应用物联网技术的车辆定位采集系统设计

王艺霏，刘敏飞，柴尚杰

（甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

从目前国内外车辆定位技术研究现状来看，不论是传统车辆导航定位系统，还是物联网车辆定位技术，主要是借助GPS 全球定位系统来获取车辆位置信息的。随着无线通讯技术的不断发展，安全驾驶的关注力度越了越大，其中酒驾车辆的监管和定位问题，需要进一步借由物联网技术来实现。在具体定位模式中，可以通过在车辆上安装无线通信设备，将行驶中的车辆变成一个个移动无线网络节点，实现车辆内部各设备（设施）之间、车辆之间以及车辆与道路基础设施之间的高速移动互联，能够完成相关数据传递和信息交互的通信任务，以期实现酒驾信息和车辆位置的判定，从而进一步辅助监管。

以物联网为基础，所设计的数据采集系统应包含以下功能：信息感应、信息干预、信息沟通、信息管理等，具体如下：

（1）信息感应：根据车辆实时位置获取其正确的坐标、行驶方向、车速等数据。要求能够确保车辆是在组合卫星定位条件下获取相关信息。

（2）信息干预：对车载酒驾检测系统探测的数据进行分析处理，与地图信息进行匹配修正，实现车辆精确定位。

（3）信息沟通：实现车辆与监管通信能够完成数据传输，收集车载酒精检测设备的数据，并将信息传递到监管平台。

（4）信息管理：将车载酒精检测装置各传感器获得的数据存储至监管平台数据库，控并对数据进行分析处理。

1 总体框架结构

采集系统由3 部分结构组成，各部分结构功能如下：

（1）车载单元：通过定位传感器探测酒驾车辆实时位置，使用GPS 全球卫星定位系统来获取相关信息。

（2）无线通信部分：为了实现车辆与监管平台的双向通信，采用以IEEE802.11p 与1609 为基础的标准，专属无线频率为5.9 GHz（5.850 GHz ～ 5.925 GHz）[68]的DSRC 无线通讯方式。

（3）数据中心部分：通过两个或两个以上的服务器来存储数据，分别以安全认证和数据存储为模块来区分。其中的安全认证模块通过配置权限，来阻挡非法数据入侵；数据存储通过建立数据库来完成信息的管理[1]。

为避免传输数据中可能发生的数据冲突，需要通过交换器将MAC 地址和端口进行划分，并经由交换器连接到区域网。此外，需要设置防火墙，以避免物联网中的车载数据及不相关的旁路单元数据恶意入侵。防火墙由访问规则、验证工具、包过滤和应用网管组成。

通过路由器实现数据从区域网到数据中心的传递。路由器用来分配IP 地址，在多网络互联的环境中，设置路由器通过多通道来访问数据中心网络。路由器利用TCP/IP 协议，来决定数据的转发。车辆数据通过IPv6 转发到数据服务器。该协议可以解决资源地址数量不够的问题，也能够有效协调车载酒驾检测设备与数据中心的对接。

2 DSRC 设备结构

以短程通信设备（DSRC 设备）为主，包含车载设备（OBU），通过车载设备的无线通信功能获取传感器信息。DSRC 设备接口连接到计算机，通过计算机来导出数据，获取车辆驾驶室内酒驾浓度、相对湿度、温度等信息，完成数据采集[2]。在计终端监管计算机上驱动各种软件，能对DSRC 设备中的数据进行分析处理，再将这些数据上传至平台数据库作为判别依据。

为提高定位精度，需要不断采集定位信息，即时速度、行驶方向等信息。传感器部分使用GPS 全球卫星定位系统进行数据获取，通过DSRC 设备进行数据处理和模拟，再完成数字信号或者电信号的转换。设备连接如图1 所示。以HDLC 协议为基础，通过5.9GHz 微波完成短程通信，具有传输迅速和便于分析等特性，其原理如图2 所示。

图1 数据采集设备连接图

图2 DSRC 设备原理图

3 DSRC 通信协议

车载环境标准可以分为IEEE 802.11p 和IEEE 1609 系列。IEEE 802.11p 分别在物理层和媒体控制访问层设置了标准模式。酒驾车辆与数据中心之间的通信经由IEEE 802.11p 协议完成，可以完成信息数据及图像语音的多方式传递，稳定性高，是目前常见的物联网通信模式。对比手机端的运营商网络通信，该模式费用成本较低，通信速度快，能够更为精确的传递相关数据，方便监管平台完成酒驾的实时监测。

IEEE 1609 系列是建立在IEEE 802.11p 基础上的主要针对更高应用层的标准。该标准制订了确定的指标和参数，描述了车辆启动后短距离无线通信的运行模式[3]。该标准以DSRC 通信结构为基础，以两个模块来划分，即TCP/IP 协议和针对安全的协议。

针对DSRC 设备的应用要求，DSRC 协议体系由OSI 参考模型中的物理层、数据链路层和应用层完成。物理层确定了DSRC 通信系统物理参数，用来完成各系统间的连接，提供数据传输、定位功能。数据帧由帧头和帧尾分别标志[4]。

应用层位于整个物联网系统最高层，对车载酒精检测设备与无限通信系统进行信协调。应用层由3 个核心单元组成：初始化核心单元，用于实现设备的初始化；广播核心单元，利用车载酒精检测设备的广播数据集中区来收集和发布信息；传输核心单元负责通信双方双向信息传输。

DSRC 数据做标准化处理，以ASN.1 抽象语法标记来对传输的数据做处理。其设备通过异步串行方式与计算机相连，以115200bps 波特率基础，具有较好的稳定性和抗干扰能力，避免了奇偶校验位，每次以8 位数据进行传输，以1 位标志停止[5]。数据帧详细见表1。

表1 数据帧说明

PC 与RSU 的指令连接见表2。

表2 指令说明

针对DSRC 设备的应用要求，DSRC 协议体系是由OSI 参考模型中的物理层、数据链路层和应用层这三层来定义的。各层之间的数据传输由各层协议保证，规定了其数据帧的格式。其结构如图3 所示。

图3 DSRC 协议体系

4 GPS 定位修正方法

4.1 确定误差区域

实际定位过程中，车辆的实时位置与标准位置直接存在误差，本次设计将通过概率方法确定误差区域。假设定位系统误差的方差和协方差矩阵为：

图4 误差矩形

4.2 选择匹配区域

根据D-S 理论，建立一个识别框来表示多条候选区域：

5 结语

本次设计阐述了应用物联网技术的数据采集系统设计，并对系统具体功能要求作了分析。同时阐述了DSRC 通信协议，车载酒精检测设备获取定位的有关信息，并分析了设备与计算机之间的数据帧结构。此外，为了减小误差，通过建立地图匹配算法，用概率法来确定了GPS 位置误差区域，简化了计算流程，以矩形区域代替误差椭圆来完成计算。在选择匹配区域时选择D-S 理论来建立识别框，根据车辆的方位信息作为支持，以函数推算出具体区域。