應用物聯網技術的車輛定位采集系統設計

王藝霏，劉敏飛，柴尚杰

（甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

從目前國內外車輛定位技術研究現狀來看，不論是傳統車輛導航定位系統，還是物聯網車輛定位技術，主要是借助GPS 全球定位系統來獲取車輛位置信息的。隨著無線通訊技術的不斷發展，安全駕駛的關注力度越了越大，其中酒駕車輛的監管和定位問題，需要進一步借由物聯網技術來實現。在具體定位模式中，可以通過在車輛上安裝無線通信設備，將行駛中的車輛變成一個個移動無線網絡節點，實現車輛內部各設備（設施）之間、車輛之間以及車輛與道路基礎設施之間的高速移動互聯，能夠完成相關數據傳遞和信息交互的通信任務，以期實現酒駕信息和車輛位置的判定，從而進一步輔助監管。

以物聯網為基礎，所設計的數據采集系統應包含以下功能：信息感應、信息干預、信息溝通、信息管理等，具體如下：

（1）信息感應：根據車輛實時位置獲取其正確的坐標、行駛方向、車速等數據。要求能夠確保車輛是在組合衛星定位條件下獲取相關信息。

（2）信息干預：對車載酒駕檢測系統探測的數據進行分析處理，與地圖信息進行匹配修正，實現車輛精確定位。

（3）信息溝通：實現車輛與監管通信能夠完成數據傳輸，收集車載酒精檢測設備的數據，并將信息傳遞到監管平臺。

（4）信息管理：將車載酒精檢測裝置各傳感器獲得的數據存儲至監管平臺數據庫，控并對數據進行分析處理。

1 總體框架結構

采集系統由3 部分結構組成，各部分結構功能如下：

（1）車載單元：通過定位傳感器探測酒駕車輛實時位置，使用GPS 全球衛星定位系統來獲取相關信息。

（2）無線通信部分：為了實現車輛與監管平臺的雙向通信，采用以IEEE802.11p 與1609 為基礎的標準，專屬無線頻率為5.9 GHz（5.850 GHz ～ 5.925 GHz）[68]的DSRC 無線通訊方式。

（3）數據中心部分：通過兩個或兩個以上的服務器來存儲數據，分別以安全認證和數據存儲為模塊來區分。其中的安全認證模塊通過配置權限，來阻擋非法數據入侵；數據存儲通過建立數據庫來完成信息的管理[1]。

為避免傳輸數據中可能發生的數據沖突，需要通過交換器將MAC 地址和端口進行劃分，并經由交換器連接到區域網。此外，需要設置防火墻，以避免物聯網中的車載數據及不相關的旁路單元數據惡意入侵。防火墻由訪問規則、驗證工具、包過濾和應用網管組成。

通過路由器實現數據從區域網到數據中心的傳遞。路由器用來分配IP 地址，在多網絡互聯的環境中，設置路由器通過多通道來訪問數據中心網絡。路由器利用TCP/IP 協議，來決定數據的轉發。車輛數據通過IPv6 轉發到數據服務器。該協議可以解決資源地址數量不夠的問題，也能夠有效協調車載酒駕檢測設備與數據中心的對接。

2 DSRC 設備結構

以短程通信設備（DSRC 設備）為主，包含車載設備（OBU），通過車載設備的無線通信功能獲取傳感器信息。DSRC 設備接口連接到計算機，通過計算機來導出數據，獲取車輛駕駛室內酒駕濃度、相對濕度、溫度等信息，完成數據采集[2]。在計終端監管計算機上驅動各種軟件，能對DSRC 設備中的數據進行分析處理，再將這些數據上傳至平臺數據庫作為判別依據。

為提高定位精度，需要不斷采集定位信息，即時速度、行駛方向等信息。傳感器部分使用GPS 全球衛星定位系統進行數據獲取，通過DSRC 設備進行數據處理和模擬，再完成數字信號或者電信號的轉換。設備連接如圖1 所示。以HDLC 協議為基礎，通過5.9GHz 微波完成短程通信，具有傳輸迅速和便于分析等特性，其原理如圖2 所示。

圖1 數據采集設備連接圖

圖2 DSRC 設備原理圖

3 DSRC 通信協議

車載環境標準可以分為IEEE 802.11p 和IEEE 1609 系列。IEEE 802.11p 分別在物理層和媒體控制訪問層設置了標準模式。酒駕車輛與數據中心之間的通信經由IEEE 802.11p 協議完成，可以完成信息數據及圖像語音的多方式傳遞，穩定性高，是目前常見的物聯網通信模式。對比手機端的運營商網絡通信，該模式費用成本較低，通信速度快，能夠更為精確的傳遞相關數據，方便監管平臺完成酒駕的實時監測。

IEEE 1609 系列是建立在IEEE 802.11p 基礎上的主要針對更高應用層的標準。該標準制訂了確定的指標和參數，描述了車輛啟動后短距離無線通信的運行模式[3]。該標準以DSRC 通信結構為基礎，以兩個模塊來劃分，即TCP/IP 協議和針對安全的協議。

針對DSRC 設備的應用要求，DSRC 協議體系由OSI 參考模型中的物理層、數據鏈路層和應用層完成。物理層確定了DSRC 通信系統物理參數，用來完成各系統間的連接，提供數據傳輸、定位功能。數據幀由幀頭和幀尾分別標志[4]。

應用層位于整個物聯網系統最高層，對車載酒精檢測設備與無限通信系統進行信協調。應用層由3 個核心單元組成：初始化核心單元，用于實現設備的初始化；廣播核心單元，利用車載酒精檢測設備的廣播數據集中區來收集和發布信息；傳輸核心單元負責通信雙方雙向信息傳輸。

DSRC 數據做標準化處理，以ASN.1 抽象語法標記來對傳輸的數據做處理。其設備通過異步串行方式與計算機相連，以115200bps 波特率基礎，具有較好的穩定性和抗干擾能力，避免了奇偶校驗位，每次以8 位數據進行傳輸，以1 位標志停止[5]。數據幀詳細見表1。

表1 數據幀說明

PC 與RSU 的指令連接見表2。

表2 指令說明

針對DSRC 設備的應用要求，DSRC 協議體系是由OSI 參考模型中的物理層、數據鏈路層和應用層這三層來定義的。各層之間的數據傳輸由各層協議保證，規定了其數據幀的格式。其結構如圖3 所示。

圖3 DSRC 協議體系

4 GPS 定位修正方法

4.1 確定誤差區域

實際定位過程中，車輛的實時位置與標準位置直接存在誤差，本次設計將通過概率方法確定誤差區域。假設定位系統誤差的方差和協方差矩陣為：

圖4 誤差矩形

4.2 選擇匹配區域

根據D-S 理論，建立一個識別框來表示多條候選區域：

5 結語

本次設計闡述了應用物聯網技術的數據采集系統設計，并對系統具體功能要求作了分析。同時闡述了DSRC 通信協議，車載酒精檢測設備獲取定位的有關信息，并分析了設備與計算機之間的數據幀結構。此外，為了減小誤差，通過建立地圖匹配算法，用概率法來確定了GPS 位置誤差區域，簡化了計算流程，以矩形區域代替誤差橢圓來完成計算。在選擇匹配區域時選擇D-S 理論來建立識別框，根據車輛的方位信息作為支持，以函數推算出具體區域。