BOA技術(shù)在車輛感知網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

崔建明

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

車輛感知是支持車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Vehicle，IoV）的主要技術(shù)內(nèi)容之一，在文獻[1]中車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被定義為：指利用先進傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算技術(shù)、控制技術(shù)、智能技術(shù)，對道路和交通進行全面感知，實現(xiàn)多個系統(tǒng)間大范圍、大容量數(shù)據(jù)的交互，對每一個車輛、每一個道路的狀態(tài)進行多方面、全時段的控制，以提供交通安全及交通效率。從定義中可以看出“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)本質(zhì)就是無處不在的感知，這樣感知過程需要有效的傳感器及雙向信息交互。車聯(lián)網(wǎng)的研究關(guān)注的重點在于車-車、車-路的宏觀通訊技術(shù)，以及車輛自身的微觀狀態(tài)感知，大多數(shù)微小設(shè)備感知信息是單向傳遞，缺乏對部件的控制與操作回饋的雙向信息傳遞，故此需要完善，文中基于這個需求進行了研究。技術(shù)主要內(nèi)容把嵌入式的BOA[2]技術(shù)引入到車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)中。此方法可以通過與CAN（Controller Area Network）總線、控制中心的智能程序集成，達到集中監(jiān)控與調(diào)整設(shè)備整體的關(guān)鍵部件參數(shù)，即智能部件感知的目的。甚至通過具有獨立的虛擬地址技術(shù)對關(guān)鍵部件設(shè)置獨有地址，達到遠程感知。對此，本文做了部分研究工作，首先，介紹了基于BOA的面向車聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架結(jié)構(gòu)，其次，對關(guān)鍵技術(shù)GoAhead的Web Server遷移到VxWorks做詳細的介紹，最后，給出一個對車聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵部件進行管理的簡單例程。

1 “車聯(lián)網(wǎng)”與BOA技術(shù)

在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要感知具體的關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，運行信息等。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知模型如圖1所示，車輛感知信息通過（OBU）與路邊設(shè)備（RSU）建立無線通信，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 “車聯(lián)網(wǎng)”感知模型Fig.1 Sensor model of IoV

“車聯(lián)網(wǎng)”感知模型相比來說較為宏觀，如果微觀層面上需要在“車聯(lián)網(wǎng)”內(nèi)部具有感知車輛內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，達到被感知設(shè)備與管理系統(tǒng)或數(shù)據(jù)中心建立通信關(guān)系。借助BOA技術(shù)建立關(guān)系如圖2所示，達到雙向交互目的。

圖2 被感知設(shè)備與遠程數(shù)據(jù)中心建立通信關(guān)系Fig.2 Communication relationships be establish the be sensing equipment and the remote data centers

2 具有虛擬地址的獨立控制

2.1 感知范圍分析

對一些具體的儀器組件是通過傳感器的方式感知獲取數(shù)據(jù)，缺少對信息的交互能力。如果部件感知過細，可以看出對傳輸?shù)沫h(huán)境要求將有所提高。如圖3所示，（a）表示為感知的是目標(biāo)的整體，而（b）感知的為目標(biāo)的各個組成部分，（c）則是通過集中控制器與部件和控制中心聯(lián)系，通道數(shù)量減少，降低復(fù)雜程度與成本。目前，“車聯(lián)網(wǎng)”的信息交互是處于一個集中的層面上體現(xiàn)，如天氣情況、健康狀態(tài)、交通沖突與否。在本項研究中，建立一個BOA連接一個被感知部件與控制中心或數(shù)據(jù)中心的機制，達到感知更加細微，實現(xiàn)整體更多有效決策。

實現(xiàn)“車聯(lián)感知”的計算模式，是依靠各類嵌入式BOA服務(wù)微系統(tǒng)的應(yīng)用，集成各個部件異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)的平臺，集收集傳感數(shù)據(jù)和指令發(fā)送于一體。目前嵌入式BOA服務(wù)器軟件中，GoAhead Web Server是一款可移植性強，免費的嵌入式WEB服務(wù)器，它是運行于嵌入式操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用層軟件[3]。VxWorks操作系統(tǒng)是美國風(fēng)河公司設(shè)計開發(fā)一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），因其良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核、友好的開發(fā)環(huán)境、卓越的可靠性和實時性，被廣泛應(yīng)用于通信、航空、航天等實時性要求極高的領(lǐng)域中。并結(jié)合安防監(jiān)控系統(tǒng)的視頻傳感器控制器給出了應(yīng)用實例。

2.2 微部件與虛擬地址

通過分析，具有局部控制器的部件感知降更具優(yōu)勢，故此需要建立虛擬地址與外圍控制的關(guān)系，達到控制中心與微部件的信息交互。如圖3中的 （c）所示，c.1….c.4都集成了BOA的技術(shù)，這樣局部控制與部件見建立映射關(guān)系，如圖4所示。其中BOA0為與外界感知的總接口，而BOA 1到BOA 6……等分別為在BOA 0下的虛擬端口地址控制的部件接口。通過這種虛擬獨立地址的技術(shù)完全可以避免由于IP地址不足帶來的弊端，并且可以便于整體管理感知微部件。當(dāng)然BOA支持IPv6[6]，那么地址分配可以采用實地址方式進行信息交互。

3 嵌入式BOA技術(shù)

圖3 感知對象改進Fig.3 Improve the objects of sensing

圖4 控制器與部件BOA映射Fig.4 Mapping the controller and the BOA

BOA是單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，與其他傳統(tǒng)的Web服務(wù)器不同的是當(dāng)有連接請求到來時，它并不為每個連接單獨創(chuàng)建進程，也不通過復(fù)制自身進程來處理多鏈接，而是通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時它只為CGI程序創(chuàng)建新的進程，這樣就在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源，這對嵌入式系統(tǒng)來說是關(guān)鍵[2]。同時它還具有自動生成目錄、自動解壓文件等功能，因此，BOA具有很高的HTTP請求處理速度和效率，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用范圍。GoAhead就是這樣一類Web Server的工程應(yīng)用軟件。目前有支持 GoAhead[4]的嵌入式操作系統(tǒng)包括 Windows CE，pSOS，Embedded Linux，uCOS，VxWorks，QNX 等。 這種嵌入式 BOA技術(shù)的 Web Server支持 ASP，嵌入式 JavaScript，標(biāo)準(zhǔn) CGI，內(nèi)存中的CGI處理GoForms，擴展的API，每秒可處理大于50個請求[5]。支持硬件構(gòu)架ARM7，ARM9等，并滿足VxWorks操作系統(tǒng)和GoAhead工程運行的需要。

3.1 面向車聯(lián)網(wǎng)BOA技術(shù)條件

首先關(guān)鍵部件本身能夠ARM7/ARM9硬件構(gòu)架控制，這是一個基本條件，如圖5所示。在本例中采用ARM7作為主要控制硬件平臺部分。

圖5 車聯(lián)網(wǎng)BOA系統(tǒng)構(gòu)建Fig.5 Build the BOA of IoV

操作系統(tǒng)是應(yīng)用軟件正常工作的平臺，BOA屬于應(yīng)用軟件的類型，它具備Web Server功能屬性。為了完成這個工作，需要借助能夠應(yīng)用在VxWorks平臺上的GoAhead軟件。移植GoAhead關(guān)鍵是讓VxWorks在ARM7硬件平臺上具有很好的運行狀態(tài)，故此需要開發(fā)板級支持包（BSP），用于建立操作系統(tǒng)與硬件之間的中間層。然后移植TFFS（True File Format System）文件系統(tǒng)，這樣VxWorks操作系統(tǒng)映像文件、GoAhead的工程映像文件及Web文檔就可以運行在嵌入式系統(tǒng)硬件平臺上。

當(dāng)目標(biāo)板中需設(shè)計一個用于接受用戶指令的進程，加入到系統(tǒng)的多個正在運行的進程當(dāng)中，系統(tǒng)采用稱為ROUNDROBIN[10]的調(diào)度方式進行輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

3.2 GoAhead的移植方法

為方便程序調(diào)試和系統(tǒng)集成，分別對EOS（Embedded Operation System）環(huán)境和應(yīng)用程序進行配置。首先，進行移植準(zhǔn)備。建立一個可下載的（downloadable）的VxWorks工程，調(diào)試成功后再將VxWorks映像和GoAhead.out文件一起上傳到tffs1中，在 VxWorks的 usrAppInit（）函數(shù)中加載 goahead.out文件，然后再啟動Web Server。

UsrAppInit中的關(guān)鍵代碼如下：

#ifdef USER_APPL_INIT

USER_APPL_INIT；

#endif

ioDefPathSet （“/tffs1”）；/* 設(shè)定當(dāng)前的路徑為 tff1 的根目錄*/

if（loadGoaheadModuleAndRun（）==OK）

printf（“GoAhead Webserver READY. ”）；

}

如 果 設(shè) 置 websSetDefaultPage（T（“controltree.html”）） /*

設(shè)置默認主頁*/

對于完成的正常能夠運行的項目，在瀏覽器中輸入地址http://192.168.1.1/controltree.html即可以訪問/tffs1/webs/controltree.html文件。

3.3 BSP的移植過程

板級支持包BSP（Board Support Package）是介于嵌入式硬件和EOS之間的一層系統(tǒng)軟件，負責(zé)向 VxWorks提供與硬件環(huán)境的基本接口，其移植的主要過程有：

第一步 配置嵌入式處理器的CPU型號，主頻等相關(guān)參數(shù)，為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持；

第二步 根據(jù)硬件模塊配置相關(guān)設(shè)備驅(qū)動和系統(tǒng)中斷服務(wù)程序；

第三步 定制總線及芯片引腳功能，配置存儲空間映射和存儲空間大??；

第四步 定制EOS功能，為軟件系統(tǒng)提供一個多任務(wù)工作環(huán)境。

BSP的配置是系統(tǒng)重中之重，合理的配置能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4 代碼工作

選擇好的調(diào)試方法，可以提高學(xué)習(xí)和項目開發(fā)的效率。目前VxWorks程序開發(fā)中常用的調(diào)試方法有網(wǎng)絡(luò)和串口調(diào)試方法，在本應(yīng)用系統(tǒng)中選擇網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。正確的配置方法是在所建立的Bootable工程的VxWorks組件中選擇WDB連接和END驅(qū)動，所生成的VxWorks映像通過網(wǎng)絡(luò)加載到內(nèi)存運行。主機端還需要在Target Server配置和目標(biāo)機相連，配置中BackEnd選擇wdbrpc，目標(biāo)機的IP設(shè)置為192.168.1.11，核心文件指向主機FTP下載目錄中的VxWorks映像，最選擇all symbol并選中Synchronize Target/Host Symbol Table。配置如果正確，即可啟動Target Server。

此時可以在當(dāng)前工作空間下建立一個可下載的應(yīng)用程序模塊，在該模塊下新建一個程序文件Multitasks.c，經(jīng)編譯生成Multitasks.o，下載到目標(biāo)機，最后在主機的wShell中輸入Mutiltasks，在超級終端中即可以看到任務(wù)的執(zhí)行情況，其中代碼如下：

void pt1（void）；

void pt2（void）；

Mutiltasks（）{/*一個多任務(wù)例程*/

int tId1，tId2；/* 任務(wù) ID*/

tId1=taskSpawn （“tpt1”，90，0x100，2000，pt1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0）；

tId2=taskSpawn （“tpt2”，90，0x100，2000，pt2，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0）； }

void pt1 （void）{printf（“Hello， I am task tprint1. ”）； }

void pt2 （void）{printf（“Hello， I am task tprint2. ”）； }

在開發(fā)過程中使用應(yīng)用程序模塊是非常方便的，如果要形成最終產(chǎn)品，需要將調(diào)試成功的模塊遷移到bootable VxWorks映像中，方法是將源程序加入bootable VxWorks項目，并在usrAppInit.C文件中的usrAppInit（）函數(shù)下添加入口代碼Mutiltasks（），代碼如下所示。最后編譯成符合現(xiàn)場要求的VxWorks映像并完成遷移工作。

void usrAppInit（void） {

#ifdef USER_APPL_INIT

USER_APPL_INIT；

#endif

Mutiltasks （）；}

5 結(jié) 論

本文針對車聯(lián)網(wǎng)的特點介紹了目標(biāo)板上移植嵌入式BOA的方法和步驟，交叉編譯環(huán)境的建立方法及控制器的設(shè)計思路?？梢钥闯觯珺OA技術(shù)支持車聯(lián)網(wǎng)，可以滿足細致部件的感知。

此外，針對于系統(tǒng)的“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)還需要深入的研究，BOA只是在此研究上的一個基本內(nèi)容。由于感知是通過虛擬地址映射得到每一個部件的ID，故此需要一個控制中心，在工程中需要控制中心與感知部件總體考慮，文中沒有在此內(nèi)容上有過多描述。在實際應(yīng)用中采用IPv6地址，還是虛擬地址這取決于成本與技術(shù)條件，這些是以后需要深入研究的內(nèi)容。

[1]WANG Jian，LIU Yan-heng，GAO Wen-bin.Securing internet of vehicles using TCM [J].International Journal of Digital Content Technology and Its Applications，2010，4（7）:226-233.

[2]Webserver B [EB/OL].[2000-02-03].http://www.boa.org/documentation/.

[3]Massa A J.Integrating the GoAhead Webserver&eCos[J].Dr.Dobb's Journal，2002，27（11）:56-64.

[4]Massa A J.Integrating GoAhead WebServer&eCos:Webbased remote management for small systems[EB/OL].[2002-12-01].http://www.ddj.com/mobile/184405201/.

[5]ZHAOQing-lei，HAN Cheng-shan，WEN Ming，et al.GoAhead Embedded Server’s Design and implementation[J].Control&Automation，2011，27（4）:67-69.

[6]Silva C d，Rodrigues B，Mendes J J P C，et al.Design and Construction of Wireless Sensor Network Gateway with IPv4/IPv6 Support[C]//Communications （ICC）， 2011 IEEE International Conference on.Washington D.C:IEEE Computer Society，2011.

[7]Shreedhar M，Varghese G.Efficient fair queuing using deficit round-robin[J].IEEEI ACM Transactions on Networking，1996（4）:375-385.