基于白光LED無線通信的特種車輛管控裝置設計與實現(xiàn)

陳善文

【摘 要】本文梳理了當前幾種典型特種車輛通信與管理控制系統(tǒng)存在的安全隱患，分析了可見光無線通信的特點，提出并設計了利用白光LED的特種車輛無線通信方案，以解決目前特種車輛通信與管控中存在的多種安全風險，最后給出了一款基于白光LED的油罐車無線通信與管控系統(tǒng)實踐樣例。

【關鍵詞】可見光通信；白光LED；特種車輛；無線通信；油罐車

中圖分類號： TN929.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）17-0062-002

Design and Realization of Special Vehicle Control Device Based on White LED Wireless Communication

CHEN Shan-wen

（Experimental College of Shandong Province，Jinan Shandong 250000，China）

【Abstract】This paper combs the current security risks of several typical special vehicle communication and management control systems，analyzes the characteristics of visible wireless communication，and designs and designs a special vehicle wireless communication scheme using white LED to solve the current special vehicle communication and control The existence of a variety of security risks，and finally gives a white LED based tanker wireless communication and control system practice examples.

【Key words】Visible light communication；White LED；Special vehicle；Wireless communication

1 特種車輛管控系統(tǒng)現(xiàn)狀

隨著電子信息技術發(fā)展應用，出現(xiàn)了專業(yè)為油罐車、危險化學品運輸車、120急救車等特種行業(yè)開發(fā)的監(jiān)控管理調度平臺，建立起了特種車輛與監(jiān)控中心之間的信息傳遞鏈路，監(jiān)控中心可以隨時掌握車輛狀態(tài)，迅速下達調度命令。本文以油罐車為例展開討論，系統(tǒng)一般會綜合采用無線通信，電子鉛封、危險品狀態(tài)信息采集、衛(wèi)星定位、視頻監(jiān)控等多種技術手段，實現(xiàn)對油罐車的綜合管理，其中無線通信部分主要包括兩個方面，一是用于近距離車輛通信，用于車輛門禁、任務信息、油罐液面信息等數(shù)據(jù)的交換，一般通過藍牙、WIFI，車載無線電臺等通信方式實現(xiàn)；二是實現(xiàn)車輛的位置、車輛運行狀態(tài)、運輸品的狀態(tài)信息和現(xiàn)場視頻的實時交互，主要基于移動公司通信網(wǎng)絡和車載無線電臺的方式實現(xiàn)的遠程通信。目前，基本所有的特種車輛都安裝了類似系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)的特種車輛管控系統(tǒng)存在的安全風險

現(xiàn)實環(huán)境中，使用大功率的通信設備需要向無線電管理單位申請相應的信道，使用過程中有較大的無線電輻射，對人和周圍的環(huán)境影響較大，出于安全考慮，有些地方禁止使用無線射頻通信，比如加油站、油庫等有易燃物的附近地域；還有一類應用，通過無線電進行明話通聯(lián)時，就有可能泄露該車活動規(guī)律和行動路線和停靠時間節(jié)點，易被攻擊不法份子攻擊，比如銀行運鈔車、校車等。這就造成了特種車輛管理系統(tǒng)無法及時有效的進行數(shù)據(jù)交互，無法滿足日常工作需要。

本文試圖提供一種在禁止使用無線射頻通信的特殊場合可使用的無線數(shù)據(jù)通信裝置解決方案，通過改裝車輛的照明燈實現(xiàn)基于白光LED可見光通信，代替原有基于藍牙、無線局域網(wǎng)和無線電臺等無線通信方式，杜絕電磁輻射造成的事故隱患、環(huán)境污染和信息泄露等的安全問題。

3 白光LED的特種車輛無線通信方案設計

本文提供的無線通信裝置提供基于LED可見光雙工通信，分為上行鏈路和下行鏈路兩個模塊，上下行鏈路組成都是由供電及通信接口單元、數(shù)據(jù)收發(fā)處理單元、LED驅動電路和光電接收單元組成，分別安裝特種車輛上和固定監(jiān)控點。他們構成了完整的基于LED的可見光通信鏈路。整體框圖如圖1所示。

下行鏈路中，依托固定點原有的管理系統(tǒng)，替換其中的無線射頻通信模塊，將原系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送接口與本裝置連接，通過設置接口標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過差分曼切斯特編碼，將編碼后的信號加載到LED的驅動模塊，驅動LED照明燈，LED照明燈發(fā)出的調制信號經(jīng)過透鏡聚焦到接收端的光電探測器上，將光信號轉換為電信號，經(jīng)過光電接收模塊將信號放大，均衡最后恢復出發(fā)射信號。完成系統(tǒng)到終端的數(shù)據(jù)的發(fā)送。

上行鏈路的工作原理大致相似。由于上行鏈路安裝在特種汽車上，采用改裝或加裝日行燈或車載照明燈的方式，車輛行駛到預設位置可以實現(xiàn)光線的準直照射，下行鏈路的接收端安裝球面透鏡可以將各角度光線都匯聚到光電探測器上，經(jīng)過相應的電路處理，恢復出終端發(fā)射給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

在硬件設計上采用適用于小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)交換的強度調制/直接檢測（IM/DD）方式，提高通信效率。根據(jù)各單元的功能分別進行電路設計。

2.1 供電電路

上下行鏈路設備的分別安裝與不同位置，供電方式也不一樣，下行鏈路采用固定方式安裝，有穩(wěn)定的市電接入，選擇現(xiàn)有的穩(wěn)定開關電源作為系統(tǒng)電源，車載供電方式，油罐車一般采用雙鉛酸電池供電，供電電壓24V，電池采用現(xiàn)有直流降壓穩(wěn)壓集成電路實現(xiàn)車載端上行鏈路模塊供電。endprint

2.2 接口轉換電路

本設計中提供的接口轉換電路有兩種，分別是以太網(wǎng)接口轉換和RS232串行通信口的轉換功能，串口信號可以直接發(fā)送到編碼電路，支持將以太網(wǎng)雙極性三電平的MLT-3編碼轉換為到單極性碼。同樣將來自光接收器的單極性碼通過轉換電路變換成適合雙絞線傳輸?shù)碾p極性三電平的MLT-3編碼。另外，還有時鐘提取、信號判決再生和數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能。以太網(wǎng)介質轉換模塊的工作方式是存儲轉發(fā)，并不對4B5B編碼進行編碼和解碼處理。這種處理方式忽略所有的誤碼，但可以通過犧牲糾錯性能來換取數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚r延。

2.3 發(fā)射端電路

發(fā)射電路由編碼器和驅動器組成，信號經(jīng)由編碼器進行曼切斯特編碼處理，其中編碼器采用單片機，這樣可以根據(jù)實際需要來實現(xiàn)不同的編碼。但是由于單片機的輸出電流太小，不足以驅動LED燈，通過設計驅動電路，本裝置采用恒流源方式驅動LED，采用串并聯(lián)相結合的方式連接，保證LED的發(fā)光效率。

2.4 接收端電路

光接收電路由以下幾個部分組成：光電探測器、前置放大電路、主放大電路、自動增益控制電路（APC）、均衡器、時鐘提取及判決電路。光電探測器位于光接收電路的最前端，完成光脈沖信號轉變?yōu)殡娒}沖信號。前置放大電路與光電探測器合理設計，可以增大變換后的電信號信噪比。主放大電路無失真的放大經(jīng)過前置放大器的輸出電信號，輸出信號的電平幅度穩(wěn)定由自動增益控制電路實現(xiàn)，最后經(jīng)過均衡器、時鐘提取電路及判決電路取得再生的數(shù)字信號。接收電路原理框圖如下圖3所示。

4 實踐樣例

利用本文設計的裝置方案，構建一款油罐車由加油站返回油庫，加油、送油作業(yè)實例，以展示油罐車通過改裝的基于白光LED通信裝置實現(xiàn)車輛識別、門禁道閘開啟、通過門禁以及加油后放行的過程。本裝置在門禁管理中應用配置示意圖如下圖4所示。

（1）車輛到達油庫門口，通過車載光電探測器，接收到下行鏈路發(fā)射器發(fā)出的光信號，通過數(shù)據(jù)轉換接口，提交給車載終端，車載終端識別處理發(fā)現(xiàn)一個可以接入的無線網(wǎng)絡，返回給上行鏈路模塊一個接入網(wǎng)絡的請求信息。

（2）上行鏈路模塊，通過數(shù)據(jù)轉換向發(fā)射器傳遞一組數(shù)據(jù)，由車頭LED日行燈發(fā)射到空中，LED日行燈基本直射下行模塊的光電探測器，由此下行鏈路的服務器端接收入網(wǎng)到請求，實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)交互。

（3）下行鏈路的也就是管理系統(tǒng)服務器端通過判斷請求信息，反饋給車輛同意入網(wǎng)或其他信息。

（4）同意入網(wǎng)后，根據(jù)管理系統(tǒng)信息向車輛發(fā)送通知或者運油任務等信息，車輛進入油庫后，依托建立的LED路燈網(wǎng)絡，可以一直監(jiān)控車輛狀態(tài)，到達加油點后，可以根據(jù)車輛任務和車輛油罐油量，控制加油機加油量。

（5）加完油后，監(jiān)控車輛離開油庫，執(zhí)行送油任務。

通過該裝置實現(xiàn)了不適用射頻通信的場合的無線數(shù)據(jù)通信，在整個過程中不需要人工干預，提高了工作效率。

5 總結

該設計及實踐樣例，采用基于白光LED的無線光通信技術，具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾、無電磁輻射等優(yōu)點，能較好地解決加油站、油庫、機場、醫(yī)院等特殊場合禁止使用無線射頻通信的問題。采用本案進行特種車輛無線通信與管控，可讓管理人員實時了解特種車輛的運行信息、車輛載貨信息，還可以遠程控制車輛在危險環(huán)境下實施裝卸貨物作業(yè)，有效提高車輛調度與綜合管理水平。endprint