车联网移动无线数据通信系统的设计与实现

姚有林

摘 要： 为了提高车联网移动无线数据通信能力，实现通过无线数据通信系统对车辆监控与导航，利用RFID和GPS技术，通过对车联网无线数据通信系统的结构分析，设计了车联网移动无线数据通信系统。重点研究了车载终端总体结构、车载终端通信模块、RFID感知通信模块、移动通信平台架构、定位追踪通信模块和远程控制通信模块。应用结果表明，该移动无线数据通信系统有较好显示能力和信息处理能力，能够处理导航、信息服务、车辆信息显示与辅助控制等功能的车载终端信息通信服务的需求。

关键词： 通信模块； 车联网； 车载终端； RFID； 物联网

中图分类号： TN391?34 文献标识码： A 文章编号： 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

在车联网（ Internet of Vehicles，IoV）中，移动无线数据通信是核心的系统，车辆监控与导航都要通过无线数据通信系统来实现和管理。车辆监控与导航的研究在国外起始于20世纪70年代，目前称为自动车辆定位与导航 （Automatic Vihicle Location and Navigation，AVLN）。AVLN是智能运输系统（Intelligent Transport System，ITS）或智能汽车/公路系统（IVHS）的基础环节。车辆定位与导航可采用各种技术手段进行，但其中车辆精确定位的实现最重要，也最困难，花费最高。但自从GPS应用于车辆监控与导航中，情况发生了划时代的革命性变化[1]。面对车内日益繁重的信息显示和处理任务，车载信息终端通信系统被作为热点提出。汽车导航系统凭借其在显示能力和信息处理能力上的优势，有潜力成为车载信息终端的最终载体集成了导航、信息服务、车辆信息显示与辅助控制等功能的车载信息终端将是未来发展的方向[2]。

车联网是物联网（Internet of Things，IoT） 领域一个重要分支[1]。物联网依托射频识别（RFID）技术、传感技术、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）等，将物品与后台各类信息系统连接起来进行信息交换和通信，最终构建起一个集识别、定位、跟踪、监控和管理等功能于一体的跨媒介网络。物联网应用的关键技术主要包括RFID，GPS和GIS等。RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，具有读取速度快、存储空间大、辐射范围广、可实现重复读/写等多种优势。一个基于RFID的信息系统至少包含RFID标签和阅读器两部分，阅读器通过射频信号自动获取RFID标签中的存储信息，整个过程无需人工干预。GPS系统以24颗覆盖全球的卫星作为空间信息支撑，依托庞大的地面控制系统，可以在任意时刻采集到精确的经纬度，以实现定位、导航等功能，该系统可方便地安装在汽车等交通工具上。GIS系统在计算机软硬件支持下，以地理空间数据库为基础，通过对GPS信号的捕捉和处理，实现对空间地理信息的采集、存储、管理和显示等功能[3?4]。

本文根据目前车联网应用需求，针对实际业务，在智能交通系统、传感器网络技术发展基础上，利用物联网感知技术和GPS技术，设计车载信息终端通信系统的主要架构和通信模块。

1 车载终端通信系统

1.1 车载终端总体结构的设计

车辆作为车联网的重要构成主体之一，因其为移动物体，联网必须依靠移动互联网技术来实现。在车联网应用中，面对车内日益繁重的信息显示和处理任务，车载信息终端系统要承担诸多通信服务功能。汽车载通信终端集成了导航、信息服务、车辆信息显示与辅助控制等功能。车载通信终端处理平台架构如图1所示。

图1 车载终端通信系统架构

1.2 车载终端通信模块的设计

车载终端由通信模块、GPS接收模块和中心控制模块、外围辅助设备等组成， 车载终端通信模块功能结构如图2所示，移动智能终端实物如图3所示。

在图2所示的通信终端功能结构中，各模块实现的功能为：

（1） 通信模块：负责与监控中心的数据交换，接收中心发送的指令，发送GPS信息及车辆信息到监控中心。

（2） GPS接收模块：由两部份组成（GPS天线部份和GPS数据处理模块），接收GPS卫星发送的卫星报文，进行计算处理，解算出当前GPS天线所在地理位置。

（3） 车载终端中心控制模块：解析中心发给终端的指令并做出相应的反应。对GPS接收模块发送的GPS信息以及车辆状态信息进行打包，控制通信模块通过GPRS或GSM短消息发送定位信息到监控中心。

（4） 外围辅助设备：包括音箱、摄像头、油位计、断油断电继电器等，主要完成语音拨报、图片抓拍、断油断电等功能。

图2 车载终端通信模块功能结构

图3 车载终端通信终端实物图

1.3 RFID感知通信模块设计

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。按被测量可分为力敏、热敏、光敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏、射线敏、生物敏、光纤敏等大类。而智能传感器是带有微处理器，具有信息处理功能的传感器[1，5]。RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。其中，RFID是一种简单的无线系统，由阅读器和电子标签两个基本器件组成，可用于控制、检测和跟踪物体[6]。目前，RFID技术已经应用到生活的很多领域中，如景区管理、停车厂和管道监测等。RFID具有同时识别多个高速运动物体、读写距离远、数据存储量大、系统体积小、安全性好、安装简便、环境要求低等特点，因此可以把RFID应用到车联网当中，可以轻松实现车联网中各节点对监测点的感知功能。

基于RFID感知通信模块主要由电子标签（tag）、阅读器（reader）及天线（antenna）等组成，其工作过程为阅读器发射一特定频率的无线电波能量给电子标签，电子标签接受信号后驱动标签电路将内部之ID码送出，然后阅读器接收ID码[1]。基于RFID感知通信模块结构如图4所示。下面介绍RFID感知通信模块主要功能模块：

（1） 电子标签。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。每个标签具有以惟一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。

（2） 阅读器。阅读器是读取（也可以写入）标签信息的设备，阅读器通过天线与电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

（3） 天线。天线是标签与阅读器之间传输数据的发射和接收装置。在实际应用中，系统功率、天线的形状和相对位置会影响数据的发射和接收。

图4 基于RFID感知通信模块结构图

2 移动通信中心结构的设计

2.1 移动通信平台架构设计

移动通信平台是一个远程的通信管理终端。它装备在指挥车辆上，通过无线设备上网连接到监控中心服务器，对车辆进行调度指挥。

移动通信中心是整个系统的核心，同时也是通信枢纽，负责与移动智能终端的信息交互，完成各种信息的分类、记录和转发动，同时对整个网络状况进行监控管理。实现车辆的监控与智能调度，达到移动资源的优化配置、调度和管理，提高调度效率的目的。监控中心响应并处理紧急事件，提供跟踪定位、监听录音和远程控制等处理措施。移动通信中心的网络拓扑图5所示。

图5 移动通信中心网络拓扑图

2.2 定位追踪通信模块

可以通过定位追踪通信模块向车载终端发送呼叫指令，命令车载终端回传车辆的定位数据，经过GIS处理后显示在电子地图上，可以对车辆实现定位。如果终端连续回传定位数据，就可以对其进行跟踪。在车载终端的支持下，一般可有定时、定次、定距等数据回传策略。车载终端可配有通话手柄或液晶显示屏。监控中心可通过电话进行语音调度，或通过监控终端向车载终端发送文本调度信息。文本调度信息通过短消息的方式下发到车载终端并显示在液晶显示屏上或手柄上，发送短消息窗口界面如图6所示。

图6 发送短消息窗口

移动通信中心还可通过向车载终端发送文本信息的方式为司机提供信息服务功能，如导航服务、天气预报、新闻报道、公告、货物信息、路况信息等。车辆可以自动或者由司机手动向中心发送求助报警信息。当车辆遇到紧急情况时，司机触动报警按钮，车载终端立即向中心回传报警信息，报警信息中包含车辆当前位置。通过监控终端可对车载终端进行多种参数设置，设置界面如图7所示。

图7 远程速度设置窗口

2.3 远程控制通信模块

在紧急情况下，向车载终端发送控制指令可以达到远程控制车辆的目的，这需要车载终端硬件功能的支持。常见的功能有：断油、断电、开/锁车门、熄火、停止车载终端工作，远程终端控制界面如图8所示。

图8 远程终端控制窗口

车辆在行驶过程中回传到中心的位置数据都将保存在数据库中。只需选择车辆及开始、结束时间，监控终端可对车辆在某一时段的行驶轨迹进行回放，显示在电子地图上，如图9所示。

3 结 论

本文在物联网和移动通信的基础上，设计了车联网移动无线数据通信系统，实现车载终端总体结构的设计、车载终端通信模块、GPS接收模块、车载终端中心控制模块和外围辅助设备的结构设计。基于RFID感知通信模块是一个远程的通信管理终端。它装备在指挥车辆上，通过无线设备上网连接到监控中心服务器，对车辆进行调度指挥和定位追踪通信。

图9 行驶轨迹进行回放主界面

参考文献

[1] 董新平.物联网产业成长研究[D].武汉：华中师范大学，2012.

[2] 王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，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.

图6 发送短消息窗口

移动通信中心还可通过向车载终端发送文本信息的方式为司机提供信息服务功能，如导航服务、天气预报、新闻报道、公告、货物信息、路况信息等。车辆可以自动或者由司机手动向中心发送求助报警信息。当车辆遇到紧急情况时，司机触动报警按钮，车载终端立即向中心回传报警信息，报警信息中包含车辆当前位置。通过监控终端可对车载终端进行多种参数设置，设置界面如图7所示。

图7 远程速度设置窗口

2.3 远程控制通信模块

在紧急情况下，向车载终端发送控制指令可以达到远程控制车辆的目的，这需要车载终端硬件功能的支持。常见的功能有：断油、断电、开/锁车门、熄火、停止车载终端工作，远程终端控制界面如图8所示。

图8 远程终端控制窗口

车辆在行驶过程中回传到中心的位置数据都将保存在数据库中。只需选择车辆及开始、结束时间，监控终端可对车辆在某一时段的行驶轨迹进行回放，显示在电子地图上，如图9所示。

3 结 论

本文在物联网和移动通信的基础上，设计了车联网移动无线数据通信系统，实现车载终端总体结构的设计、车载终端通信模块、GPS接收模块、车载终端中心控制模块和外围辅助设备的结构设计。基于RFID感知通信模块是一个远程的通信管理终端。它装备在指挥车辆上，通过无线设备上网连接到监控中心服务器，对车辆进行调度指挥和定位追踪通信。

图9 行驶轨迹进行回放主界面

参考文献

[1] 董新平.物联网产业成长研究[D].武汉：华中师范大学，2012.

[2] 王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，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.

图6 发送短消息窗口

移动通信中心还可通过向车载终端发送文本信息的方式为司机提供信息服务功能，如导航服务、天气预报、新闻报道、公告、货物信息、路况信息等。车辆可以自动或者由司机手动向中心发送求助报警信息。当车辆遇到紧急情况时，司机触动报警按钮，车载终端立即向中心回传报警信息，报警信息中包含车辆当前位置。通过监控终端可对车载终端进行多种参数设置，设置界面如图7所示。

图7 远程速度设置窗口

2.3 远程控制通信模块

在紧急情况下，向车载终端发送控制指令可以达到远程控制车辆的目的，这需要车载终端硬件功能的支持。常见的功能有：断油、断电、开/锁车门、熄火、停止车载终端工作，远程终端控制界面如图8所示。

图8 远程终端控制窗口

车辆在行驶过程中回传到中心的位置数据都将保存在数据库中。只需选择车辆及开始、结束时间，监控终端可对车辆在某一时段的行驶轨迹进行回放，显示在电子地图上，如图9所示。

3 结 论

本文在物联网和移动通信的基础上，设计了车联网移动无线数据通信系统，实现车载终端总体结构的设计、车载终端通信模块、GPS接收模块、车载终端中心控制模块和外围辅助设备的结构设计。基于RFID感知通信模块是一个远程的通信管理终端。它装备在指挥车辆上，通过无线设备上网连接到监控中心服务器，对车辆进行调度指挥和定位追踪通信。

图9 行驶轨迹进行回放主界面

参考文献

[1] 董新平.物联网产业成长研究[D].武汉：华中师范大学，2012.

[2] 王建强，吴辰文，李晓军.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，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.