基于車聯網的智能車載終端研制

姜竹勝，湯新寧，陳 軍

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

近年來，隨著國民收入的不斷提高，汽車已進入普通家庭。據預測，今后數年，我國的車輛保有量還將以10%～15%的速度持續增長。在車輛保有量高速增長的同時，我國的移動、無線技術領域也正處在一個高速發展的時期，各種移動、無線創新技術不斷涌現并快速步入商用，應用市場異常活躍，移動、無線技術自身也在快速演進中不斷革新。正是基于汽車與網絡高速發展的背景下，以汽車為載體，通過無線網絡連接的 “車載物聯網”概念浮出水面，并且立即成為汽車與通信產業共同關注的焦點問題。國家 “十二五”規劃的汽車產業發展目標中，明確提出要大力推動以3G無線物聯與智能遠程控制為手段、基于車載信息化的物聯網戰略；規劃中同時也提出要發展寬帶融合安全的下一代國家基礎設施，推進物聯網的應用。在物聯網的分支中，最容易形成系統標準，最具備產業潛力的應用就是車聯網。車聯網作為物聯網在交通領域的應用，將成為未來智能交通系統的重要組成部分。

1 國內外車載終端研究現狀

1.1 國外

在國外，車聯網系統已廣泛應用，且產業成熟度較高。美國、歐洲與日本的車聯網產業各有不同特色。

1）美國是較早推行車聯網產業發展的國家之一，早在1997年，通用公司就已經推行了On-star業務，On-star把摩托羅拉無線通信模塊、車輛定位技術及服務中心綜合為一體，為汽車提供全方位的通信服務。而福特公司也適時推出了wingcast車載互聯網服務，與On-star展開競爭。2010年以來，硬件價格大幅下降、需求增加、服務內容完善，美國的車聯網產業進入了新一輪的快速發展階段。美國政府與工業界也積極參加到車載物聯網的研發中。車輛基礎設施集成計劃 （VehicleInfrastructure Integration）致力于利用無線通信技術使行駛中的車輛更緊密地與周圍的環境相聯系，從而提高交通系統的安全性。

2）歐洲的車聯網產業呈現出和美國不同的特點，即以項目促發展。目前，歐洲大陸汽車年產量接近1400萬輛，有將近2億輛汽車在歐洲大陸行駛，與之相對的是基礎設施已經不能維持道路安全的基本要求。基于這種情況，歐洲推出了e-Safety項目。該項目涉及各國政府、車廠、汽車零組件廠、電信業者、科技廠商、服務提供者、金融保險業者、研究機構等各個方面，以進一步提升行車安全。Fleet-Net是一個由歐洲多個汽車公司、電子公司和大學的合作項目，包括NEC公司、DaimlerChrysler公司、Siemens公司和Mannheim大學，其利用無線多跳自組織網絡技術實現無線車載通信，能夠有效提高駕駛員和乘員的安全性和舒適性。FleetNet的設計目標包括實現近距離多跳信息傳播以及為駕駛員和乘員提供位置相關的信息服務。

3）日本車聯網以市場需求為導向，產業發展呈現出發展快、功能性強的特點。在市場規模方面，目前，在日本使用G-Book服務的用戶大約為300萬，并以每年50萬的速度在增長。

1.2 國內

和以上國家相比，中國的車聯網產業剛剛起步，是以一種簡化版的車聯網運營模式 （即Telematics）向前推進，圍繞車載智能平臺進行集成，實現各類信息服務。中國的Telematics服務 （即車聯網服務）發展相比起國外，實屬后起之秀。自2009年3月25日，裝備了G-Book系統的雷克薩斯第3代RX350正式登陸中國市場，標志著由汽車廠商主導的Telematics服務在中國正式商用。進入2010年，自主品牌生產商接過了接力棒，同年4月，上汽榮威350上市， 配備Telematics系統 （inkanet）。 而吉利的G-NetLink、華泰的TIVI、一汽D-Partner、長安汽車Incall等自主品牌汽車廠相繼開始實施推出車聯網服務。目前能提供車聯網服務的車型偏少，信息服務不充分，不同廠商生產的智能終端、服務平臺及信息服務還不能實現互聯互通，因此也制約了車聯網及其應用的發展。

智能終端是車聯網的重要組成部分，目前國內外的終端產品還是基于嵌入式系統開發模式開發的，研發內容包括硬件、驅動軟件、通信軟件及其他應用軟件多個方面，技術難度與開發工作量大，產品成本與可靠性也難以得到保證，制約了車聯網系統的廣泛應用。基于終端模塊/芯片的解決方案可以較好地解決這一問題，但目前國內外還沒有能滿足智能終端需求的模塊與芯片。大唐電信于2011年底推出符合汽車標準的TD通信模塊，但該模塊只提供TD通信，還不能作為智能終端的解決方案。

2 車載終端的硬件架構設計

目前，國內汽車行業使用的車載智能終端主要有2種:基于ARM+DSP的信息終端和基于X86架構工業PC機的信息終端。前一種系統開發技術難度較大，且成本較高；后一種系統易受振動、灰塵、潮濕、高溫以及其他環境問題的影響，電能消耗量大，運行不穩定，升級困難，容易出現故障和數據丟失。

經過大量調研，本文主要研究基于CAN網絡、2G/3G通信模塊、ARM處理器和Linux的車載網絡信息終端模塊，并在此模塊的基礎上開發信息終端系統，功能和結構上進行高度集成，只需要外圍添加少量電路元器件就可以設計出各種不同功能的車載信息終端。其模塊硬件結構如圖1所示。

1）汽車CAN網絡接口采用Freescale公司的PowerPC處理器MPC555，汽車CAN網絡上各ECU采集各自的傳感器數據，再將其發送到CAN網絡上，MPC555與汽車CAN網絡直接相連，對CAN網絡報文進行收發并處理。另外，處理器還能實現CAN總線數據的實時存儲，能將數據存儲在CF卡上，方便對汽車進行故障分析。與主處理器通過高速串行總線連接。

2）主處理器采用MagicEyes MMSP2系列，芯片型號為MP2520F（雙ARM9核多媒體處理器，主頻400 MHz，自帶MPEG4硬件解碼功能）；系統存儲器需要256M DDR RAM，2GB Nand Flash，保證了車載智能信息終端的各個功能的需求。

3） 液晶顯示器采用7寸 （800×480） 或10.2寸TFT真彩色屏幕，可以顯示汽車相關信息并播放視頻。另外，在模塊中集成4線電阻式觸摸屏接口，可以直接連接四線電阻觸摸屏，保證輸入的正確。

4）RFID模塊用于獲取道路和其他車輛的相關信息，為車路聯網與車車聯網構建通道。

5）GPS無線定位模塊采用S-98系列GPS模塊，可同時追蹤多達20顆衛星，并迅速定位。可接收全球定位系統接收器類型20個頻道，L1的頻率，1.023 MHz芯片速度，C/A碼1.023 MHz芯片速度；水平定位精度＜2.5 m； 速度精度＜0.01m/s （高速）＜0.01°（heading）。

6）3G無線通信模塊采用重郵信科股份有限公司的TDS-CDMA無線通信模塊，TDM330無線模塊主要功能:①制式為TD-SCDMA/TD-HSPA；②支持1880～1920、 2010～2025 MHz； ③支持HSDPA下行峰值速率2.8 Mb/s； ④支持HSUPA上行峰值速率2.2 Mb/s；⑤可適用于各種TD終端產品。

在信息終端模塊的基礎上，可根據市場需求擴展各種外圍接口電路，從而研制出各種型號的車載信息終端。系統在車載信息模塊基礎上可以擴充WIFI、FM收音機、藍牙和攝像頭等模塊。根據不同的功能需求可以進行裁剪，使車載信息終端的靈活性大大提高。

3 智能車載終端的軟件架構設計

車載智能信息終端是一個復雜的系統，集成了多種通信與數據IO硬件，并提供對多種通信協議、數據處理、應用服務的支持，其軟件非常復雜。因此，將終端軟件分成兩個大類:與具體業務和應用無關的基礎軟件部分、應用軟件部分。

基礎軟件部分集成到模塊中。計劃設計的終端模塊核心軟件架構如圖2所示。軟件構架共分為5層，從低層到高層分別是硬件抽象層、操作系統內核層、基礎軟件層、應用軟件層。應用軟件部分即為應用軟件層。

3.1 硬件抽象層

硬件驅動及系統啟動等組成了硬件抽象層，位于操作系統以下，提供給操作系統層一個抽象的硬件概念，使操作系統能在不同種類的硬件設備上運作，具有靈活移植能力，使設備的持續發展與升級成為可能。針對車-路-網協同的需求及終端模塊硬件架構，與現有終端相比，硬件抽象層增加了CAN、RFID的驅動。

3.2 操作系統內核層

對于車載智能信息終端而言，一個可裁剪、低資源占用、低功耗并同時滿足實時性和多任務同時處理需求的操作系統是必需的。在眾多的操作系統中，實時嵌入式Linux操作系統是比較合適的選擇。Linux開放源代碼，可以自由添加組件、修改基礎框架，并可免費下載或授權價格相對較低，Linux應用開發人才資源豐富，便于開發高端的個人和行業應用，可以充分利用Linux現有資源，減少開發工作量，降低模塊、終端的開發和使用成本。

3.3 基礎軟件層

該層是操作系統和各種軟件應用之間的夾層，是為了更方便地實現對操作系統的利用而設計的，它的開放性直接關系到第三方軟件商的進入便利性和產業鏈的結構。怎樣充分利用現有開源的支持庫和插件豐富信息終端支持功能，以及怎樣開發專用的支持庫是構架設計主要解決的關鍵問題之一。本項目在該層采用組件結構進行設計，利用現有的組件庫，或定義各種新的支持庫的擴展接口。該層提供重要的終端軟件支持功能，這些功能總體上分為通用功能與專用功能2種類型。

1）通用功能可以充分利用已有的開源支持包來豐富和支持應用軟件的運行和開發系統功能:如字庫引擎、 圖形引擎 [如SDL （C）、 GLEW （C++）]、文件系統、嵌入式數據庫、瀏覽器引擎、多媒體支持庫等。該部分還包括一部分通用通信服務功能包，如TCP/IP協議包、語音通信支持包、藍牙等。

2）專用功能是本文計劃開發的嵌入式應用中間件，專門用于車聯網智能信息終端的服務，包括傳感信息融合服務、車輛遠程監控及診斷服務、RFID服務、3G/2G通信服務等，用于支持車-路-網協同信息服務，為應用層提供統一接口。

4 車載終端樣機的開發與裝車試驗

車聯網車載終端通信示意圖如圖3所示。車聯網的車載終端增加了以下的裝置:控制模塊總成（集成了核心控制模塊、GPS無線定位模塊、3G無線通信模塊、RFID模塊等）、7寸液晶顯示屏、GPS天線及3G天線。由于車內空間狹小，通信時延要求較高，車聯網通信對于智能信息終端的可靠性和實時性提出了更高的要求，即穩定性:除了需要滿足安全消息傳輸的高可靠性外，在實際電路中還需要減少毛刺和干擾，使系統在車內和室外環境下仍能保持穩定高效地工作；實時性:車聯網通信系統中對于安全消息傳輸的實時性需要小于50 ms，這對于硬件芯片的處理速度和軟件程序的運行效率都提出了更高的要求。

車載智能信息終端在設計上考慮到了充分的安全性，從軟件上把用戶的數據和程序與內核的、車身安全相關的程序及數據分別存儲，互不干涉，并設計了系統值守程序，在系統異常或崩潰的時候可以重新啟動系統或應用，保障了系統的可靠性。

同時，為了滿足車聯網終端模塊的功能需求，除了需要道路傳感設備之外，車輛制造廠還需設立監控中心。前端車聯網終端模塊和監控中心的信息交流接口是通過通信服務器實現的:所有車輛終端返回的命令和狀態信息通過通信服務器獲取，并提供給監控中心使用，監控中心發出的控制命令通過通信服務器轉發給前端車載終端設備。中心監控管理軟件實現接收前端車聯網終端主機的GPS位置信息和各種命令數據，方便中心監控終端對前端車輛的運行狀態實行監控，并將車輛運行位置實時顯示在GIS電子地圖中。監控終端微機及時處理車輛各類信息，并且能夠查看前端車輛實時視頻，必要時通過語音對講功能與前方人員實行通話。

[1]王建強，吳辰文.車聯網架構與關鍵技術研究[J].微計算機信息， 2011， 27（4）:156-158， 130.

[2]劉曉輝，陳啟軍.車載無線通訊終端的研制[J].現代科學儀器， 2008， （3）: 107-110.

[3]陳鐵軍，陳卡菲.基于ARM的車載GPS終端軟硬件的研究[J].微計算機信息， 2008， 24 （13）: 212-214.

[4]王 晶，商春鵬.基于GPS/GSM車載監控系統的應用研究及嵌入式終端實現[J].測繪科學， 2009，（6）: 254-255.