基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基金項(xiàng)目：

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目 “基于磁場定向控制無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究與應(yīng)用”（編號：2022KY1129）；2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)視域下貨運(yùn)物流運(yùn)輸安全應(yīng)用平臺的研究”（編號：2022KY1130）

作者簡介：

覃 喜（1991—），碩士，副教授，研究方向：嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

摘要：文章所提出的車輛數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)方案，集成了傳感器、無線通信、數(shù)據(jù)處理和用戶界面，實(shí)現(xiàn)了車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通信和智能分析。該方案利用高精度傳感器監(jiān)測車輛狀態(tài)，通過無線通信技術(shù)保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，重視數(shù)據(jù)安全性和隱私保護(hù)，確保用戶信息安全；采用數(shù)據(jù)處理算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過用戶界面直觀展示結(jié)果。經(jīng)過實(shí)際測試和評估，驗(yàn)證了該方案的有效性和實(shí)用性，可為推動(dòng)智慧交通系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：車輛數(shù)據(jù)終端；智慧交通系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測；數(shù)據(jù)安全

中圖分類號：U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 52 173 3

0 引言

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的當(dāng)下，國民生活水平不斷提升，對出行便利性的需求日益增長。汽車作為普及的交通工具，極大地便捷了人們的跨區(qū)域出行。然而，汽車硬件的磨損和疲勞問題也帶來了安全隱患，影響了車輛的行駛安全。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)方案，通過集成傳感器、無線通信、數(shù)據(jù)處理和用戶界面等模塊，能夠?qū)囕v的行駛狀態(tài)、駕駛行為和路況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。該終端的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)對車輛問題的早期發(fā)現(xiàn)、故障檢測和預(yù)防性維護(hù)，從而減少維修次數(shù)和降低維護(hù)成本，并通過安全預(yù)警系統(tǒng)降低交通事故的發(fā)生率。此外，該終端的實(shí)施不僅為交通安全提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，也為智能汽車技術(shù)的創(chuàng)新和汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了推動(dòng)力。因此，車輛數(shù)據(jù)終端的研究與開發(fā)，對于提升汽車行駛安全、促進(jìn)汽車行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要的學(xué)術(shù)和實(shí)踐價(jià)值，是當(dāng)前研究者亟須深入探討的課題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，車輛數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)綜合性架構(gòu)，涵蓋了從數(shù)據(jù)采集到用戶交互的全過程。該系統(tǒng)由感知層、數(shù)據(jù)采集與處理層、通信層、數(shù)據(jù)中心層、應(yīng)用層、安全與隱私保護(hù)層以及維護(hù)與支持層組成。感知層利用多種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集與處理層對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和緩存；通信層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過無線模塊如4G/5G，將加密的數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定地傳輸至數(shù)據(jù)中心層；數(shù)據(jù)中心層作為系統(tǒng)的大腦，不僅存儲和管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還通過數(shù)據(jù)分析引擎進(jìn)行深度分析，提供決策支持；應(yīng)用層為用戶提供了多種訪問方式，包括移動(dòng)應(yīng)用和Web應(yīng)用，同時(shí)提供第三方接口以供保險(xiǎn)、維修等服務(wù)接入；安全與隱私保護(hù)層確保了數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的安全性，通過數(shù)據(jù)加密、訪問控制和隱私保護(hù)等措施［1］，保障用戶信息的安全；維護(hù)與支持層則為系統(tǒng)的日常運(yùn)維和用戶支持提供保障。整個(gè)系統(tǒng)的核心在于高效地將車輛數(shù)據(jù)傳輸至云平臺，并允許不同角色的人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效使用，從而實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障預(yù)警和智能分析，為車輛安全行駛和智慧交通系統(tǒng)的構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器信息采集

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的車輛數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)中，感知層的設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)車輛行駛安全遠(yuǎn)程智能監(jiān)測至關(guān)重要。該層通過一系列高精度傳感器，采集車輛在行駛過程中的關(guān)鍵狀態(tài)信息，包括速度、燃油消耗、冷卻液溫度、輪胎壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

本研究中，速度傳感器選用了LSM9DS1TR型號，該傳感器以其16位的高分辨率和低功耗特性，通過SPI接口提供了精確的速度測量。油耗監(jiān)測采用了具有±0.5%測量精度的超聲波液位傳感器，其測量范圍廣泛，最大功耗低，通過RS232/RS485接口輸出數(shù)據(jù)。冷卻液溫度傳感器MIK-WZPK以其快速的熱響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定的4～20 mA變送輸出，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)。輪胎壓力監(jiān)測則采用了FXTH87EH11 DT1型號的傳感器，該傳感器尺寸緊湊，通過無線RF信號輸出，方便了輪胎壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器cs-1g-075-05-00，憑借其寬廣的測量范圍和穩(wěn)定的電壓工作范圍，通過X12K4P四芯插頭輸出，確保了發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測。

感知層的數(shù)據(jù)采集不僅限于行駛過程中，還包括了車輛起步、停止等關(guān)鍵階段的信息，這些信息對于構(gòu)建完整的行駛模式分析至關(guān)重要。采集到的數(shù)據(jù)通過4G/5G通信模塊及NB-IoT模塊傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，該中心采用SQLServe數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對車輛行駛狀態(tài)和GPS定位信息的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2.2 北斗定位信息采集

在本研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)中，為了提升汽車行駛定位監(jiān)測的響應(yīng)速度和精度，集成了型號為ATK-S1216的北斗/GPS雙模定位模塊［2］。該模塊以其低功耗設(shè)計(jì)和高效的GSM/GPRS無線通信能力，為車輛行駛定位提供了一種精確且實(shí)時(shí)的解決方案。模塊的緊湊設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化的2.54排針接口，便于與外部設(shè)備連接，并通過串口通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。遵循NMEA-0183通信協(xié)議，ATK-S1216模塊能夠?qū)崿F(xiàn)2.5 m CEP的高定位精度和最大20 Hz的數(shù)據(jù)更新頻率，確保了車輛位置信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。該部分的電路如圖2所示。

該模塊的捕捉追蹤靈敏度為-165 dBm，支持L1頻段1 575.42 MHz和B1頻段1 561.098 MHz，具備32通道處理能力和20 ns的高授時(shí)精度。這些技術(shù)參數(shù)的集合，使得ATK-S1216模塊在定位精度和速度上均展現(xiàn)出優(yōu)于市場上同類產(chǎn)品的性能。

2.3 通信模塊電路設(shè)計(jì)

在本研究的車輛數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中，車載終端負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)與GPS定位信息，并通過GPRS或4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。平臺上部署了數(shù)據(jù)處理算法和分析工具，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對車輛行駛路徑的精確追蹤與記錄，顯著提升了車輛監(jiān)控的準(zhǔn)確性與響應(yīng)速度。

車輛數(shù)據(jù)終端所采用的5G通信模塊FG150-AE由深圳廣和通公司開發(fā)，支持5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）及非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）架構(gòu)，具備優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)承載力、高速傳輸性能以及低延遲特性。該模塊采用LGA封裝方式，向下兼容LTE與WCDMA網(wǎng)絡(luò)，適用于智能網(wǎng)關(guān)、工業(yè)監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、無人機(jī)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。FG150-AE模塊內(nèi)建的USB3.1高速接口，支持最高10 G bps的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于數(shù)據(jù)傳輸、固件升級、軟件調(diào)試及AT命令發(fā)送等多樣化應(yīng)用場景。在本系統(tǒng)架構(gòu)中，F(xiàn)G150-AE模塊通過USB3.0接口與主控單元相連，確保了車輛數(shù)據(jù)終端與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)傳輸高效穩(wěn)定，從而保障了整個(gè)車輛監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的高效率和高可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本研究的車輛數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)采用了開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS，該系統(tǒng)因其高效的多任務(wù)處理能力而被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，為車輛數(shù)據(jù)終端的軟件基礎(chǔ)提供了有力支持［3］。應(yīng)用層軟件由四個(gè)模塊組成：傳感器信息采集模塊負(fù)責(zé)收集車輛狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)；定位模塊處理衛(wèi)星提供的定位數(shù)據(jù)；5G模塊作為車載智能終端與云端服務(wù)器之間的通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸；程序監(jiān)控模塊則監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)訪問，確保傳輸與存儲的安全性，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和封裝。這些模塊獨(dú)立運(yùn)行，由FreeRTOS內(nèi)核進(jìn)行任務(wù)管理和調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)模塊間的高效協(xié)作。通過這種設(shè)計(jì)，車輛數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)不僅能夠靈活適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)處理需求，還保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。程序流程圖如圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集流程

主控單元通過多種通信接口與各類傳感器相連，以實(shí)現(xiàn)全面的車輛狀態(tài)監(jiān)測［4］。5G通信模塊通過USB接口與主控單元連接，提供高速數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。超聲波傳感器則通過串行接口與主控通信，而速度傳感器通過SPI總線與主控的高速數(shù)據(jù)交換。冷卻液溫度傳感器利用主控單元的ADC接口將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器則通過脈沖輸入口與主控相連，提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信息。此外，無線射頻（RF）技術(shù)用于輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，而CAN總線則負(fù)責(zé)連接多個(gè)車載智能傳感器和執(zhí)行器，形成車載網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通過編程實(shí)時(shí)獲取并解析傳感器參數(shù)，提取車輛的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)打包整理后，通過5G通信模塊發(fā)送至云端服務(wù)器進(jìn)行存儲、分析和處理。

3.2 定位模塊信息的獲取

S1216F8-BD定位模塊與主控通過串口通信，通過設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位及停止位，即可完成對定位模塊的通信設(shè)置。通信設(shè)置完成后定位模塊將通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控，數(shù)據(jù)格式遵循NMEA 協(xié)議，數(shù)據(jù)包含經(jīng)緯度信息、衛(wèi)星格式、地面速度、定位精度等信息［5］。其輸出的數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中，由于只需要設(shè)備的經(jīng)緯度參數(shù)，而在圖4中“$GPGLL”開頭的字符包含經(jīng)緯度信息，通過程序函數(shù)解析其中的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并打包發(fā)送至云端。

3.3 數(shù)據(jù)加密傳輸

在車輛數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)加密傳輸對于保護(hù)車輛行駛安全和用戶隱私至關(guān)重要。系統(tǒng)采用時(shí)間戳、MD5哈希算法和密鑰加密三重機(jī)制確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性和完整性。為即將要上傳的每個(gè)數(shù)據(jù)包添加時(shí)間戳，防止重放攻擊并確保數(shù)據(jù)的時(shí)效性；利用MD5哈希算法生成數(shù)據(jù)的哈希值，任何未授權(quán)的數(shù)據(jù)篡改都會(huì)導(dǎo)致哈希值變化，從而被接收方迅速檢測；使用對稱加密算法和密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲和解讀。通過5G模塊加密后的數(shù)據(jù)包被安全傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心，中心使用相同的密鑰解密數(shù)據(jù)，并再次通過MD5哈希值驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性。這一過程不僅保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，而且為智能交通管理提供了可靠的?shù)據(jù)支持，是車輛數(shù)據(jù)終端系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。

4 測試與分析

為驗(yàn)證車輛數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)與性能，進(jìn)行了廣泛的模擬實(shí)驗(yàn)以確保程序的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性。在廣西南寧市開展實(shí)地測試，車載數(shù)據(jù)終端成功上傳數(shù)據(jù)至云服務(wù)器，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與車輛行駛軌跡相符，相關(guān)結(jié)果見圖5、圖6。

該終端實(shí)現(xiàn)了車輛設(shè)備信息和位置信息的實(shí)時(shí)上傳至云平臺。服務(wù)器分析了包括行駛軌跡、駕駛行為（高峰時(shí)段、疲勞駕駛、深夜行駛）、最高速度、平均車速及急減速等在內(nèi)的多項(xiàng)車輛狀態(tài)信息。試驗(yàn)結(jié)果為車輛安全管理和性能優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。后續(xù)研究將探索該終端在多樣化環(huán)境條件下的性能及智能交通系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)方案，通過集成高精度傳感器、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法和用戶界面，成功實(shí)現(xiàn)了對車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通信和智能分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重提升車輛運(yùn)行效率、保障行車安全，并優(yōu)化交通管理。實(shí)際測試表明，該終端能穩(wěn)定上傳車輛信息至云平臺，并通過服務(wù)器深入分析關(guān)鍵指標(biāo)，為車輛安全管理和性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。軟件設(shè)計(jì)采用FreeRTOS操作系統(tǒng)，確保系統(tǒng)高效運(yùn)行和可擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)加密傳輸機(jī)制增強(qiáng)了數(shù)據(jù)安全性，為智能交通管理提供可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，也對智慧交通系統(tǒng)的構(gòu)建提供了實(shí)踐指導(dǎo)。

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