5G物聯網技術在貨運物流安全監測中的應用

覃 喜

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

公路運輸是我國物流運輸行業的重要組成部分，2021年1～11月，我國公路貨運量高達357.1億t，載貨汽車保有量達3 191萬輛。在龐大的市場背后，同樣也面臨著居高不下的安全風險，極大地阻礙著我國公路運輸效率的進一步提升[1]。

隨著5G通信與各行各業相互融合滲透，物聯網、工業互聯網和車聯網等新形態的產業生態不斷完善，有力推動汽車、交通等行業智能化、信息化和網絡化的發展，也衍生出交通數字化治理和智慧出行等新興產業[2]。以數據驅動等管理手段有效地降低貨運物流企業潛在的安全風險，通過智能終端和數字化技術實現“事前預防預備-事中監控處置-事后評估反饋”三大主動安全防御系統對安全風險閉環的管控與管理。本文將對貨運物流的“事中監控處置”環節涉及的關鍵技術進行介紹，主要包含實時準確地識別車輛狀態與道路情況，最終形成“車輛-道路-司機-環境”車載監控智能終端的方案，對公路貨運安全建設起到一定的促進作用。

1 系統結構

如圖1所示，車載監控智能終端包含：車輛即時技術狀態監控、道路運行條件監控、綜合處理及預警3個子模塊，其核心在于依托“5G+物聯網”技術和信息決策云平臺實現硬件系統與軟件系統的一體化和閉環管控。運用智能傳感器、視頻采集、CAN總線和激光雷達等技術獲取車輛狀態數據；通過路側、車載的溫濕度傳感器和北斗定位系統獲取車輛位置、路面條件和氣候狀況信息等；通過部署物聯網邊緣主機，將采集到的各個模塊數據進行處理后再通過5G網絡將數據傳至云平臺并存入數據庫；依托云計算中心的強大處理性能，將接收到的數據進行分析與建模，通過與虛擬實體的連接，開展貨運物流安全的推演，從虛擬映射現實，實現全生命周期管理。

圖1 車載監控智能終端系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 車載監控智能終端主控

車載智能終端的核心主控為I.MX6ULL(MCIMX6Y2CVM08AB)，其主頻為792 MHz，該款芯片是NXP公司針對HMI、IoT等領域的MPU出品，其內核為Cortex-A7，內部集成電源管理，RAM支持16位的LPDDR2、DDR3及DDR3L；Flash支持NAND Flash、NOR Flash、eMMC等；在本設計中，外拓512MB的DDR3L，以及8G的EMMC；該芯片外設資源豐富，支持UART、CAN、I2C、NET和USB等接口。

在本設計中，串口1用于日常的調試，串口2用于讀取貨倉智能傳感器數據，串口4用于與定位模塊進行連接；CAN總線用于讀取車輛的狀態信息；I2C總線則用于讀取板載的溫濕度傳感器。在硬件的設計中使用GL850G將主控的USB OTG2擴展成了4路HOST接口，其中兩路分別用于連接攝像頭與5G通信模塊。

2.2 CAN總線電路設計

CAN總線目前廣泛應用于汽車電子領域，車上大量模塊和傳感器通過CAN總線連接；而一個完整的CAN節點則是由CAN控制器和CAN收發器構成。

本設計使用I.MX6ULL主控芯片內部自帶的FlexCAN模塊，FlexCAN完全符合CAN協議，支持CAN2.0B協議；支持0～8字節的數據長度，最高1 Mbit/S的編程速度；支持標準格式和拓展格式，最高支持8字節消息郵箱和64個消息緩沖；消息郵箱可配置為發送或接收，支持標準和擴展幀消息。消息郵箱具有獨立的接收掩碼寄存器，強大的先進先出的數據接收緩沖ID過濾[3]。

CAN收發器采用的是目前廣泛應用于汽車電子中的TJA1050。該芯片對CAN協議完全兼容，且傳輸速率較高，其原理如圖2所示。

圖2 CAN原理圖

由圖2可知，CAN1_TX與CAN1_RX是連接到主控芯片FlexCAN模塊的發送和接收引腳；主控芯片通過TJA1050接收CAN總線上的數據，R10則是120 Ω的匹配電阻。

2.3 定位模塊電路設計

北斗定位的信號接收選擇S1216F8-BD模塊，該模塊是一款高性能的GPS/BDS雙模定位模塊，雙模定位模塊可接收到更多數量的衛星信號，擴大了定位的范圍，廣泛應用于汽車電子行業。

S1216F8-BD模塊兼容TTL電平，具有167通道，支持QZSS、WAAS、MSAS、EGNOS、GAGAN，2.5 m的水平精度，更新率1 Hz、2 Hz、4 Hz、5 Hz、8 Hz、10 Hz、20 Hz，支持NMEA-0183 V3.01，SkyTraq binary通信協議。該部分的原理如圖3所示。

圖3 定位模塊部分原理圖

S1216F8-BD模塊使用3.3 V供電，BAT為備用電源，當主電源斷電時可繼續為片內維持0.5 h左右的星歷數據的保存，以支持溫啟動或熱啟動，實現快速定位；GPS_RXD、GPS_TXD引腳分別接入主控芯片UART4_TXD、UART4_RXD引腳，與主控進行串口通信，而圖中的PPS指示燈則是模塊工作狀態指示燈，指示燈常亮表示模塊沒定位成功，指示燈閃爍表示模塊已經定位成功[4]。

2.4 5G模塊電路設計

5G通信模塊選用上海移遠公司RM500U-CN，該模塊采用PCIe M.2封裝，同時支持5G 獨立組網和非獨立組網模式，支持雙卡，內置多種網絡協議，可廣泛應用于智慧能源、車聯網、工業物聯網等垂直行業。

由于RM500U-CN模塊集成通用的USB串行總線，并支持USB2.0的高速480 Mbqs模式和全速12 Mbps模式以及USB3.0的超高速5 Gbps模式。USB接口可用于發送AT命令、傳輸數據、調試軟件以及升級固件。本設計中RM500U-CN模塊連接在GL850G擴展的USB2接口上，從而保證了數據交換的速率。

3 系統軟件設計

在本設計中，車載智能終端采用的NXP官方提供了移植好的Linux嵌入式操作系統，該系統可實現多任務的運行和調度。應用層軟件部分可分為4個模塊：CAN總線模塊負責讀取車輛的信息并進行解析；定位模塊負責解析衛星定位數據；5G模塊負責智能終端與云服務器端進行通信；程序監視模塊則負責監視各個子系統是否正常運行，避免在任務執行過程中發生沖突，同時將采集到的數據進行打包整理。各模塊都是獨立的進程，通過嵌入式系統的內核管理協調任務之間的執行關系[5]。

3.1 CAN總線數據采集

I.MX6ULL主控CAN1_TX與CAN1_RX通過TJA1050與車輛的CAN總線物理連接，建立CAN總線的數據交換信息通道。通過程序設置CAN通信的相關參數，與車輛內部的ECU、ABS等模塊建立通信連接，并對接收到的數據進行解析，最后將數據處理并打包上傳到云端。CAN總線模塊的程序流程圖如圖4所示。

圖4 CAN程序流程圖

CAN總線數據采集模塊當中主要涉及CAN總線初始化、數據的接收與解析和數據打包發送等。

根據SAEJ1939商用汽車CAN總線通信標準物理層規定了數據通信速率為250 kbps，采用29位拓展幀格式的報文傳輸，每幀不超8字節的數據長度，若數據超過最大長度限制，則以不同幀發送。本設計中采集的ECU模擬器數據遵循SAEJ1939/71應用層標準中詳細規定，實車的CAN總線協議遵循著基于SAEJ1939協議的廠家私有協議標準，其數據解析方法與標準SAEJ1939協議一致。通過編程獲取車輛CAN總線報文對應數據幀中相應的參數值，解析出車輛實際的各項參數，便可將數據打包整理發送至云端。

3.2 定位模塊信息獲取

S1216F8-BD定位模塊與I.MX6ULL主控通過UART4進行通信，通過設置UART4的串口的波特率、數據位及停止位，即可完成對定位模塊的通信設置。通信設置完成后定位模塊將通過UART4將數據發送至I.MX6ULL主控，數據格式遵循著NMEA 協議，數據包含經緯度信息、衛星格式、地面速度、定位精度等信息。其輸出的數據格式如圖5所示。

圖5 定位模塊實時數據格式示意圖

本設計中，由于只需要設備的經緯度參數，而在圖5中“$GPGLL”開頭的字符包含經緯度信息，通過程序函數解析其中的經緯度數據并打包發送至云端。

3.3 5G數據傳輸

5G通信模塊連接在GL850G擴展的USB2接口上，根據官方提供的開發文檔往Linux內核驅動添加RM500U-CN模塊廠家ID和產品ID；接著按照USB協議的要求，在代碼中增加零包處理機制；為了防止主控進入休眠/暫停模式使USB斷電或復位，從而導致USB通信異常，所以還需配置重置模塊，至此，就完成了RM500U-CN模塊Linux內核驅動程序修改。其配置路徑如下：

[*]Device Drivers→

[*]USB Support →

[*]USB Serial Converter support →

[*]USB driver for GSM and CDMA modems

官方為RM500U-CN模塊提供了GobiNet驅動源碼，將源碼拷貝至內核的USB目錄下，修改內核配置，添加USB網絡框架和修改Makefile文件，并編譯內核即可。其配置路徑如下：

[*]Device Drivers→

[*]Network device support →

[*]USB Network Adapters →

[*]Gobi USB Net driver for Quectel module

為實現5G模塊的正常上網，還需使用quectel-CM網絡管理工具，解壓官方提供的軟件壓縮包，用make命令進行交叉編譯，命令如下：

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

編譯完成后將“quectel-CM”拷貝至根文件系統的/usr/bin目錄下，完成后即可實現自動聯網。

5G聯網模塊的底層驅動程序配置完成后，即可編寫對應的應用模塊程序，通過與云服務器建立TCP連接，將數據打包上傳至云服務器。

4 測試與分析

在本設計中，為了驗證車載智能終端的可行性和穩定性，在設計的過程中進行了大量模擬實驗，反復驗證程序的準確性及可靠性，并不斷地進行優化改進。

CAN總線測試部分采用ECU模擬器進行測試，將模擬器的協議設置成SAEJ1939協議并將其連接至I.MX6ULL主控，同時將CAN協議分析儀連接到總線讀取模擬器的原始報文信息，將主控解析的數據與原始數據進行比對。通過試驗得知，模擬器發出的報文數據為拓展幀，數據長度為8個字節，通過調節ECU模擬器的旋鈕，服務器端的信息跟隨著變化，表明已經能夠正確地讀取數據及傳輸數據，因為每個汽車制造商的CAN總線消息定義不同于標準的SAEJ1939協議，所以在實車測試時需要修改相應的定義。定位模塊的測試則將設備安裝在車上進行實測，試驗地點為廣西南寧市，結果顯示定位模塊采集的數據準確，與車輛行駛的路線一致。

通過5G通信模塊將車輛設備信息、位置信息實時傳輸到云服務器平臺，平臺服務器根據所上傳的數據對車輛的狀態進行判斷，分析車輛司機運行軌跡、高峰駕駛時間、疲勞駕駛時間、深夜駕駛時間、車輛最高速度、車輛平均速度和急減速等信息。

5 結語

本文介紹了5G物聯網技術在貨運物流智能車載終端的應用設計，從車輛參數采集、車輛定位、數據傳輸3個方面闡述實施方案；將5G物聯網技術引入物流安全管理業務，對貨運車輛的狀態進行實時監控，并借助云服務器平臺，對車輛行駛過程中產生的危險行為進行記錄和即時預警；通過設置對應的條件參數，形成每次駕駛的行為報告，管理者可以通過歷史數據進行風險評估，進一步促進貨運物流安全水平的提升。