張建軍 高志剛

技術(shù)應用

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)在車載物聯(lián)網(wǎng)中的應用

張建軍 高志剛

（廣州通達汽車電氣股份有限公司，廣東 廣州 510700）

設計一款基于多核處理器LS1043A和5G通信模塊SRM815的5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)，其中LS1043A為邊緣計算網(wǎng)關(guān)的核心，負責設備協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)融合；SRM815模塊支持5G NR , LTE-TDD, TE-FDD等無線網(wǎng)絡通信。5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)是車載物聯(lián)網(wǎng)的中樞，為車載設備提供無線通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)車載設備遠程運維，同時對車載設備的數(shù)據(jù)進行預處理、融合，減少云平臺的計算壓力和網(wǎng)絡帶寬，為公交公司節(jié)省運營成本。

5G通信；邊緣計算；邊緣網(wǎng)關(guān)；車載物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

城市公共交通是與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的重要基礎(chǔ)設施，是關(guān)系國計民生的社會公益事業(yè)。“城市公共交通發(fā)展的十三五規(guī)劃”明確指出：建設與移動互聯(lián)網(wǎng)深度融合的智能公交系統(tǒng)；推進“互聯(lián)網(wǎng)+城市公交”發(fā)展；推進多元化公交服務網(wǎng)絡建設。

智能公交系統(tǒng)加載越來越多的車載系統(tǒng)，如主動安全預警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、360環(huán)視系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)、智能終端、乘客信息系統(tǒng)、乘客收銀系統(tǒng)、安全智能報警系統(tǒng)等。有些車載系統(tǒng)沒有無線通信功能，無法連接云平臺，給公交公司的遠程運維帶來困難；有些車載系統(tǒng)的視頻、圖片和數(shù)據(jù)需要上傳到云平臺，這對云平臺的運算處理能力和網(wǎng)絡帶寬要求越來越高。如何運維這些車載系統(tǒng)并減少無用信息的上傳，已成為公交公司降低運營成本的重要訴求。

第五代移動通信技術(shù)（5th generation mobile communication technology, 5G）具有高數(shù)據(jù)傳輸率的特點，最高可達10Gb/s，可滿足大數(shù)據(jù)量傳輸[1-2]。邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力，就近提供邊緣智能服務[3-5]。5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)利用5G的高數(shù)據(jù)傳輸率滿足大量車載系統(tǒng)同時聯(lián)網(wǎng)需求；并利用邊緣計算能力對不同車載系統(tǒng)的視頻、圖片和數(shù)據(jù)進行融合，提煉有價值的信息上傳到云平臺。

1 5G 邊緣計算網(wǎng)關(guān)的硬件設計

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件由電源模塊、CPU模塊、5G模塊、WiFi模塊、以太網(wǎng)模塊、MCU、CAN模塊和串口模塊等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 5Ｇ邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 電源模塊

電源模塊采用二級電源轉(zhuǎn)換電路，第一級利用MP9457將24 V電壓轉(zhuǎn)換為12 V；第二級利用MP2235、TPS51100、MP65151等多個電源芯片，將12 V電壓轉(zhuǎn)換成智能公交系統(tǒng)需要的5 V、3.8 V、3.3 V、1.5 V、1.2 V、1.0 V等。在電源模塊增加共模電感濾波電路、車載TVS保護電路，使得5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)可以通過車載EMC標準。12 V電壓處并聯(lián)5個10 F的法拉電容，當設備意外斷電時，法拉電容存儲的電量可使CPU模塊繼續(xù)工作15 s，存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)，執(zhí)行關(guān)機流程，避免關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失和文件損壞。

1.2 CPU模塊

CPU模塊由復位監(jiān)控電路、時鐘單元電路、CPU芯片、DDR3芯片、eMMC芯片等組成。其中CPU芯片采用一款性價比高、功耗低、集成度高的通信處理器LS1043A[6]。復位監(jiān)控電路采用TPS3823芯片，具有電壓復位和硬件看門狗復位功能，提高系統(tǒng)長時間運行的可靠性。DDR3芯片采用1 Gbyte的MT41K256M16TW，總線帶寬可達51.2 Gb/s，為CPU程序高速運行提供外部內(nèi)存。eMMC芯片采用 64 Gbyte的THGBMFG8C2LBAIL，提供系統(tǒng)程序和應用數(shù)據(jù)的存儲空間。

1.3 5G模塊

5G模塊采用SRM815，其是一款支持5G NR，LTE-TDD，TE-FDD，WCDMA的無線通信模組[7]。CPU和5G通信模組通過USB3.0進行數(shù)據(jù)傳輸，通信帶寬為5 Gb/s，可滿足大量數(shù)據(jù)交換需求。經(jīng)實際網(wǎng)絡測試，最大上行速率為150 Mb/s，最大下行速率為500 Mb/s。

1.4 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊由PHY芯片、交換機芯片、網(wǎng)絡變壓器、RJ45接口等組成，可提供8個千兆以太網(wǎng)接口，結(jié)構(gòu)如圖2所示。PHY芯片AR8033為千兆芯片，通過SGMII接口與CPU交換數(shù)據(jù)。交換機芯片RTL8370N為8口千兆交換機芯片。

圖2 以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖

2 5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件設計

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件設計采用Linux應用程序開發(fā)。軟件主要由Linux系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)用、庫函數(shù)、協(xié)議解析應用程序、5G通信應用程序、數(shù)據(jù)融合應用程序、設備管控應用程序等組成，架構(gòu)如圖3所示。

圖3 5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

2.1 協(xié)議解析應用程序

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)連接各種不同的車載終端，有不同的通信協(xié)議。協(xié)議解析應用程序具備協(xié)議自適應功能，可減少5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)使用過程中的程序開發(fā)。協(xié)議自適應流程如圖4所示，由網(wǎng)關(guān)協(xié)議配置界面、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)解析進程和外設采集進程組成。

通過網(wǎng)關(guān)協(xié)議配置界面，添加需要采集的信息和定義，再根據(jù)界面配置信息自動生成協(xié)議配置文件。網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)解析進程對配置文件進行解析，并將解析后的參數(shù)節(jié)點和定義傳輸?shù)酵庠O采集進程。外設采集進程根據(jù)參數(shù)節(jié)點和定義采集相應的數(shù)據(jù)，再通過通信模塊反饋給主控制單元。主控制單元根據(jù)業(yè)務需要對數(shù)據(jù)進行處理、存儲、上傳，從而實現(xiàn)外設協(xié)議的自適應解析和數(shù)據(jù)采集功能。

2.2 數(shù)據(jù)融合應用程序

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)融合應用程序架構(gòu)如圖5所示。5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)先將采集的三維數(shù)據(jù)信息、車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、AI報警數(shù)據(jù)匯總；再根據(jù)提前建立的數(shù)據(jù)模型對不同維度的異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合分析；最后，根據(jù)分析結(jié)果判斷司機是否有急加速、急減速、跟車過近、超速等違規(guī)駕駛行為。

圖4 5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)協(xié)議自適應流程

圖5 5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)融合應用程序架構(gòu)

3 5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)在車載物聯(lián)網(wǎng)中的應用

基于5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)的公交巴士車聯(lián)網(wǎng)解決方案如圖6所示，所有車載系統(tǒng)都通過5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)連接到巴士在線云平臺，主要包括網(wǎng)絡、多維度數(shù)據(jù)融合和設備運維等功能。

3.1 網(wǎng)絡功能

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)有8路以太網(wǎng)接口、3路RS485接口、3路RS232接口和2路CAN接口，可為所有車載系統(tǒng)提供網(wǎng)絡。5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接口連接主動安全預警系統(tǒng)、車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)、360環(huán)視系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)，為其提供高速上網(wǎng)通路；通過RS485或RS232連接智能終端、乘客信息系統(tǒng)、乘客收銀系統(tǒng)、車載安全智能報警系統(tǒng)等，為其提供低速上網(wǎng)通路。

3.2 多維度數(shù)據(jù)融合功能

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)利用協(xié)議自適應解析程序，采集車輛的運行信息、位置信息、前向道路信息等。這些信息來自不同系統(tǒng)，相互之間容易形成信息孤島，5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)能夠借助自身強大的處理能力對這些數(shù)據(jù)進行融合分析，如對CAN采集器的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、智能調(diào)度終端的組合定位數(shù)據(jù)和安全預警終端的報警數(shù)據(jù)融合分析，可提升車道偏離、司機駕駛行為分析等報警的準確性。

圖6 基于5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)的公交巴士車聯(lián)網(wǎng)解決方案

3.3 設備運維功能

5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)采集車載設備的軟硬件版本、網(wǎng)絡狀態(tài)、溫度、工作電壓、故障等信息，將這些設備信息實時上傳到巴士在線云平臺。巴士在線云平臺對收到的信息進行分類統(tǒng)計、展示，并對整車設備進行遠程診斷和實時監(jiān)控。巴士在線云平臺通過5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡給車載設備進行參數(shù)設置和升級，方便設備遠程和批量操作，提高設備運維的便捷性。

4 結(jié)語

本文設計一款5G邊緣計算網(wǎng)關(guān)，為車載系統(tǒng)提供網(wǎng)絡，按照統(tǒng)一的通信協(xié)議連接到巴士在線云平臺，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信、設備運維。同時，利用協(xié)議解析、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，減少巴士在線云平臺信息的傳遞。

[1] 衷宇清,王浩,林澤兵,等.基于5G的邊緣計算網(wǎng)關(guān)及其在電網(wǎng)中的應用[J].自動化應用,2020(6):61-63.

[2] 楊明,樊海劍,楊曉珍.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國新通信,2021,23(7):1-2.

[3] 殳雪城,范平清.基于邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].電子器件,2019,42(6):1569-1573,1577.

[4] 王其朝,金光淑,李慶,等.工業(yè)邊緣計算研究現(xiàn)狀與展望[J].信息與控制,2021,50(3):257-274.

[5] 羅達,張陽,向運琨.基于邊緣計算的智慧能源網(wǎng)關(guān)[J].電工技術(shù),2020,19:143-146.

[6] 恩智浦半導體公司.QorIQ LS1043A and LS1023A datasheet [M].荷蘭,(出版社不詳),2019.

[7] 美格智能技術(shù)有限公司.5G SRM815模組硬件設計手冊[M].深圳,(出版社不詳),2020.

Application of 5G Edge Computing Gateway in Vehicle Internet of Things

Zhang Jianjun Gao zhigang

（Guangzhou Tongda Auto Electric Co., Ltd. Guangzhou 510700, China）

A 5G edge computing gateway based on multi-core processor LS1043A and 5G communication module SRM815 is designed. LS1043A is the core of edge computing gateway, which is responsible for device protocol conversion, data preprocessing and data fusion. SRM815 module supports 5G NR, LTE-TDD, TE-FDD and other wireless network communication. 5G edge computing gateway is the network center of on-board Internet of things. It provides wireless communication network for on-board equipment to realize remote operation and maintenance of on-board equipment. At the same time, it carries out data preprocessing and data fusion for on-board equipment data, reduces the computing pressure and network bandwidth of cloud platform, and saves operation cost for bus companies.

5G communication; edge computing; edge gateway; vehicle internet of things

張建軍，男，1975年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：GPS、視頻監(jiān)控、人工智能等。E-mail: Zhangjj@tongda.cc

TP391.8

A

1674-2605(2021)04-0010-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.04.010