行語音調度，或通過監控終端向車載終端發送文本調度信息。文本調度信息通過短消息的方式下發到車載終端并顯示在液晶顯示屏上或手柄上，發送短消息窗口界面如圖6所示。

圖6 發送短消息窗口

移動通信中心還可通過向車載終端發送文本信息的方式為司機提供信息服務功能，如導航服務、天氣預報、新聞報道、公告、貨物信息、路況信息等。車輛可以自動或者由司機手動向中心發送求助報警信息。當車輛遇到緊急情況時，司機觸動報警按鈕，車載終端立即向中心回傳報警信息，報警信息中包含車輛當前位置。通過監控終端可對車載終端進行多種參數設置，設置界面如圖7所示。

圖7 遠程速度設置窗口

2.3 遠程控制通信模塊

在緊急情況下，向車載終端發送控制指令可以達到遠程控制車輛的目的，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，遠程終端控制界面如圖8所示。

圖8 遠程終端控制窗口

車輛在行駛過程中回傳到中心的位置數據都將保存在數據庫中。只需選擇車輛及開始、結束時間，監控終端可對車輛在某一時段的行駛軌跡進行回放，顯示在電子地圖上，如圖9所示。

3 結 論

本文在物聯網和移動通信的基礎上，設計了車聯網移動無線數據通信系統，實現車載終端總體結構的設計、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備的結構設計?；赗FID感知通信模塊是一個遠程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設備上網連接到監控中心服務器，對車輛進行調度指揮和定位追蹤通信。

圖9 行駛軌跡進行回放主界面

參考文獻

[1] 董新平.物聯網產業成長研究[D].武漢：華中師范大學，2012.

[2] 王建強，吳辰文，李曉軍.車聯網架構與關鍵技術研究[J].微計算機信息，2011，27（4）：156?159.

[3] YU H G， HUANG G M， GAO J， et al. Practical constrained least?square algorithm for moving source location using TDOA and FDOA measurements [J]. Journal of Systems Engineering and Electronics， 2012， 23（4）： 488?494.

[4] XIE Dong?liang， WANG Yu. The Internet of Things and ubiquitous intelligence （1） [J]. ZTE Communications， 2011（1）： 62?64.

[5] QI Qing?zhong. Strategic thinking of the Internet of Things and M2M services [J]. ZTE Communications， 2010（1）： 4?7.

[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 發送短消息窗口

移動通信中心還可通過向車載終端發送文本信息的方式為司機提供信息服務功能，如導航服務、天氣預報、新聞報道、公告、貨物信息、路況信息等。車輛可以自動或者由司機手動向中心發送求助報警信息。當車輛遇到緊急情況時，司機觸動報警按鈕，車載終端立即向中心回傳報警信息，報警信息中包含車輛當前位置。通過監控終端可對車載終端進行多種參數設置，設置界面如圖7所示。

圖7 遠程速度設置窗口

2.3 遠程控制通信模塊

在緊急情況下，向車載終端發送控制指令可以達到遠程控制車輛的目的，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，遠程終端控制界面如圖8所示。

圖8 遠程終端控制窗口

車輛在行駛過程中回傳到中心的位置數據都將保存在數據庫中。只需選擇車輛及開始、結束時間，監控終端可對車輛在某一時段的行駛軌跡進行回放，顯示在電子地圖上，如圖9所示。

3 結 論

本文在物聯網和移動通信的基礎上，設計了車聯網移動無線數據通信系統，實現車載終端總體結構的設計、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備的結構設計?；赗FID感知通信模塊是一個遠程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設備上網連接到監控中心服務器，對車輛進行調度指揮和定位追蹤通信。

圖9 行駛軌跡進行回放主界面

參考文獻

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圖6 發送短消息窗口

移動通信中心還可通過向車載終端發送文本信息的方式為司機提供信息服務功能，如導航服務、天氣預報、新聞報道、公告、貨物信息、路況信息等。車輛可以自動或者由司機手動向中心發送求助報警信息。當車輛遇到緊急情況時，司機觸動報警按鈕，車載終端立即向中心回傳報警信息，報警信息中包含車輛當前位置。通過監控終端可對車載終端進行多種參數設置，設置界面如圖7所示。

圖7 遠程速度設置窗口

2.3 遠程控制通信模塊

在緊急情況下，向車載終端發送控制指令可以達到遠程控制車輛的目的，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，遠程終端控制界面如圖8所示。

圖8 遠程終端控制窗口

車輛在行駛過程中回傳到中心的位置數據都將保存在數據庫中。只需選擇車輛及開始、結束時間，監控終端可對車輛在某一時段的行駛軌跡進行回放，顯示在電子地圖上，如圖9所示。

3 結 論

本文在物聯網和移動通信的基礎上，設計了車聯網移動無線數據通信系統，實現車載終端總體結構的設計、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備的結構設計?；赗FID感知通信模塊是一個遠程的通信管理終端。它裝備在指揮車輛上，通過無線設備上網連接到監控中心服務器，對車輛進行調度指揮和定位追蹤通信。

圖9 行駛軌跡進行回放主界面

參考文獻

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