應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛定位采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王藝霏，劉敏飛，柴尚杰

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

從目前國(guó)內(nèi)外車輛定位技術(shù)研究現(xiàn)狀來看，不論是傳統(tǒng)車輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)，還是物聯(lián)網(wǎng)車輛定位技術(shù)，主要是借助GPS 全球定位系統(tǒng)來獲取車輛位置信息的。隨著無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，安全駕駛的關(guān)注力度越了越大，其中酒駕車輛的監(jiān)管和定位問題，需要進(jìn)一步借由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在具體定位模式中，可以通過在車輛上安裝無線通信設(shè)備，將行駛中的車輛變成一個(gè)個(gè)移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部各設(shè)備（設(shè)施）之間、車輛之間以及車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的高速移動(dòng)互聯(lián)，能夠完成相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞和信息交互的通信任務(wù)，以期實(shí)現(xiàn)酒駕信息和車輛位置的判定，從而進(jìn)一步輔助監(jiān)管。

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)包含以下功能：信息感應(yīng)、信息干預(yù)、信息溝通、信息管理等，具體如下：

（1）信息感應(yīng)：根據(jù)車輛實(shí)時(shí)位置獲取其正確的坐標(biāo)、行駛方向、車速等數(shù)據(jù)。要求能夠確保車輛是在組合衛(wèi)星定位條件下獲取相關(guān)信息。

（2）信息干預(yù)：對(duì)車載酒駕檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與地圖信息進(jìn)行匹配修正，實(shí)現(xiàn)車輛精確定位。

（3）信息溝通：實(shí)現(xiàn)車輛與監(jiān)管通信能夠完成數(shù)據(jù)傳輸，收集車載酒精檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將信息傳遞到監(jiān)管平臺(tái)。

（4）信息管理：將車載酒精檢測(cè)裝置各傳感器獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至監(jiān)管平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，控并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1 總體框架結(jié)構(gòu)

采集系統(tǒng)由3 部分結(jié)構(gòu)組成，各部分結(jié)構(gòu)功能如下：

（1）車載單元：通過定位傳感器探測(cè)酒駕車輛實(shí)時(shí)位置，使用GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)來獲取相關(guān)信息。

（2）無線通信部分：為了實(shí)現(xiàn)車輛與監(jiān)管平臺(tái)的雙向通信，采用以IEEE802.11p 與1609 為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，專屬無線頻率為5.9 GHz（5.850 GHz ～ 5.925 GHz）[68]的DSRC 無線通訊方式。

（3）數(shù)據(jù)中心部分：通過兩個(gè)或兩個(gè)以上的服務(wù)器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，分別以安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為模塊來區(qū)分。其中的安全認(rèn)證模塊通過配置權(quán)限，來阻擋非法數(shù)據(jù)入侵；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過建立數(shù)據(jù)庫(kù)來完成信息的管理[1]。

為避免傳輸數(shù)據(jù)中可能發(fā)生的數(shù)據(jù)沖突，需要通過交換器將MAC 地址和端口進(jìn)行劃分，并經(jīng)由交換器連接到區(qū)域網(wǎng)。此外，需要設(shè)置防火墻，以避免物聯(lián)網(wǎng)中的車載數(shù)據(jù)及不相關(guān)的旁路單元數(shù)據(jù)惡意入侵。防火墻由訪問規(guī)則、驗(yàn)證工具、包過濾和應(yīng)用網(wǎng)管組成。

通過路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從區(qū)域網(wǎng)到數(shù)據(jù)中心的傳遞。路由器用來分配IP 地址，在多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的環(huán)境中，設(shè)置路由器通過多通道來訪問數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。路由器利用TCP/IP 協(xié)議，來決定數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。車輛數(shù)據(jù)通過IPv6 轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)服務(wù)器。該協(xié)議可以解決資源地址數(shù)量不夠的問題，也能夠有效協(xié)調(diào)車載酒駕檢測(cè)設(shè)備與數(shù)據(jù)中心的對(duì)接。

2 DSRC 設(shè)備結(jié)構(gòu)

以短程通信設(shè)備（DSRC 設(shè)備）為主，包含車載設(shè)備（OBU），通過車載設(shè)備的無線通信功能獲取傳感器信息。DSRC 設(shè)備接口連接到計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)來導(dǎo)出數(shù)據(jù)，獲取車輛駕駛室內(nèi)酒駕濃度、相對(duì)濕度、溫度等信息，完成數(shù)據(jù)采集[2]。在計(jì)終端監(jiān)管計(jì)算機(jī)上驅(qū)動(dòng)各種軟件，能對(duì)DSRC 設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再將這些數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)作為判別依據(jù)。

為提高定位精度，需要不斷采集定位信息，即時(shí)速度、行駛方向等信息。傳感器部分使用GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，通過DSRC 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模擬，再完成數(shù)字信號(hào)或者電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。設(shè)備連接如圖1 所示。以HDLC 協(xié)議為基礎(chǔ)，通過5.9GHz 微波完成短程通信，具有傳輸迅速和便于分析等特性，其原理如圖2 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接圖

圖2 DSRC 設(shè)備原理圖

3 DSRC 通信協(xié)議

車載環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)可以分為IEEE 802.11p 和IEEE 1609 系列。IEEE 802.11p 分別在物理層和媒體控制訪問層設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)模式。酒駕車輛與數(shù)據(jù)中心之間的通信經(jīng)由IEEE 802.11p 協(xié)議完成，可以完成信息數(shù)據(jù)及圖像語(yǔ)音的多方式傳遞，穩(wěn)定性高，是目前常見的物聯(lián)網(wǎng)通信模式。對(duì)比手機(jī)端的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)通信，該模式費(fèi)用成本較低，通信速度快，能夠更為精確的傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，方便監(jiān)管平臺(tái)完成酒駕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

IEEE 1609 系列是建立在IEEE 802.11p 基礎(chǔ)上的主要針對(duì)更高應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)制訂了確定的指標(biāo)和參數(shù)，描述了車輛啟動(dòng)后短距離無線通信的運(yùn)行模式[3]。該標(biāo)準(zhǔn)以DSRC 通信結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以兩個(gè)模塊來劃分，即TCP/IP 協(xié)議和針對(duì)安全的協(xié)議。

針對(duì)DSRC 設(shè)備的應(yīng)用要求，DSRC 協(xié)議體系由OSI 參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層完成。物理層確定了DSRC 通信系統(tǒng)物理參數(shù)，用來完成各系統(tǒng)間的連接，提供數(shù)據(jù)傳輸、定位功能。數(shù)據(jù)幀由幀頭和幀尾分別標(biāo)志[4]。

應(yīng)用層位于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最高層，對(duì)車載酒精檢測(cè)設(shè)備與無限通信系統(tǒng)進(jìn)行信協(xié)調(diào)。應(yīng)用層由3 個(gè)核心單元組成：初始化核心單元，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的初始化；廣播核心單元，利用車載酒精檢測(cè)設(shè)備的廣播數(shù)據(jù)集中區(qū)來收集和發(fā)布信息；傳輸核心單元負(fù)責(zé)通信雙方雙向信息傳輸。

DSRC 數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)化處理，以ASN.1 抽象語(yǔ)法標(biāo)記來對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做處理。其設(shè)備通過異步串行方式與計(jì)算機(jī)相連，以115200bps 波特率基礎(chǔ)，具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，避免了奇偶校驗(yàn)位，每次以8 位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，以1 位標(biāo)志停止[5]。數(shù)據(jù)幀詳細(xì)見表1。

表1 數(shù)據(jù)幀說明

PC 與RSU 的指令連接見表2。

表2 指令說明

針對(duì)DSRC 設(shè)備的應(yīng)用要求，DSRC 協(xié)議體系是由OSI 參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層這三層來定義的。各層之間的數(shù)據(jù)傳輸由各層協(xié)議保證，規(guī)定了其數(shù)據(jù)幀的格式。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 DSRC 協(xié)議體系

4 GPS 定位修正方法

4.1 確定誤差區(qū)域

實(shí)際定位過程中，車輛的實(shí)時(shí)位置與標(biāo)準(zhǔn)位置直接存在誤差，本次設(shè)計(jì)將通過概率方法確定誤差區(qū)域。假設(shè)定位系統(tǒng)誤差的方差和協(xié)方差矩陣為：

圖4 誤差矩形

4.2 選擇匹配區(qū)域

根據(jù)D-S 理論，建立一個(gè)識(shí)別框來表示多條候選區(qū)域：

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)闡述了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)具體功能要求作了分析。同時(shí)闡述了DSRC 通信協(xié)議，車載酒精檢測(cè)設(shè)備獲取定位的有關(guān)信息，并分析了設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。此外，為了減小誤差，通過建立地圖匹配算法，用概率法來確定了GPS 位置誤差區(qū)域，簡(jiǎn)化了計(jì)算流程，以矩形區(qū)域代替誤差橢圓來完成計(jì)算。在選擇匹配區(qū)域時(shí)選擇D-S 理論來建立識(shí)別框，根據(jù)車輛的方位信息作為支持，以函數(shù)推算出具體區(qū)域。