基于車載異構網絡的數據聚合終端設計

陸建榮，石懷峰

(1.江蘇航空職業技術學院 航空工程學院，江蘇 鎮江 212134；2.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

0 引言

近年來，機動車數量呈爆發式增長，由此引起的車輛管理問題、交通安全問題日趨嚴重。車聯網[1-2]的出現為解決上述問題提供了新思路。它通過合理分配交通資源，實時管理入網車輛，極大地提高了交通運行效率。車載數據聚合終端[3-4]作為車聯網系統采集層的核心單元，是車載異構網絡[5-6]中數據交互的信息樞紐，為車聯網系統提供了穩定、可靠的數據支持。但是異構網絡中交互的數據復雜多樣，對應的總線接口和通信協議各不相同，甚至與服務端對接的傳輸協議也會隨場景變化而改變。傳統的數據終端通信接口單一，難以滿足復雜異構網絡中數據交互的需求。因此，如何設計出一套能同時接入多種通信網絡的數據聚合終端，已成為現階段的研究熱點。

王利輝等[7]在深入研究車載網絡的基礎上，基于Matlab軟件搭建了CAN-FD總線網絡的優化仿真平臺，實現了對總線系統通信行為的動態顯示。于海飛等[8]搭建了由感知層節點設備、物聯網網關到服務器的完整通信鏈路，設計并實現了一種基于MQTT通信協議的物聯網邊緣計算網關，有效緩解了網絡擁塞和服務器壓力。楊楠等[9]設計了基于OBD和GPS的車載終端系統，實現了對行駛車輛運行參數的實時采集與顯示，使車主能全面直觀地了解車況，減少了潛在的安全隱患。聶雷等[10-11]在深入研究異構車載網絡的基礎上，基于多智能體Q學習提出了一種異構車載網絡的選擇方法MQSM，實現了最優的網絡切換決策機制。

本文基于某型號車輛在車聯網系統中的實際應用，終端對車載異構網絡中的數據進行安全聚合，并上送至基于不同傳輸協議搭建的服務端，實現對運行車輛狀態的實時監控。傳統數據終端的網絡通信接口單一，無法滿足車載異構網絡中數據接入的需求。本文設計了以CortexTM-A7為核心處理器的數據聚合終端。該終端提供了UART，CAN，Ethernet，4G，WiFi等多種通信接口，為車載異構網絡中數據接入提供了硬件基礎。此外，開發了數據聚合終端軟件框架，并在此基礎上設計了基于TCP/IP，UDP，HTTP，MQTT等不同傳輸協議的通信服務，提高了通用性，有效解決了異構網絡中數據接入的問題。

1 總體結構

車聯網系統的數據鏈路示意如圖1所示。本數據聚合終端作為車輛與云服務端之間的數據交互媒介，不僅負責解析分布于車載異構網絡中的運行數據，還需要按照GB/T32960協議[12-13]規定的機制將數據上傳至云服務端，從而實現車輛定位、追蹤、監控的目的。

圖1 車聯網數據鏈路示意

為了提高終端的網絡兼容能力，使其能成功適配車載異構網絡，首先設計了支持UART，CAN，Ethernet，4G，WiFi等通信接口的終端板卡，為數據接入提供硬件基礎。然后，針對各通道開發了對應的接口驅動、通信協議以及數據交互服務，使得終端能自由訪問分布在不同總線上車載儀表的檢測數據，主要包括：位置信息、狀態信息、里程信息、燃料信息、告警信息和車室環境信息等。

獲取數據后，為了減輕服務端的運算壓力，邊緣計算服務充分運用終端自身的運算能力，對當前采樣信息和歷史存儲數據進行了分析處理，實現了車輛能耗統計、行車歷史追蹤、車輛狀態監控和車輛故障預警等功能。然后，網絡通信服務將數據處理結果進行數據聚合后，按指定通信協議經4G網絡上送至車聯網服務端。但是在車輛移動過程中，4G信號強度難以始終保持穩定，終端掉線問題難以避免。為了有效解決終端掉線期間的數據丟失問題，在終端應用中嵌入了SQLite[14]數據庫并開發了數據庫服務，該服務能實時記錄采樣數據，以便鏈路恢復后，實現數據補發。

上述服務構成了完整的終端應用，為了使其能在基于單核處理器的硬件載體上穩定運行，本文設計了一套能應對系統多并發的軟件框架。該框架能高效調度系統服務，嚴格保證服務間消息傳遞的次序性。采用了基于權重的線程輪調機制，既保證了系統消息的處理效率，還有效防止了低優先級服務餓死的問題。

2 硬件設計

本文硬件載體采用核心板配備功能底板的組合方式，不僅可以節省成本、方便維修，還有利于后期功能升級和更換。核心板上搭載了系統運行所需的處理器、SDRAM、FLASH以及電源管理芯片等模塊。其中，處理器選用基于ARM CortexTM-A7內核架構的NXP i.MX6UL，資源豐富、性能優越，可提供快速的數據處理和流暢的界面顯示[15-16]。滿足了系統在應對并發能力、數據處理效率、網絡通信速率等多方面的需求。

功能底板上集成了系統運行所需的外圍電路，主要包括基于mini-PCIE(EC20)接口的4G模塊、基于SDIO接口的WiFi模組、用于GPS模塊接入的串口電路、實現車載儀表數據采集的CAN電路、存儲原始數據所需的SD卡等模塊。車載終端硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 車載終端結構

車載終端能否在嚴苛的工作環境下長時間穩定運行，很大程度上取決于電源管理單元的可靠性。本車載終端的輸入電壓為12 V，而板卡上各電子器件的工作電壓存在較大差異。為了提高電源轉換效率，降低電源熱損耗,系統選用DC-DC轉換器[17-18]方案實現分級降壓。先由12 V降壓至5 V，為CAN模塊、RS485模塊和核心板模塊供電；再將5 V降壓至3.3 V，為RTC時鐘模塊、USB模塊和4G模塊供電。系統供電框圖如圖3所示。

圖3 系統供電框圖

3 軟件設計

3.1 軟件框架設計

基于實際應用需求，本車載終端不僅需要完整接收ms級的車輛數據，還需基于報文協議解析數據內容；不僅需要將車輛信息實時上傳至服務端，還需要對原始數據進行30 d周期的本地循環存儲；同時終端需要支持多種數據接入方式，以及通過掉線檢測、斷線重連、丟包續傳和組包發送等機制保證數據交互的穩定性。因此，基于單核處理器的硬件載體，設計出一套能夠應對系統高并發的軟件框架是本文軟件設計的核心內容。設計的車載終端軟件框架如圖4所示。

圖4 車載終端軟件框架

由圖4可知，軟件框架由服務、消息隊列、線程3部分組成。服務負責指定業務的邏輯處理，默認不執行，只有當其他業務向它推送消息時才運行處理。系統為每個服務分配了唯一私有的消息隊列，服務間的數據交互(請求、響應和轉發等)均通過消息隊列完成。

系統中消息隊列分為2級：全局消息隊列和次級消息隊列。次級消息隊列負責服務消息的管理，通過綁定服務句柄實現與指定服務建立關聯。全局消息隊列中的每個成員記錄了次級消息隊列的地址，從而實現對次級消息隊列的管理。

本軟件框架共包含3類線程：負責定時管理的Time線程、負責網絡數據收發的Socket線程以及負責調度消息隊列的Worker線程。系統線程的軟件流程如圖5所示。

(a)Timer線程流程

在消息調度過程中，單個Worker線程單次只能從全局消息隊列中pop出一個次級消息隊列，并從中pop出一條消息交由對應服務處理。運行在Worker線程內的單元在執行業務邏輯的同時，還會向指定服務推送消息。因此它既是消息消費者也是消息生產者。而運行在Time線程和Socket線程中的單元不處理任何業務邏輯。它們作為消息生產者，僅為系統任務提供定時觸發消息和數據接收消息，從而保證系統定時的準確性和數據響應的實時性。

3.2 數據采樣服務設計

實時監測運行車輛的狀態、位置、報警等數據是車載終端數據采樣單元的主要工作。本單元基于車載終端軟件框架，創建了CAN服務和UART服務，分別實現對各自通道數據的解析和本地存儲。CAN通信和UART通信的Socket套接字均通過Epoll實現管理。它運行在Socket線程中，一方面監聽各套接字上的讀寫事件，使系統數據交互過程變得更加穩定高效；另一方面實時感知各套接字的通斷狀態，提高了系統對相關事件的響應速度。數據采樣流程如圖6所示。

(a)初始化

3.3 網絡通信服務設計

為了豐富終端的網絡連接能力，本車載終端支持基于TCP/IP,UDP,HTTP,MQTT多種協議的互聯網通信，能同時接入基于不同網絡協議搭建的車聯網服務端。二者之間的數據交互機制和通信報文幀格式均基于GB/T32960《電動汽車遠程服務與管理系統技術規范》[12-13]進行設計，此處不再贅述。入網終端通過車架號碼(Vehicle Identification Number，VIN)進行標識，以此實現與服務端之間的點對點通信。網絡通信服務的軟件流程如圖7所示。

(a)初始化

4 測試驗證

4.1 軟件框架壓力測試

在本設計中，軟件框架是車載終端的核心，所有服務都通過軟件框架調度實現運行，框架的性能直接影響著車載終端的執行效率。在測試終端功能之前，先通過壓力測試，綜合評估框架的各項性能，定位框架中潛在的運行瓶頸，為后續的功能開發和性能優化提供借鑒。本測試針對框架系統在應對密集數據上報的壓力下進行，測試指標主要包括系統吞吐量、可靠性和響應能力3個方面。測試場景設計如圖8所示。

圖8 測試場景

終端通過4G模塊與本地PC服務端建立連接，并通過串口和CAN口連接測試儀。其中2路CAN口的波特率均設置為500 kb/s，串口波特率設置為115 200 b/s。測試儀按照指定速率向終端發送數據報文，驗證終端的數據處理能力。服務端向終端下發數據請求，檢驗終端的數據響應能力。表1記錄了終端在數據存儲功能啟動和關閉2種場景下，基于不同負載壓力，單位時間內完成的報文解析數量和系統響應時間。

表1 壓力測試數據表

由表1可知,在數據存儲功能關閉的情況下，雖然隨著發包速率的不斷加快，系統響應時間逐漸變慢，CPU利用率也有所升高，但系統基本能處理接收到的所有數據，相關性能參數也均在指標要求范圍內。而開啟數據存儲功能后，頻繁的文件操作對系統開銷影響較大。速率超過512 kb/s后，系統各項性能參數就難以滿足指標要求。在本應用中，車載終端收包速率低于256 kb/s，因此本軟件框架能滿足實際應用的要求。

4.2 車載終端綜合測試

為驗證各項需求和功能是否完整實現，合理評估終端的質量、性能和運行效率，本設計基于實際應用場景，參照技術指標要求，對車載數據聚合終端進行了綜合測試。圖9為終端安裝在現場后基于實際應用的測試場景。

圖9 應用場景

第1路CAN口的波特率設置為250 kb/s，第2路CAN口的波特率設置為500 kb/s，串口波特率設置為9 600 b/s。終端接入車載網絡后，通過CAN網絡、UART網絡讀取車載儀表的檢測數據，通過4G通信或接入WiFi熱點實現與云服務端的數據交互。通過云服務端平臺實時查看運行車輛的工作狀態。系統功能測試數據如表2所示。

表2 功能測試數據表

由表2可知，本車載終端完整實現了數據聚合、數據存儲、數據交互和數據計算4個方面的相關功能。但車輛在移動過程中，很難長時間保持信號強度穩定,掉線、重連的情況時有發生，導致丟包率過高而達不到指標要求[19-20]。

為解決丟包率高的問題，本文通過心跳機制實時檢測終端的鏈路狀態。一旦發生鏈路中斷，上送服務端的報文便按照時間戳順序存儲進本地數據庫中。待鏈路恢復后，進行補發。通過機制優化，系統的丟包率顯著降低。系統性能測試數據如表3所示，各項參數均滿足指標要求。

表3 性能測試數據

5 結束語

本文基于CortexTM-A7處理器設計了車載數據聚合終端，具體內容包括終端硬件板卡設計、終端軟件框架設計以及終端應用服務設計3個方面。該終端具備豐富的通信接口，通用性強，能完全滿足車載異構網絡中數據交互的需求，解決了傳統終端接入能力差的問題。所設計的軟件調度框架通過了系統壓力測試，各項性能參數均滿足指標要求?；谠撥浖蚣荛_發的應用服務實現了數據聚合、數據交互和數據存儲等功能。目前該終端已投入實際使用，運行穩定。