張東偉，王文揚(yáng)，杜明星，魏克新

（1.天津理工大學(xué)，天津 300380；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車保有量持續(xù)增長，汽車已經(jīng)變成人們除“家與辦公室”以外的第三個(gè)重要空間。繼智能家居之后，作為日常出行的主要交通工具，人們?cè)絹碓疥P(guān)注車輛操控的智能化與便捷性。然而現(xiàn)有大多數(shù)交通信息服務(wù)系統(tǒng)存在著信息采集有限、分析處理簡單、傳輸發(fā)布不及時(shí)等問題，未能實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的充分協(xié)調(diào)與優(yōu)化。車聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為車輛的智能化控制提供了有效的契機(jī)，車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在車-車、車輛與互聯(lián)網(wǎng)之間，進(jìn)行無線通信和信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動(dòng)態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)[1]。本文研究并設(shè)計(jì)的一種基于車聯(lián)網(wǎng)的車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入網(wǎng)所有車輛的屬性信息和動(dòng)、靜態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和利用，并根據(jù)不同需求對(duì)整合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車輛主動(dòng)實(shí)施信息共享、智能化管理和控制[2,3]，并為用戶提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的車輛信息、路況信息、車輛位置信息和多元化的流媒體服務(wù)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于車聯(lián)網(wǎng)的車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化控制、車輛工程等技術(shù)的綜合管理系統(tǒng)，主要由車輛云服務(wù)平臺(tái)、車載終端、用戶APP三部分構(gòu)成。車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

1.2 車輛云服務(wù)平臺(tái)

車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)具有多用戶，多業(yè)務(wù)，高并發(fā)等特點(diǎn)，作為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)層的核心組成部分，車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建直接關(guān)系到系統(tǒng)的處理性能及后期的維護(hù)與升級(jí)。目前車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括C/S（Client/Server）架構(gòu)和B/S（Browser/Server）架構(gòu)。其中C/S架構(gòu)需要開發(fā)專門的客戶端軟件，在客戶端實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)的業(yè)務(wù)邏輯處理和界面展示，容易受到客戶端類型的限制，擴(kuò)展性不強(qiáng)。此外，C/S架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的過程中采用PPP協(xié)議，該協(xié)議只是針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，協(xié)議兼容性不強(qiáng)。相比于C/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)的客戶端能夠簡化為一個(gè)Web瀏覽器，并將主要事務(wù)邏輯及數(shù)據(jù)處理集中在服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，減少系統(tǒng)維護(hù)及升級(jí)成本。故本設(shè)計(jì)采用基于B/S架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，搭建Web瀏覽器及服務(wù)器實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程控制及其他擴(kuò)展服務(wù)。其中服務(wù)器的選擇尤為關(guān)鍵，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器需要對(duì)每一輛接入網(wǎng)絡(luò)的汽車進(jìn)行全方位的監(jiān)控與控制，完成大范圍、大容量的數(shù)據(jù)交互，對(duì)服務(wù)器的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交互能力有很高的要求。

圖1 車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

云計(jì)算服務(wù)是近年來發(fā)展起來的一個(gè)重要的IT技術(shù)，而云服務(wù)器是云計(jì)算服務(wù)的重要組成部分，能夠?yàn)橛脩籼峁┖唵胃咝?、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)，平臺(tái)運(yùn)營商只需提供一定的租賃費(fèi)用就可以享受相應(yīng)的計(jì)算及存儲(chǔ)服務(wù)，完全能夠滿足車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要的計(jì)算及存儲(chǔ)資源，而且整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)也由廠商提供，減少維護(hù)及升級(jí)成本。綜上所述，本設(shè)計(jì)中采用基于B/S架構(gòu)及云服務(wù)器的車輛云服務(wù)平臺(tái)。

該平臺(tái)的主要功能是對(duì)車載終端上傳的海量車輛實(shí)時(shí)信息及用戶發(fā)布的控制指令進(jìn)行存儲(chǔ)和綜合加工分析，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)用戶的訂閱及興趣點(diǎn)提供各類綜合擴(kuò)展服務(wù)。系統(tǒng)中車載終端與車輛云服務(wù)平臺(tái)后臺(tái)的通信協(xié)議基于MQTT協(xié)議，MQTT協(xié)議是IBM開發(fā)的一種建立在TCP/IP協(xié)議之上，面向M2M和物聯(lián)網(wǎng)的連接協(xié)議，該協(xié)議采用輕量級(jí)發(fā)布和訂閱消息傳輸機(jī)制。用戶可以通過手機(jī)APP向車輛云平臺(tái)發(fā)送遠(yuǎn)程通信指令，云平臺(tái)通過消息推送將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的被控車輛完成操作；用戶也可以通過車載終端訂閱流媒體服務(wù)，例如路況指南、天氣、新聞等。借助其消息推送功能，可以更好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和流媒體傳輸。

1.3 車載終端

車載終端是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層的關(guān)鍵組成部分，其主要功能是完成車輛狀態(tài)信息的采集上報(bào)及上層控制命令到CAN網(wǎng)絡(luò)層的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)終端系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及可靠性有很高的要求。目前常見的車載終端基于CORTEX-M3單片機(jī)構(gòu)建，通過擴(kuò)展GPRS通信模塊、GPS定位模塊及CAN總線通信模塊完成車輛狀態(tài)信息的采集上報(bào)，實(shí)現(xiàn)的功能較為簡單且系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性及可移植性較差，只能滿足基本的車輛監(jiān)控需求[4]。針對(duì)上述問題，本設(shè)計(jì)中車載終端基于ARM平臺(tái)構(gòu)建，嵌入Linux操作系統(tǒng)，以恩智浦I.MX6高性能處理器為核心，通過擴(kuò)展4G無線通信模塊，GNSS定位模塊，WiFi/藍(lán)牙模塊，CAN通信模塊，電源管理模塊等構(gòu)成硬件平臺(tái)，完成終端硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，根據(jù)不同的功能需求，終端硬件可做出相應(yīng)裁減，大大提升系統(tǒng)的可靠性及可移植性。終端硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智能終端硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

1）核心處理器

核心處理模塊主要控制和協(xié)調(diào)各模塊工作，為提高系統(tǒng)運(yùn)算能力和可靠性，選用NXP生產(chǎn)的I.MX6Q主控芯片作為車載終端的核心處理器。I.MX6Q是基于ARM Cortex A9內(nèi)核的微處理器，主頻可達(dá)1.2GHz，且提供豐富的外圍接口和高性能運(yùn)算處理能力，為地圖數(shù)據(jù)的處理提供可靠保障。

2）4G通信模塊

選用華為ME909s-821作為智能終端通信模塊，ME909s-821支持LTE/HSDPA/GSM/GPRS多頻段解決方案，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，最大支持下行速率150Mbps和上行速率10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，與其他同類產(chǎn)品相比，ME909s-821支持最全的工作頻段和最快數(shù)據(jù)傳輸速度，更為適合對(duì)可靠性與實(shí)時(shí)性要求較高的車載終端。同時(shí)其可支持高速USB2.0接口，方便與終端其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3）GNSS定位模塊

GNSS模塊實(shí)現(xiàn)位置信息等數(shù)據(jù)的接收和解算功能，本文通過比較選用瑞士公司u-blox推出NEO-M8L汽車慣性導(dǎo)航（ADR，Automotive Dead Reckoning）模塊，該模塊整合了運(yùn)動(dòng)、方向和高度傳感器，它具備模塊安裝不受方向性限制、里程表功能以及自主式數(shù)據(jù)記錄等特性，能在大樓林立的市區(qū)、隧道、地下室停車場等嚴(yán)格環(huán)境中提供可靠與不中斷的定位功能。除此之外，該模塊能追蹤所有可視的GNSS衛(wèi)星，包括GNSS、GLONASS、北斗和所有的SBAS系統(tǒng)，并且能以高達(dá)每秒20次的速度輸出定位信息，為車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控及導(dǎo)航提供位置信息。

4）CAN通信模塊

CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)是車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)采用汽車級(jí)高速CAN收發(fā)器TJA1043，可用于較高干擾環(huán)境下，在不同速率下均有良好的收發(fā)能力。此外，為防止CAN總線數(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)啟動(dòng)過程中丟失，采用MPC5604B作為CAN控制器，它與主處理器imx6之間采用SPI總線方式通信，這樣可以大大減少引腳數(shù)量。其主要作用是在系統(tǒng)未完全啟動(dòng)之前將CAN總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EMMC中，待系統(tǒng)啟動(dòng)后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街魈幚砥?。保證CAN總線數(shù)據(jù)的完整性及系統(tǒng)可靠性。

1.3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

隨著汽車與互聯(lián)網(wǎng)互動(dòng)信息服務(wù)能力以及車輛交互實(shí)時(shí)性的進(jìn)一步提高，對(duì)軟件操作系統(tǒng)的要求也隨之提高。因此，選用一款功能強(qiáng)大且易于維護(hù)的操作系統(tǒng)軟件支撐終端硬件系統(tǒng)的運(yùn)行尤為關(guān)鍵。而性能優(yōu)良、源碼開放的Linux具有體積小、內(nèi)核可裁減、網(wǎng)絡(luò)功能完善、可移植性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為嵌入式操作系統(tǒng)。故本設(shè)計(jì)中采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)作為底層軟件的支撐平臺(tái)。系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)包括：硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序接口（API）層和應(yīng)用層[5]。

軟件設(shè)計(jì)主要是在成功移植Linux操作系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)各硬件模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用層系統(tǒng)調(diào)用和線程處理程序，并通過創(chuàng)建互斥信號(hào)量及共享內(nèi)存的方式完成線程間的通信，從而控制整個(gè)終端系統(tǒng)的運(yùn)行。

1） Linux系統(tǒng)移植

對(duì)Linux操作系統(tǒng)的移植主要包括：內(nèi)核、根文件系統(tǒng)與引導(dǎo)程序三部分。大量的工程實(shí)踐表明Linux內(nèi)核2.6版本對(duì)ARM處理器有很好的支持[6]，并選用u-boot作為嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)程序。為完成Linux系統(tǒng)向ARM平臺(tái)的移植，需要在Linux主機(jī)配置ARM架構(gòu)下的交叉編譯環(huán)境，具體流程如下：

（1）配置GCC交叉編譯工具，將系統(tǒng)架構(gòu)修改為ARM；

（2）下載Linux內(nèi)核及u-boot源碼并配置Linux開發(fā)環(huán)境；

（3）根據(jù)所選CPU類型及系統(tǒng)所需的硬件驅(qū)動(dòng)重新配置內(nèi)核；

（4）編寫makefile文件，編譯工具為配置的交叉編譯工具，完成編譯環(huán)境的搭建；

（5）通過搭建的編譯環(huán)境完成內(nèi)核、u-boot的配置與編譯，最后將編譯好的bin文件通過MFG工具燒錄到目標(biāo)板中，完成系統(tǒng)移植。

2）應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、CAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文收發(fā)、4G網(wǎng)絡(luò)通信等功能。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)I.MX6微處理器各寄存器及外圍硬件模塊進(jìn)行初始化，然后系統(tǒng)調(diào)度相應(yīng)線程實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

（1）模塊初始化

主要介紹CAN及4G網(wǎng)絡(luò)模塊的初始化，通過調(diào)用can_init(CAN_NAME, CAN_BITRATE)函數(shù)及宏定義的方式設(shè)置CAN網(wǎng)絡(luò)通道并將波特率設(shè)置為500kHz。

通過調(diào)用net_init(char* net_name)函數(shù)及宏定義的方式完成4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊的初始化，設(shè)置車輛云平臺(tái)的IP地址和端口號(hào)，并通過調(diào)用socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)函數(shù)設(shè)置IPv4網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，建立TCP連接實(shí)現(xiàn)車載終端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）線程調(diào)度

為了滿足車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的多任務(wù)、并發(fā)性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用五個(gè)線程完成預(yù)定工作，包括CAN報(bào)文接收線程、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文收發(fā)線程、GNSS數(shù)據(jù)接收線程及應(yīng)用程序主線程。本文重點(diǎn)介紹了CAN報(bào)文接收線程和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接收線程。

CAN報(bào)文接收線程實(shí)時(shí)接收CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文獲取車身信息，發(fā)動(dòng)機(jī)信息和故障信息等。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性并提高數(shù)據(jù)處理速率，使用select（）函數(shù)監(jiān)聽CAN網(wǎng)絡(luò)套接字，當(dāng)被監(jiān)聽的網(wǎng)絡(luò)套接字接收到數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)自動(dòng)讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，省去不斷輪詢CAN網(wǎng)絡(luò)套接字描述符的步驟 。

車載終端通過4G模塊與云平臺(tái)建立TCP連接之后，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文收發(fā)線程會(huì)主動(dòng)上發(fā)鑒權(quán)報(bào)文，完成車輛到云平臺(tái)的合法登入，然后在車輛處于完全設(shè)防狀態(tài)時(shí)（即靜態(tài)時(shí)）實(shí)時(shí)接收并解析平臺(tái)下發(fā)的控制指令，并在車輛運(yùn)行時(shí)將實(shí)時(shí)采集的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)按照既定的通信協(xié)議打包發(fā)送到云平臺(tái)。此外，為了維持車輛與云平臺(tái)的TCP連接， 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文收發(fā)線程會(huì)定時(shí)向平臺(tái)上發(fā)心跳信息。

（3）線程間的同步與通信

在各個(gè)進(jìn)程中通過調(diào)用pthread_mutex_lock( )、wait_cond_timeout( )、pthread_cond_signal( )、pthread_mutex_unlock( )等函數(shù)實(shí)現(xiàn)線程間的同步。本文以車載終端（T-Box）與CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)車身控制器（BCM）之間的認(rèn)證說明這種同步方式。T-Box與BCM的認(rèn)證流程如圖3所示。

圖3 T-Box與BCM的認(rèn)證流程圖

如圖所示，車載終端與BCM之間完成同步交互才能保證認(rèn)證順利通過，但終端程序中CAN報(bào)文的發(fā)送與接收屬于不同的線程，很容易造成終端還沒有接收到BCM發(fā)送的隨機(jī)數(shù)就已經(jīng)把認(rèn)證結(jié)果發(fā)出導(dǎo)致認(rèn)證失敗的bug。為了避免這種情況，在認(rèn)證密鑰發(fā)送函數(shù)和隨機(jī)數(shù)接收函數(shù)中分別加入wait_cond_timeout（）函數(shù)和pthread_cond_signal（）函數(shù)及相應(yīng)的互斥鎖，這樣認(rèn)證密鑰發(fā)送進(jìn)程會(huì)一直等待判斷條件成立，直到終端接收到隨機(jī)數(shù)之后使其等待的條件成立，然后發(fā)送認(rèn)證密鑰，進(jìn)而完成兩個(gè)線程間的同步。

此外，通過訪問共享內(nèi)存的方式可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信。如將CAN網(wǎng)絡(luò)接收線程接收到的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)存放在預(yù)先定義的共享緩沖區(qū)，屬于全局共享資源，車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)線程可以直接訪問共享緩存區(qū)獲得所需的數(shù)據(jù)完成上報(bào)。其中，為避免多個(gè)線程同時(shí)訪問共享內(nèi)存去而造成混亂，設(shè)計(jì)一個(gè)互斥信號(hào)量確保每次只有一個(gè)線程通過調(diào)用pthread_mutex_lock( )函數(shù)獲得互斥信號(hào)量訪問共享緩沖區(qū)，并在數(shù)據(jù)訪問完畢后，調(diào)用pthread_mutex_unlock( )釋放該信號(hào)量。

2 功能模式

1）遠(yuǎn)程控制

由用戶通過手機(jī)APP下發(fā)控制指令，經(jīng)云平臺(tái)推送至相應(yīng)車輛終端，然后終端將指令執(zhí)行結(jié)果上傳至云平臺(tái)，云平臺(tái)再推送給用戶。遠(yuǎn)程控制功能具體包括遠(yuǎn)程解閉鎖、遠(yuǎn)程啟動(dòng)/關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)及空調(diào)、遠(yuǎn)程尋車、遠(yuǎn)程一鍵升降窗、遠(yuǎn)程診斷、地圖柵欄等。

2）安防救援

安防救援包括防盜入侵，即當(dāng)車輛處于設(shè)防狀態(tài)時(shí)發(fā)生入侵，則上報(bào)入侵狀態(tài)至后臺(tái)，后臺(tái)推送至用戶APP；E-Call，即車輛被撞之后的緊急救援，當(dāng)車輛被撞（或者手動(dòng)按下SOS按鍵）后車載終端首先將車輛GNSS位置信息上報(bào)給后臺(tái)服務(wù)器，而后自動(dòng)撥打救援中心服務(wù)電話。此外，終端還包括B-Call和I-Call等功能。

3）流媒體服務(wù)

流媒體服務(wù)包括娛樂資訊（新聞、天氣、違章查詢、在線音樂）、云端信息推送、云端自然語音識(shí)別（打電話、音樂控制、收音機(jī)控制、導(dǎo)航控制、查詢天氣、興趣點(diǎn)推送，酒店賓館的咨詢，并將地址推送到車內(nèi)）。這些服務(wù)車載終端僅提供網(wǎng)絡(luò)通道。此外，車載終端還可以向車內(nèi)提供Wi-Fi熱點(diǎn)服務(wù)。

4）在線升級(jí)

云服務(wù)器向用戶APP推送車載終端在線升級(jí)服務(wù)，用戶下發(fā)升級(jí)指令后車載終端通過OTA方式從云服務(wù)器獲取升級(jí)文件，對(duì)車載終端中MCU程序進(jìn)行刷新。

3 測(cè)試驗(yàn)證

本文采用德國Vector公司開發(fā)的一款總線開發(fā)環(huán)境CANoe對(duì)車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證包括在CANoe開發(fā)環(huán)境中搭建整車CAN網(wǎng)絡(luò)模型及CAN網(wǎng)絡(luò)中與車載終端交互的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，如車身控制器（BCM），空調(diào)（AC）等，并通過CANoe總線接口與車載終端連接，然后通過手機(jī)APP向車載終端下發(fā)相應(yīng)的控制指令完成遠(yuǎn)程解閉鎖、遠(yuǎn)程啟動(dòng)/關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)及空調(diào)、遠(yuǎn)程尋車等操作，驗(yàn)證表明該系統(tǒng)滿足功能及設(shè)計(jì)需求，后續(xù)將進(jìn)行實(shí)車測(cè)試使用。CANoe測(cè)試模型如圖4所示。

圖4 CANoe測(cè)試模型

4 結(jié)束語

車輛網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)正在形成一個(gè)熱潮，本文所設(shè)計(jì)的車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)車輛與用戶雙向互動(dòng)的橋梁，具有全面的數(shù)據(jù)采集分析能力與網(wǎng)絡(luò)交互能力，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)滿足多任務(wù)和實(shí)時(shí)性的要求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各種功能模式。此外，本文給出了基于車聯(lián)網(wǎng)的車輛遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的詳細(xì)功能介紹以及車載終端的軟硬件設(shè)計(jì)方案，對(duì)今后車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)有一定參考價(jià)值。

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