覃 喜

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

公路運輸是我國物流運輸行業(yè)的重要組成部分，2021年1～11月，我國公路貨運量高達(dá)357.1億t，載貨汽車保有量達(dá)3 191萬輛。在龐大的市場背后，同樣也面臨著居高不下的安全風(fēng)險，極大地阻礙著我國公路運輸效率的進(jìn)一步提升[1]。

隨著5G通信與各行各業(yè)相互融合滲透，物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等新形態(tài)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)不斷完善，有力推動汽車、交通等行業(yè)智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，也衍生出交通數(shù)字化治理和智慧出行等新興產(chǎn)業(yè)[2]。以數(shù)據(jù)驅(qū)動等管理手段有效地降低貨運物流企業(yè)潛在的安全風(fēng)險，通過智能終端和數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)“事前預(yù)防預(yù)備-事中監(jiān)控處置-事后評估反饋”三大主動安全防御系統(tǒng)對安全風(fēng)險閉環(huán)的管控與管理。本文將對貨運物流的“事中監(jiān)控處置”環(huán)節(jié)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，主要包含實時準(zhǔn)確地識別車輛狀態(tài)與道路情況，最終形成“車輛-道路-司機-環(huán)境”車載監(jiān)控智能終端的方案，對公路貨運安全建設(shè)起到一定的促進(jìn)作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，車載監(jiān)控智能終端包含：車輛即時技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控、道路運行條件監(jiān)控、綜合處理及預(yù)警3個子模塊，其核心在于依托“5G+物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)和信息決策云平臺實現(xiàn)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的一體化和閉環(huán)管控。運用智能傳感器、視頻采集、CAN總線和激光雷達(dá)等技術(shù)獲取車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)；通過路側(cè)、車載的溫濕度傳感器和北斗定位系統(tǒng)獲取車輛位置、路面條件和氣候狀況信息等；通過部署物聯(lián)網(wǎng)邊緣主機，將采集到的各個模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再通過5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至云平臺并存入數(shù)據(jù)庫；依托云計算中心的強大處理性能，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，通過與虛擬實體的連接，開展貨運物流安全的推演，從虛擬映射現(xiàn)實，實現(xiàn)全生命周期管理。

圖1 車載監(jiān)控智能終端系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 車載監(jiān)控智能終端主控

車載智能終端的核心主控為I.MX6ULL(MCIMX6Y2CVM08AB)，其主頻為792 MHz，該款芯片是NXP公司針對HMI、IoT等領(lǐng)域的MPU出品，其內(nèi)核為Cortex-A7，內(nèi)部集成電源管理，RAM支持16位的LPDDR2、DDR3及DDR3L；Flash支持NAND Flash、NOR Flash、eMMC等；在本設(shè)計中，外拓512MB的DDR3L，以及8G的EMMC；該芯片外設(shè)資源豐富，支持UART、CAN、I2C、NET和USB等接口。

在本設(shè)計中，串口1用于日常的調(diào)試，串口2用于讀取貨倉智能傳感器數(shù)據(jù)，串口4用于與定位模塊進(jìn)行連接；CAN總線用于讀取車輛的狀態(tài)信息；I2C總線則用于讀取板載的溫濕度傳感器。在硬件的設(shè)計中使用GL850G將主控的USB OTG2擴展成了4路HOST接口，其中兩路分別用于連接攝像頭與5G通信模塊。

2.2 CAN總線電路設(shè)計

CAN總線目前廣泛應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域，車上大量模塊和傳感器通過CAN總線連接；而一個完整的CAN節(jié)點則是由CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。

本設(shè)計使用I.MX6ULL主控芯片內(nèi)部自帶的FlexCAN模塊，F(xiàn)lexCAN完全符合CAN協(xié)議，支持CAN2.0B協(xié)議；支持0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)長度，最高1 Mbit/S的編程速度；支持標(biāo)準(zhǔn)格式和拓展格式，最高支持8字節(jié)消息郵箱和64個消息緩沖；消息郵箱可配置為發(fā)送或接收，支持標(biāo)準(zhǔn)和擴展幀消息。消息郵箱具有獨立的接收掩碼寄存器，強大的先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)接收緩沖ID過濾[3]。

CAN收發(fā)器采用的是目前廣泛應(yīng)用于汽車電子中的TJA1050。該芯片對CAN協(xié)議完全兼容，且傳輸速率較高，其原理如圖2所示。

圖2 CAN原理圖

由圖2可知，CAN1_TX與CAN1_RX是連接到主控芯片F(xiàn)lexCAN模塊的發(fā)送和接收引腳；主控芯片通過TJA1050接收CAN總線上的數(shù)據(jù)，R10則是120 Ω的匹配電阻。

2.3 定位模塊電路設(shè)計

北斗定位的信號接收選擇S1216F8-BD模塊，該模塊是一款高性能的GPS/BDS雙模定位模塊，雙模定位模塊可接收到更多數(shù)量的衛(wèi)星信號，擴大了定位的范圍，廣泛應(yīng)用于汽車電子行業(yè)。

S1216F8-BD模塊兼容TTL電平，具有167通道，支持QZSS、WAAS、MSAS、EGNOS、GAGAN，2.5 m的水平精度，更新率1 Hz、2 Hz、4 Hz、5 Hz、8 Hz、10 Hz、20 Hz，支持NMEA-0183 V3.01，SkyTraq binary通信協(xié)議。該部分的原理如圖3所示。

圖3 定位模塊部分原理圖

S1216F8-BD模塊使用3.3 V供電，BAT為備用電源，當(dāng)主電源斷電時可繼續(xù)為片內(nèi)維持0.5 h左右的星歷數(shù)據(jù)的保存，以支持溫啟動或熱啟動，實現(xiàn)快速定位；GPS_RXD、GPS_TXD引腳分別接入主控芯片UART4_TXD、UART4_RXD引腳，與主控進(jìn)行串口通信，而圖中的PPS指示燈則是模塊工作狀態(tài)指示燈，指示燈常亮表示模塊沒定位成功，指示燈閃爍表示模塊已經(jīng)定位成功[4]。

2.4 5G模塊電路設(shè)計

5G通信模塊選用上海移遠(yuǎn)公司RM500U-CN，該模塊采用PCIe M.2封裝，同時支持5G 獨立組網(wǎng)和非獨立組網(wǎng)模式，支持雙卡，內(nèi)置多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于智慧能源、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)。

由于RM500U-CN模塊集成通用的USB串行總線，并支持USB2.0的高速480 Mbqs模式和全速12 Mbps模式以及USB3.0的超高速5 Gbps模式。USB接口可用于發(fā)送AT命令、傳輸數(shù)據(jù)、調(diào)試軟件以及升級固件。本設(shè)計中RM500U-CN模塊連接在GL850G擴展的USB2接口上，從而保證了數(shù)據(jù)交換的速率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本設(shè)計中，車載智能終端采用的NXP官方提供了移植好的Linux嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)多任務(wù)的運行和調(diào)度。應(yīng)用層軟件部分可分為4個模塊：CAN總線模塊負(fù)責(zé)讀取車輛的信息并進(jìn)行解析；定位模塊負(fù)責(zé)解析衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)；5G模塊負(fù)責(zé)智能終端與云服務(wù)器端進(jìn)行通信；程序監(jiān)視模塊則負(fù)責(zé)監(jiān)視各個子系統(tǒng)是否正常運行，避免在任務(wù)執(zhí)行過程中發(fā)生沖突，同時將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整理。各模塊都是獨立的進(jìn)程，通過嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核管理協(xié)調(diào)任務(wù)之間的執(zhí)行關(guān)系[5]。

3.1 CAN總線數(shù)據(jù)采集

I.MX6ULL主控CAN1_TX與CAN1_RX通過TJA1050與車輛的CAN總線物理連接，建立CAN總線的數(shù)據(jù)交換信息通道。通過程序設(shè)置CAN通信的相關(guān)參數(shù)，與車輛內(nèi)部的ECU、ABS等模塊建立通信連接，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后將數(shù)據(jù)處理并打包上傳到云端。CAN總線模塊的程序流程圖如圖4所示。

圖4 CAN程序流程圖

CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊當(dāng)中主要涉及CAN總線初始化、數(shù)據(jù)的接收與解析和數(shù)據(jù)打包發(fā)送等。

根據(jù)SAEJ1939商用汽車CAN總線通信標(biāo)準(zhǔn)物理層規(guī)定了數(shù)據(jù)通信速率為250 kbps，采用29位拓展幀格式的報文傳輸，每幀不超8字節(jié)的數(shù)據(jù)長度，若數(shù)據(jù)超過最大長度限制，則以不同幀發(fā)送。本設(shè)計中采集的ECU模擬器數(shù)據(jù)遵循SAEJ1939/71應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定，實車的CAN總線協(xié)議遵循著基于SAEJ1939協(xié)議的廠家私有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)解析方法與標(biāo)準(zhǔn)SAEJ1939協(xié)議一致。通過編程獲取車輛CAN總線報文對應(yīng)數(shù)據(jù)幀中相應(yīng)的參數(shù)值，解析出車輛實際的各項參數(shù)，便可將數(shù)據(jù)打包整理發(fā)送至云端。

3.2 定位模塊信息獲取

S1216F8-BD定位模塊與I.MX6ULL主控通過UART4進(jìn)行通信，通過設(shè)置UART4的串口的波特率、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UART4將數(shù)據(jù)發(fā)送至I.MX6ULL主控，數(shù)據(jù)格式遵循著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。其輸出的數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 定位模塊實時數(shù)據(jù)格式示意圖

本設(shè)計中，由于只需要設(shè)備的經(jīng)緯度參數(shù)，而在圖5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 5G數(shù)據(jù)傳輸

5G通信模塊連接在GL850G擴展的USB2接口上，根據(jù)官方提供的開發(fā)文檔往Linux內(nèi)核驅(qū)動添加RM500U-CN模塊廠家ID和產(chǎn)品ID；接著按照USB協(xié)議的要求，在代碼中增加零包處理機制；為了防止主控進(jìn)入休眠/暫停模式使USB斷電或復(fù)位，從而導(dǎo)致USB通信異常，所以還需配置重置模塊，至此，就完成了RM500U-CN模塊Linux內(nèi)核驅(qū)動程序修改。其配置路徑如下：

[*]Device Drivers→

[*]USB Support →

[*]USB Serial Converter support →

[*]USB driver for GSM and CDMA modems

官方為RM500U-CN模塊提供了GobiNet驅(qū)動源碼，將源碼拷貝至內(nèi)核的USB目錄下，修改內(nèi)核配置，添加USB網(wǎng)絡(luò)框架和修改Makefile文件，并編譯內(nèi)核即可。其配置路徑如下：

[*]Device Drivers→

[*]Network device support →

[*]USB Network Adapters →

[*]Gobi USB Net driver for Quectel module

為實現(xiàn)5G模塊的正常上網(wǎng)，還需使用quectel-CM網(wǎng)絡(luò)管理工具，解壓官方提供的軟件壓縮包，用make命令進(jìn)行交叉編譯，命令如下：

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

編譯完成后將“quectel-CM”拷貝至根文件系統(tǒng)的/usr/bin目錄下，完成后即可實現(xiàn)自動聯(lián)網(wǎng)。

5G聯(lián)網(wǎng)模塊的底層驅(qū)動程序配置完成后，即可編寫對應(yīng)的應(yīng)用模塊程序，通過與云服務(wù)器建立TCP連接，將數(shù)據(jù)打包上傳至云服務(wù)器。

4 測試與分析

在本設(shè)計中，為了驗證車載智能終端的可行性和穩(wěn)定性，在設(shè)計的過程中進(jìn)行了大量模擬實驗，反復(fù)驗證程序的準(zhǔn)確性及可靠性，并不斷地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

CAN總線測試部分采用ECU模擬器進(jìn)行測試，將模擬器的協(xié)議設(shè)置成SAEJ1939協(xié)議并將其連接至I.MX6ULL主控，同時將CAN協(xié)議分析儀連接到總線讀取模擬器的原始報文信息，將主控解析的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。通過試驗得知，模擬器發(fā)出的報文數(shù)據(jù)為拓展幀，數(shù)據(jù)長度為8個字節(jié)，通過調(diào)節(jié)ECU模擬器的旋鈕，服務(wù)器端的信息跟隨著變化，表明已經(jīng)能夠正確地讀取數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)，因為每個汽車制造商的CAN總線消息定義不同于標(biāo)準(zhǔn)的SAEJ1939協(xié)議，所以在實車測試時需要修改相應(yīng)的定義。定位模塊的測試則將設(shè)備安裝在車上進(jìn)行實測，試驗地點為廣西南寧市，結(jié)果顯示定位模塊采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，與車輛行駛的路線一致。

通過5G通信模塊將車輛設(shè)備信息、位置信息實時傳輸?shù)皆品?wù)器平臺，平臺服務(wù)器根據(jù)所上傳的數(shù)據(jù)對車輛的狀態(tài)進(jìn)行判斷，分析車輛司機運行軌跡、高峰駕駛時間、疲勞駕駛時間、深夜駕駛時間、車輛最高速度、車輛平均速度和急減速等信息。

5 結(jié)語

本文介紹了5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在貨運物流智能車載終端的應(yīng)用設(shè)計，從車輛參數(shù)采集、車輛定位、數(shù)據(jù)傳輸3個方面闡述實施方案；將5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入物流安全管理業(yè)務(wù)，對貨運車輛的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，并借助云服務(wù)器平臺，對車輛行駛過程中產(chǎn)生的危險行為進(jìn)行記錄和即時預(yù)警；通過設(shè)置對應(yīng)的條件參數(shù)，形成每次駕駛的行為報告，管理者可以通過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險評估，進(jìn)一步促進(jìn)貨運物流安全水平的提升。