车联网通信调度与控制教学辅助系统的研究设计

王 涛，曾海燕，杨 敏，周新国

车联网是物联网在汽车行业的应用，从属于物联网范畴，其内涵主要指：车辆上的车载设备通过传感器和无线通信技术实现数据汇聚，对信息网络平台中的所有车辆动态信息进行有效利用，在车辆运行中提供不同的功能服务。目前，国内很多高校的物联网工程专业都开设了车联网技术相关的课程。在《高等学校物联网工程专业规范(2020版)》[1]中将车联网归类到“CL通信与定位”专业核心知识领域。

车联网涉及到的基础知识单元、核心知识单元和领域应用知识非常广泛，传统的车联网教学主要以理论教学和验证性实验为主，由于条件的限制，难以进行实战化应用场景式教学；另一方面，实战应用系统由于产品化程度较高，直接引用到教学中，无法向学生展示其运行机制和原理。

为了解决这一问题，让学生能够掌握车联网相关的核心知识，并让学生具备设计车联网应用领域复杂工程解决方案的能力，且能够在设计环节中体现创新意识。本文以应急救援车联网为实战应用场景，自主设计并研发了一套车联网教学辅助系统，结合建构主义启发式教学，通过教学辅助系统可以让学生更系统的掌握和理解车联网中涉及的通信基础、相关标准及架构、网关技术、工业无线网络、定位技术与位置服务等核心知识单元[2-7]。

实践表明，在教学过程中应用本教学辅助系统后，提升了教师的教学科研水平，激发了学生自主探究和自主建构知识的能力，提高了学生培养质量。

本文共分为4个部分，第1部分为教学辅助系统支撑车联网课程的需求分析，第2部分为车联网教学辅助系统的设计和相关算法，第3部分是对教学效果的评估，第4部分为本文的结论。

1 教学辅助系统对车联网核心知识单元的支撑性分析

本教学辅助系统以应急救援车联网系统为原型，目前应急救援车联网广泛的应用于自然灾害、事故灾难等救援领域。以火灾扑救为例，高性能装备和消防车联网是保障救援成功的重要条件，消防车联网的主要功能是在平时保障装备的战勤完好度，在战时能及时的将装备工况、药剂余量、故障信息、关键部件温度以及定位数据上传到调度指挥中心以方便指挥员决策，其决策结果还要下达到各作战装备，由于该应用场景具有较大的社会意义，且需求明确、关键技术典型，能很好的支持人才培养目标，非常适合用于支撑车联网相关课程的辅助教学。

如表1所示，以教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会物联网工程专业教学研究专家组制订的《高等学校物联网工程专业规范(2020版)》为基础，根据专业核心知识单元的需求，在车联网教学辅助系统中共设计了三个核心支撑模块，分别对应物联网架构的感知层、传输层和数据分析与处理层，具体如下：

表1 教辅系统对车联网核心知识的支撑关系

(1)车载嵌入式感知与控制装置。属于物联网感知层，采用开源嵌入式开发系统对接车载J1939 CAN总线结构和其他载传感器，通过本模块支持学生对工业无线网络、车联网嵌入式开发、定位技术与位置服务三项专业核心知识单元的学习。

(2)基于MQTT的远程通信。属于物联网传输层，通过搭建云端通信中间件，基于MQTT实现M2M通信，并允许学生自主研发各类控制报文和相关协议，通过本模块支持学生对通信基础、物联网通信相关标准及架构、物联网网关三项专业核心知识单元的学习。

(3)基于车联网数据的智能调度算法。属于物联网数据分析与处理层，针对应急救援实际应用场景和车联网的实时数据，设计相关的车辆调度算法，通过本模块支持学生对数据分析与决策这一专业核心知识单元的学习。

2 系统与核心算法辅助教学设计

2.1 车载嵌入式感知与控制装置教辅模块

车载嵌入式感知与控制装置是为了让应急救援车辆可以随同车辆自启动并且自主联网，同时要达到方便易操作的效果，一般要有低延时的要求，因此设计时采用5G uRLLC通信(Ultra-reliable and Low Latency Communications，高可靠和低延迟通信)[8]，5G条件受限时可以向下兼容4G通信。

车载嵌入式感知与控制装置可以兼容主流的如奔驰、MAN、HOWO、沃尔沃等品牌底盘，采用双通道数据传输，支持底盘和上装设备双路CAN总线，实现上装信息与底盘信息同时采集，同步传输[9]，其主要功能如表2所示。

表2 车载嵌入式感知与控制装置版本及功能

如图1所示，为了让学生能根据实际应用场景定制开发车载嵌入式感知与控制装置，采用了开源式硬件开发板，可以扩展表2中所需的各类传感器接口，J1939 CAN数据采用模拟器实现[10]，并提供了看门狗保护机制设置、自动恢复设置、设备运行保障、防水防尘等级、抗震抗摔、RS-485接口扩展[11]等教学内容。

图1 车载嵌入式感知与控制装置设计示意图

2.2 基于MQTT的远程通信教辅模块

远程通信教辅模块采用MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)实现，该技术是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议，工作在 TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，由于MQTT协议具有轻量、简单、开放和易于实现的特点，特别适用于应急救援等带宽受限环境下的M2M通信和物联网IoT应用[12]，极端救援环境下甚至可以通过卫星链路进行数据通信，用于构建天基车联网。

在教学辅助系统中设计了一种开放式接口，可以让学生根据应用的不同，定制其报文格式，报文采用固定报头(Fixed Header)和有效载荷(Body)。基于固定报头的设计如表3所示。

表3 本系统中的固定报头格式

在实际通信中需要有效载荷的控制报文：Connect、Subscribe、Suback、UNSubscribe、Public，PingREQ和PingRESP用于心跳请求和响应，其结构如表4所示。

表4 本系统有效载荷协议的设计

为了进一步的节约带宽和提高通信效率，需要对剩余长度进行处理，对于(固定报头+负载数据)剩余长度，当值小于128时使用单字节编码。对于大值处理，低7位有效位用于编码数据，最高有效位用于指示是否有更多的字节，因此每个字节可以编码128个数值和一个延续位(Continuation bit)。学生可以根据非负整数x使用变长编码算法和剩余长度字段的解码算法来设计和开发相关的编码与解码程序，采用伪代码形式的编码与解码算法如表5和表6所示。

表5 非负整数x使用变长编码算法

表6 剩余长度字段的解码算法

2.3 基于车联网数据的智能调度算法教辅模块

车联网数据的智能调度算法的构建，是根据车辆传感器上传到软件后台的智能数据，并依据当前的救援态势综合进行评估来设计[13]。为了让学生能掌握基于车联网数据的智能调度算法，在本教学辅助系统专门设计了算法设计接口，可支持PHP、Python、Java、C等主流语言。学生在标准算法的基础上可以对其进行优化和完善，并选择自己熟悉的语言编写具体的车联网调度程序。算法的核心步骤如下：

步骤1：根据车联网上传的数据对应急救援整体态势建立指标，并确定调度和评价的论域。

步骤2：通过判断矩阵建模对应急救援车联网的应急救援整体态势的每一个评估因素进行量化，确定其隶属度，形成评估矩阵。

步骤3:判断矩阵的构建，当对车联网上传的数据采用数据预处理技术构建矩阵时，一般采用式(1)

(1)

式(1)所示的判断矩阵应具有如式(2)所示的性质：

(2)

步骤4:判断矩阵的求解，判断矩阵求解时，要分别计算出其特征向量和最大特征根，通过特征向量的值推导并计算出一个评估指标的权重后进行归一化处理，最后通过特征向量的值计算每一个评估指标权重,并对指标权重向量进行归一化处理，最后合成应急救援整体态势向量，如式(3)所示。

(3)

应急救援整体态势评估是救援指挥调度决策的重要依据，通过对算法的掌握可以让学生能深入的理解车联网系统中数据分析与处理的重要性。

3 教学应用效果评估

在实际教学中，学生首先利用本教学辅助系统的算法开发界面进行车联网智能调度算法的设计和程序开发，如表7所示，系统可以实时的对学生的代码进行编译和纠错，程序通过语法检查后即可以查询到算法的结果。

表7 算法开发界面

算法程序在完成编写完成并编译通过后，会自动提交到系统，此时学生再利用如图2所示的学生操作界面进行车联网系统的实际操作演练，通过MQTT的远程通信系统向各车辆下达指令。

图2 教学辅助系统学生操作界面

效果验证如图3所示，车载嵌入式感知与控制装置用于采集车辆信息并上传到服务器，调度指令可以通过智能终端验证模块进行综合显示和效果验证。

图3 教学辅助系统车载智能终端效果验证模块

为了评估教学辅助系统在教学中的实际教学效果，通过问卷调查的方式采样对进行了数据分析，采样对象为三届学习过本课程(及相关课程)的学生，评估指标共设置了3个维度，分别为：重难点是否更易于理解(理解维)、对学习效率的提高(效率维)、对解决复杂物联网工程问题能力的提升(应用维)，问卷调查时，学生根据自身情况用“是/否”做答。对采样数据统计分析的结果如图4所示。

图4 传统教学与结合教学辅助系统教学的

对比评估数据分析

根据图4的分析结果，传统教学与教学辅助系统教学的对比分析如下：

(1)理解维。相比传统教学方法学生对重难点知识掌握和理解水平提高了15%，说明学生在理论学习的基础上结合本系统能更易于深入的掌握本课程的核心知识单元；

(2)效率维。相比传统教学方法平均提高了26%，说明通过本系统学生可以在情景启发式认知的前提下,可以帮助其自主建构知识，从而在保障学习质量的前提下减少了学习时间，提高了学习效率；

(3)应用维。相比传统教学方法平均提高了33%，效果最明显，这说明通过车联网教学辅助系统的实战案例教学，学生对如何应用物联网技术解决复杂工程问题有了更好的认知。

4 结论

从车联网教学辅助系统在教学过程的实际应用效果来看，该系统对学生更好的掌握和理解车联网的核心技术、系统应用、相关标准具有重要的促进作用，有利于提高学生利用物联网技术解决复杂工程问题的能力，学生在学习、研究实战案例的基础上可以启发式的自主建构完整的知识体系。车联网的应用领域非常广泛，采用以应急救援车联网为原型的教学辅助系统进行教学时容易让学生的视野受到局限，因此，应该同步加强车联网各类应用场景理论教学。在未来的研究中会继续将更多的车联网实际应用案例集成到本教学辅助系统中，以进一步的丰富实战应用场景。