5G邊緣計算網關在車載物聯網中的應用

張建軍 高志剛

技術應用

5G邊緣計算網關在車載物聯網中的應用

張建軍 高志剛

（廣州通達汽車電氣股份有限公司，廣東 廣州 510700）

設計一款基于多核處理器LS1043A和5G通信模塊SRM815的5G邊緣計算網關，其中LS1043A為邊緣計算網關的核心，負責設備協議轉換、數據預處理、數據融合；SRM815模塊支持5G NR , LTE-TDD, TE-FDD等無線網絡通信。5G邊緣計算網關是車載物聯網的中樞，為車載設備提供無線通信網絡，實現車載設備遠程運維，同時對車載設備的數據進行預處理、融合，減少云平臺的計算壓力和網絡帶寬，為公交公司節省運營成本。

5G通信；邊緣計算；邊緣網關；車載物聯網

0 引言

城市公共交通是與人們生產生活息息相關的重要基礎設施，是關系國計民生的社會公益事業。“城市公共交通發展的十三五規劃”明確指出：建設與移動互聯網深度融合的智能公交系統；推進“互聯網+城市公交”發展；推進多元化公交服務網絡建設。

智能公交系統加載越來越多的車載系統，如主動安全預警系統、視頻監控系統、360環視系統、安全監控系統、智能調度系統、智能終端、乘客信息系統、乘客收銀系統、安全智能報警系統等。有些車載系統沒有無線通信功能，無法連接云平臺，給公交公司的遠程運維帶來困難；有些車載系統的視頻、圖片和數據需要上傳到云平臺，這對云平臺的運算處理能力和網絡帶寬要求越來越高。如何運維這些車載系統并減少無用信息的上傳，已成為公交公司降低運營成本的重要訴求。

第五代移動通信技術（5th generation mobile communication technology, 5G）具有高數據傳輸率的特點，最高可達10Gb/s，可滿足大數據量傳輸[1-2]。邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力，就近提供邊緣智能服務[3-5]。5G邊緣計算網關利用5G的高數據傳輸率滿足大量車載系統同時聯網需求；并利用邊緣計算能力對不同車載系統的視頻、圖片和數據進行融合，提煉有價值的信息上傳到云平臺。

1 5G 邊緣計算網關的硬件設計

5G邊緣計算網關硬件由電源模塊、CPU模塊、5G模塊、WiFi模塊、以太網模塊、MCU、CAN模塊和串口模塊等組成，結構圖如圖1所示。

圖1 5Ｇ邊緣計算網關硬件結構圖

1.1 電源模塊

電源模塊采用二級電源轉換電路，第一級利用MP9457將24 V電壓轉換為12 V；第二級利用MP2235、TPS51100、MP65151等多個電源芯片，將12 V電壓轉換成智能公交系統需要的5 V、3.8 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V、1.0 V等。在電源模塊增加共模電感濾波電路、車載TVS保護電路，使得5G邊緣計算網關可以通過車載EMC標準。12 V電壓處并聯5個10 F的法拉電容，當設備意外斷電時，法拉電容存儲的電量可使CPU模塊繼續工作15 s，存儲關鍵數據，執行關機流程，避免關鍵數據丟失和文件損壞。

1.2 CPU模塊

CPU模塊由復位監控電路、時鐘單元電路、CPU芯片、DDR3芯片、eMMC芯片等組成。其中CPU芯片采用一款性價比高、功耗低、集成度高的通信處理器LS1043A[6]。復位監控電路采用TPS3823芯片，具有電壓復位和硬件看門狗復位功能，提高系統長時間運行的可靠性。DDR3芯片采用1 Gbyte的MT41K256M16TW，總線帶寬可達51.2 Gb/s，為CPU程序高速運行提供外部內存。eMMC芯片采用 64 Gbyte的THGBMFG8C2LBAIL，提供系統程序和應用數據的存儲空間。

1.3 5G模塊

5G模塊采用SRM815，其是一款支持5G NR，LTE-TDD，TE-FDD，WCDMA的無線通信模組[7]。CPU和5G通信模組通過USB3.0進行數據傳輸，通信帶寬為5 Gb/s，可滿足大量數據交換需求。經實際網絡測試，最大上行速率為150 Mb/s，最大下行速率為500 Mb/s。

1.4 以太網模塊

以太網模塊由PHY芯片、交換機芯片、網絡變壓器、RJ45接口等組成，可提供8個千兆以太網接口，結構如圖2所示。PHY芯片AR8033為千兆芯片，通過SGMII接口與CPU交換數據。交換機芯片RTL8370N為8口千兆交換機芯片。

圖2 以太網模塊結構圖

2 5G邊緣計算網關軟件設計

5G邊緣計算網關軟件設計采用Linux應用程序開發。軟件主要由Linux系統、系統調用、庫函數、協議解析應用程序、5G通信應用程序、數據融合應用程序、設備管控應用程序等組成，架構如圖3所示。

圖3 5G邊緣計算網關軟件架構

2.1 協議解析應用程序

5G邊緣計算網關連接各種不同的車載終端，有不同的通信協議。協議解析應用程序具備協議自適應功能，可減少5G邊緣計算網關使用過程中的程序開發。協議自適應流程如圖4所示，由網關協議配置界面、網關數據解析進程和外設采集進程組成。

通過網關協議配置界面，添加需要采集的信息和定義，再根據界面配置信息自動生成協議配置文件。網關數據解析進程對配置文件進行解析，并將解析后的參數節點和定義傳輸到外設采集進程。外設采集進程根據參數節點和定義采集相應的數據，再通過通信模塊反饋給主控制單元。主控制單元根據業務需要對數據進行處理、存儲、上傳，從而實現外設協議的自適應解析和數據采集功能。

2.2 數據融合應用程序

5G邊緣計算網關數據融合應用程序架構如圖5所示。5G邊緣計算網關先將采集的三維數據信息、車輛運行狀態數據、AI報警數據匯總；再根據提前建立的數據模型對不同維度的異構數據進行融合分析；最后，根據分析結果判斷司機是否有急加速、急減速、跟車過近、超速等違規駕駛行為。

圖4 5G邊緣計算網關協議自適應流程

圖5 5G邊緣計算網關數據融合應用程序架構

3 5G邊緣計算網關在車載物聯網中的應用

基于5G邊緣計算網關的公交巴士車聯網解決方案如圖6所示，所有車載系統都通過5G邊緣計算網關連接到巴士在線云平臺，主要包括網絡、多維度數據融合和設備運維等功能。

3.1 網絡功能

5G邊緣計算網關有8路以太網接口、3路RS485接口、3路RS232接口和2路CAN接口，可為所有車載系統提供網絡。5G邊緣計算網關通過以太網接口連接主動安全預警系統、車載視頻監控系統、360環視系統、安全監控系統，為其提供高速上網通路；通過RS485或RS232連接智能終端、乘客信息系統、乘客收銀系統、車載安全智能報警系統等，為其提供低速上網通路。

3.2 多維度數據融合功能

5G邊緣計算網關利用協議自適應解析程序，采集車輛的運行信息、位置信息、前向道路信息等。這些信息來自不同系統，相互之間容易形成信息孤島，5G邊緣計算網關能夠借助自身強大的處理能力對這些數據進行融合分析，如對CAN采集器的車輛狀態數據、智能調度終端的組合定位數據和安全預警終端的報警數據融合分析，可提升車道偏離、司機駕駛行為分析等報警的準確性。

圖6 基于5G邊緣計算網關的公交巴士車聯網解決方案

3.3 設備運維功能

5G邊緣計算網關采集車載設備的軟硬件版本、網絡狀態、溫度、工作電壓、故障等信息，將這些設備信息實時上傳到巴士在線云平臺。巴士在線云平臺對收到的信息進行分類統計、展示，并對整車設備進行遠程診斷和實時監控。巴士在線云平臺通過5G邊緣計算網關的網絡給車載設備進行參數設置和升級，方便設備遠程和批量操作，提高設備運維的便捷性。

4 結語

本文設計一款5G邊緣計算網關，為車載系統提供網絡，按照統一的通信協議連接到巴士在線云平臺，實現網絡通信、設備運維。同時，利用協議解析、數據預處理、數據融合等技術，減少巴士在線云平臺信息的傳遞。

[1] 衷宇清,王浩,林澤兵,等.基于5G的邊緣計算網關及其在電網中的應用[J].自動化應用,2020(6):61-63.

[2] 楊明,樊海劍,楊曉珍.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術研究[J].中國新通信,2021,23(7):1-2.

[3] 殳雪城,范平清.基于邊緣計算的物聯網網關監控系統的研究[J].電子器件,2019,42(6):1569-1573,1577.

[4] 王其朝,金光淑,李慶,等.工業邊緣計算研究現狀與展望[J].信息與控制,2021,50(3):257-274.

[5] 羅達,張陽,向運琨.基于邊緣計算的智慧能源網關[J].電工技術,2020,19:143-146.

[6] 恩智浦半導體公司.QorIQ LS1043A and LS1023A datasheet [M].荷蘭,(出版社不詳),2019.

[7] 美格智能技術有限公司.5G SRM815模組硬件設計手冊[M].深圳,(出版社不詳),2020.

Application of 5G Edge Computing Gateway in Vehicle Internet of Things

Zhang Jianjun Gao zhigang

（Guangzhou Tongda Auto Electric Co., Ltd. Guangzhou 510700, China）

A 5G edge computing gateway based on multi-core processor LS1043A and 5G communication module SRM815 is designed. LS1043A is the core of edge computing gateway, which is responsible for device protocol conversion, data preprocessing and data fusion. SRM815 module supports 5G NR, LTE-TDD, TE-FDD and other wireless network communication. 5G edge computing gateway is the network center of on-board Internet of things. It provides wireless communication network for on-board equipment to realize remote operation and maintenance of on-board equipment. At the same time, it carries out data preprocessing and data fusion for on-board equipment data, reduces the computing pressure and network bandwidth of cloud platform, and saves operation cost for bus companies.

5G communication; edge computing; edge gateway; vehicle internet of things

張建軍，男，1975年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：GPS、視頻監控、人工智能等。E-mail: Zhangjj@tongda.cc

TP391.8

A

1674-2605(2021)04-0010-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.04.010