CN101466173A - 一种移动自组织网络车载通信系统 - Google Patents

Abstract

一种移动自组织网络车载通信系统，涉及一定范围内的车载硬件终端平台、车辆自组织网络通信、车辆定位、车辆网络与其它网络间通讯技术，属于车辆自组网相关技术领域。其特征是，该系统的硬件终端平台含有基于ARM架构的主机板、无线网络通信设备、音频设备、GPRS/CDMA调制解调器、GPS卫星定位接收装置、存储设备、带有触摸屏的液晶显示屏、10/100M以太网卡等。本发明提供了一种移动自组织网络车载通信硬件平台，网络状况监控方法和相关通信技术，可以应用于各种不同的地理环境中，可实现实时车辆状态监控和道路环境状况监控，人为选择、查询及控制相关信息，以及系统自动对周围突发情况进行记录、报警或提示。

Description

一种移动自组织网络车载通信系统

技术领域

一种移动自组织网络车载通信系统终端及网络状况监控方法和相关网络组网通信技术，涉及一定范围内的嵌入式车载硬件平台、车辆自组织网络、车辆间的移动通信、车辆定位、车辆自组织网络与其他网络(Internet、移动通信网)间通信等技术，属于车辆自组网相关技术领域。

背景技术

车载通信系统、嵌入式硬件平台设计以及Ad hoc自组织网络是当今热门技术，如何设计出适合车载通信的嵌入式硬件平台，并将基于Ad hoc的移动自组织网络应用于车载平台上的研究，至今还是一项空白，有广阔的发展空间和应用前景，能够产生巨大的产业效益。该技术研究能设计出符合该车载通信系统的嵌入式硬件应用平台，使特定范围内(整个乡村、城市甚至全国)的所有车辆能够自动形成自组织网络，而不需要基站等固定网络中转设备，也不需要固定路由设备，由车辆构成的网络节点完全是自组网落，网络形式非常独特，能够实现许多重要的实际应用。

现有的技术中有涉及车辆间通信的技术，如发明专利“车辆通信”(中华人民共和国专利号200610007138.X，公开日期2006年08月16日)，其仅专门针对车辆间语音通信技术；发明专利“车辆通信装置”(中华人民共和国专利号200610009207.0，公开日期2006年08月23日)，该发明提供一种廉价的车辆通信装置，即使在多个车辆之间存在通信障碍物时，也能够用简单的装置选择适当的车辆进行中继处理，收发适当的信息，主要针对的是通信中继问题；又如发明专利“移动体间的通信方法及车辆通信装置”(中华人民共和国专利号03154973.X，公开日期2004年04月07日)，该发明提供一种移动体间的通信方法及车辆通信装置，通过驾驶员和车辆的环境、状况变化或者来自驾驶员的要求，自动地与能够提供必要信息的对方进行连接来进行通信。这些均仅为车间相互通信，技术针对的问题较单一，通信的物理网络没有涉及到基于Ad hoc的移动自组织网络，更没有如GPS、GPRS/CDMA等功能扩展模块，实现的网络通信功能也较为简单。

现有的技术中有不少涉及车辆位置定位监控的技术，如发明专利“一体化卫星定位车载终端”(中华人民共和国专利号03127643.1，公开日期2004年02月11日)，采用自行研发的PCB板实现车载平台，采用GPS卫星进行车辆定位；又如发明专利“基于卫星无线电的车辆定位系统”(中华人民共和国专利号200610077454.4，公开日期2006年11月01日)，该车载车辆定位系统通过该SRS信号利用所接收的GPS校正数据校正该GPS数据。这些系统仅仅是专门针对GPS卫星定位的专用系统，而并非是以GPS卫星定位系统为辅助，为以车辆为节点的自组织网络提供定位信息，而且其专用平台也缺乏拓展开发能力。

现有的技术中也有涉及车辆通信设备平台的技术，如发明专利“一种基于TCN的多总线车辆通信控制模块”(中华人民共和国专利号200610031879.1，公开日期2007年01月30日)，该发明公开了一种基于TCN的多总线车辆通信控制模块，采用通用芯片的模块化结构，运行速度快，通讯功能齐全，存储空间大，便于用户采用符合IEC61131-3的可编程计算机编程语言实现用户图形编程的基于TCN的多总线车辆通信控制模块。但其使用的是专用平台，缺少二次拓展开发的能力，仅适用于机车/车辆的车辆级控制、故障诊断与通信管理，或工业自动化等相关领域。又如发明专利“一种运输车辆及货物信息的车载监控系统及监控方法”(中华人民共和国专利号200510011411.1，公开日期2005年10月05日)，该系统基于车载平台开发，含有信息通讯模块、车辆导航模块、车辆位置监控系统终端模块、货物录入模块、货物卸载模块和载货查询模块，但是其主要是实现实时位置监控和货物监控，以及管理中心对车辆的监控和调度等功能，属于物流技术应用方面。

发明内容

本发明的目的在于设计出一种移动自组织网络车载通信系统的嵌入式硬件应用平台，提出一种网络状况监控方法和相关网络通信技术。本系统和技术方法将移动自组织网络、网络信息通信、地理路况信息监控、车辆自主导航定位、危险自动提示报警、固网接入等功能模块结合到统一的通用车载平台上，为车载通信系统提供了界面友好、功能强大、拓展性强的通用信息管理终端。

本发明所提出的系统特征在于，在车载通信系统硬件终端平台上包含有：

一个基于ARM架构的主机板，处理器采用工业级低功耗微处理器芯片，主频可以达到400M以上，可以直接处理视频；板上集成有NOR FLASH、NAND FLASH以及SDRAM内存；板上带有串口、标准USB接口、存储设备接口(SD卡接口)、LCD接口、音频输入/输出接口、10/100M以太网口等；对其接收到的各种相关数据进行处理，并根据人为操作命令或自动控制指令，进行相应的传输控制、视频终端信息显示以及提示报警等；

无线网络通信设备，通过标准USB接口与主机板相连接，而且采用R-SMA接头的电缆与位于车辆外部的外置高增益天线相连接，用于车辆间移动自组织网络进行组网通信；

存储设备(SD卡)，通过存储设备接口(SD卡接口)与主机板相连接，用于记录并保存地理环境信息、车辆状态信息等；

GPRS/CDMA调制解调器，通过串口与主机板相连接，用于拨号连接Internet网络或移动通信网络；

GPS卫星定位接收模块，通过串口与主板连接，接收由GPS定位卫星所传送的车辆位置信息；

音频输出设备，通过音频输入/输出接口与主机板相连，用于输出提示语音或报警信号；

带触摸屏的液晶显示屏，与主机板的LCD接口相连接，用于显示车辆通信相关信息和输入相关控制信息；

本发明所述技术特征在于，包含：

网络组网通信模块：使用802.11b/g无线网络通信设备，通过标准USB接口与主机板相连接，无线网络通信设备用于车辆间移动自组织网络通信，其中使用网络监控方法进行网络监控；该无线网络通信设备采用标准USB接口与主机板相连接，该无线通信设备采用R-SMA接头的电缆与固定在车辆顶部的外置天线相连接，即使用在移动环境下也有较大的传输范围；

信息通讯模块：通过GPRS/CDMA调制解调器拨号连接到GPRS/CDMA无线网络，通过GPRS/CDMA数据服务与Internet网络相连接，可以与处在Internet网络中的任何节点相互进行通信，这样就可以对实现其他一些功能进行拓展开发；

车辆导航定位模块：通过GPS卫星定位接收模块从GPS定位卫星接收卫星信号，获取各个车辆的位置信息数据，通过串口读取到这些数据并作解析，而后可以结合存储在存储设备(SD卡)上的电子地图在终端显示屏上显示出来具体信息；

音频输出模块：音频设备通过主机板上的音频输入/输出接口与主机板相连，可以用于本系统对危险情况的提示语音或警报声音的发出，也可以用于其他一些附加拓展功能的发声应用；

车辆相关信息系统终端显示模块：通过一个带触摸屏的液晶显示屏，与主机板的LCD接口相连接，用于显示车辆通信相关信息和输入相关控制信息，可以显示自组织网络中的各个车辆节点的情况(位置、车速、方向等)，可以显示存储在SD卡上的电子地图，并结合该电子地图对车辆节点或道路进行动态显示，也可以显示一些其他娱乐视频等拓展开发的功能；

网络状况监控模块：网络中每个车辆节点都通过GPS车辆定位方法，对自己及周围一些车辆接点进行定位，并结合存储在存储设备(SD卡)上的电子地图生成相关网络信息并进行存储；而且，通过车载通信系统的自组网方法，一定的车辆节点自动组织成一个自组织网络，网络中各个节点共享数据信息，每个节点不定时地自动从相邻节点下载更新网络相关信息；当车辆处于城市密集地带时，该系统可以自动识别城市中各个地段交通状况，并根据驾驶者的操作在终端显示屏上予以显示相关提示信息；当车辆处于路口地段或车辆密集区时，该系统可以自动识别周围车辆节点的状况(速度、位置等)，并就潜在危险情况给予提示或发出警报。

本发明的优点如下：

车载通信系统硬件终端平台采用当今流行的ARM架构，拥有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，支持丰富的外设接口。本系统硬件终端采用的处理器是工业级低功耗微处理器芯片，主频可以达到400M以上，可以直接处理视频，而且由于是工业级芯片，环境适应能力强。板上有NOR FLASH、NAND FLASH以及SDRAM内存，有较大的存储空间去存储支持较多功能的操作系统和文件系统，存储速度也较快。该系统使用的无线网络通信设备采用标准USB接口与主机板相连接，而且该无线通信设备采用R-SMA接头的电缆与固定在车辆顶部的外置天线相连接，即使用在移动环境下也有较大的传输范围。

该系统每个车辆节点间组网都采用基于Ad hoc的移动自组织网络协议进行自组织网络组网，网络中没有固定的路由，车辆间组网通信完全是属于自组织网络；针对本系统具体的应用进行上层开发，实现具体的自组织网络通信及监控功能，也可以开发其他一些拓展功能。

本发明的硬件终端平台可以应用于嵌入式设备相关开发领域，本系统可以广泛应用于移动网络通信等相关领域。

附图说明

图1为本发明的系统结构设计示意图。

图2为本发明的硬件终端平台结构设计示意图。

图3为本发明的网络状况监控模块自动工作流程图。

图4为本发明的系统功能模块结构示意图。

具体实施方式

附图1为本发明的系统结构设计示意图。从图中我们可以清楚得看到，该移动自组织网络车载通信系统整体系统结构设计分为三层：嵌入式硬件终端平台，包括主机板、无线网络设备(无线网卡)、触摸显示屏、存储设备(SD卡)等、GPS卫星定位接收设备、GPRS/CDMA调制解调器等；嵌入式操作系统平台，包括各种所需要的硬件驱动等；应用程序层，包括自组织网络程序、网络监控程序、GPS定位导航程序、GPRS/CDMA外网接入程序以及其他一些拓展开发程序。

嵌入式硬件终端平台的设计采用了ARM架构，以主机板为核心，通过各种接口对外设进行扩展。如附图2所示本系统的硬件终端平台结构设计，整个系统的供电采用车载12V/2A电源供电，主机板通过标准USB接口与无线通信设备(无线网卡)相连接，并通过采用预定的相关网络协议，可以进行自组织网络的组网通信。该无线通信设备采用R-SMA接头的电缆与固定在车辆顶部的外置天线相连接。主机板上由串口(符合RS-232标准)连接GPS接收装置和GPRS/CDMA调制解调器，通过串口读取或发送相关信息，可以从GPS接收装置获得GPS卫星定位信息，也可以与GPRS/CDMA调制解调器实现拨号连接外部网络(Internet网络)并与处在外部网络中的节点进行通信。主机板通过LCD接口与一个带触摸屏的液晶显示屏相连接，用于显示车辆通信相关信息和输入相关控制信息，也可以显示一些其他娱乐视频等拓展开发的功能。主机可以控制外接独立的音频发生设备(扬声器)发出提示语音或报警信号。外接存储设备采用大容量的SD卡，体积小、重量轻。

该硬件终端平台的上层使用了嵌入式Linux操作系统平台。该系统平台拥有开放性、可移植性、设备独立性、多用户、多任务等特点，而且拥有和良好的用户界面，性能安全可靠，应用广泛。其分为系统内核、驱动和根文件系统三部分，其中系统内核包括各种最基本的管理和为应用程序提供API接口函数的支持，根文件系统主要用来存放系统启动所必须的程序和文件，驱动则主要是负责系统各个部件的输入输出控制，驱动各个部件正常工作。

以上述系统结构为基础，通过基于嵌入式操作系统的上层应用软件开发，可以实现移动自组织网络车载通信系统所要求的各项功能需求，下面分别叙述附图4所示各项功能模块的具体组成和实现方法。

1、基础系统模块。此部分的功能是实现整个系统的基础平台，支持其他模块的运行。在硬件层包括有主机板、存储设备(SD卡)、各种控制芯片以及设备抗震保护外壳等。其中嵌入式系统主机板采用一个基于ARM架构的主机板，其处理器采用工业级低功耗微处理器芯片，主频可以达到400M以上，可以直接处理视频，而且为工业级芯片，环境适应能力强。板上集成有NOR FLASH、NAND FLASH以及SDRAM内存，而且容量较大，使其能够有足够的存储空间去存储支持较多功能的操作系统和文件系统且性能较高。所采用的存储设备(SD卡)拥有体积小、重量轻、成本低、大容量等特点，可以完全存储车载网络通信系统所需的数据。在软件层面则主要包括有支持各硬件功能的相应驱动程序，以及嵌入式操作系统环境。

2、信息通信模块。该部分的功能是实现车辆自组织网络与外界网络的通信，可以与存在于外部网络中的某一功能节点进行交互通信。该模块相关硬件包括有一个通过串口与主机相连接的GPRS/CDMA调制解调器。其软件部分主要包括一些信息通信程序。其实现的主要流程为，通过GPRS/CDMA调制解调器进行拨号连接入GPRS/CDMA网络，通过GPRS/CDMA数据业务服务可以与处于外部固定网络(Internet)中某一固定功能节点建立网络连接，随后通过此网络连接，可以按照具体的应用需求，实现车辆自组织网络与外部网络节点之间进行相关通信。

3、车辆导航定位模块。该模块主要用于接收车辆的位置信息，并向网络监控模块传送该位置信息。也就是说，系统实现电子导航、定位功能的数据源就来自此功能模块。而想要实现具体的功能，需要其他模块与其进行配合完成。

4、网络状况监控模块。该模块中所采用的网络监控方法，其主要工作流程如附图3所示。具体步骤如下：

步骤1：首先由车辆导航定位模块产生的网络内节点位置信息和由网络组网通信模块实时更新周围同簇节点相关信息等都存储到存储设备中。

步骤2：网络监控开始后，首先要在存储设备中进行查询网络中各种相关信息。

步骤3：然后由特定程序对当时网络状况进行分析，此分析程序较为复杂，需要结合电子地图、车辆节点的实时状况(位置、速度)、所在地特征(城市、郊区、乡村等)以及本车辆周围环境(节点数目、路口情况)等，进行特定、复杂、实时的分析判断。

步骤4：自动判断当时本车辆节点周围是否有危险情况或潜在危险存在。如果没有，则自动转入步骤2继续进行自动网络监控流程；如果有的话，则进入步骤5进行相关处理。

步骤5：当已经断定有危险情况或潜在危险产生时，调用相关子报警显示子程序，在显示终端上对危险情况进行直观的显示并提示，同时使外部音频设备发出相应的报警信号，而且同时在存储设备中记录相关重要信息。

以上为网络监控模块的系统自动监控流程，本系统也可以在自动监控网络状况的同时进行人为的网络相关状况查询，进一步可以进行相关功能拓展开发。

5、网络组网通信模块。该模块为整个系统的主要特征所在，硬件层使用802.11b/g无线网络通信设备，通过标准USB接口与主机板相连接，用于车辆间移动自组织网络系统的组网并进行网间通信。该无线网络通信设备采用标准USB接口，而且使用了普通或带增益的外置天线以提高信号强度，即使用在移动环境下也有较大的传输范围。采用基于Ad hoc的移动自组织网络的组网形式，网络中没有固定的路由节点，车辆间组网通信完全是属于自组织网络，每两个节点间都可以采用特定方式相互自主通信。该模块内部各个节点的存储信息可以实时的相互更新，通过网络状况监控模块对本网络内部进行状况监控，也可以通过信息通信模块使本自组织网络内部节点与外部网络中的节点进行特定通信。

以上各个系统组成模块相互之间有特定的联系，需要互相配合才能完成整个系统的功能要求。具体系统的组成和各模块间的相互联系如附图4所示。

Claims (6)

1、移动自组织网络车载通信系统，其特征在于：由基于ARM架构的主机板、工业级低功耗微处理器芯片、存储设备、音频输入/输出设备、显示设备、无线网络通信设备、GPS接收模块和GPRS/CDMA调制解调器组成；无线网络通信设备用于车辆间移动自组织网络通信，其中使用网络监控方法进行网络监控；存储设备用于记录并保存地理环境信息、车辆状态信息；GPRS/CDMA调制解调器用于拨号连接Intemet网络或移动通信网络；GPS接收模块接收GPS卫星定位系统传输的车辆位置信息；显示屏用于显示车辆通信相关信息和输入相关控制信息，音频输入/输出设备用于输出提示语音或报警信号；基于ARM架构的主机板含有一个或多个串口、一个或多个标准USB接口、一个或多个存储设备接口、LCD接口、音频输入/输出接口和10/100M以太网口；存储设备通过存储设备接口与主机板相连接，音频输入/输出设备通过音频输入/输出接口与主机板相连接，GPS接收模块和GPRS/CDMA调制解调器分别通过串口与主机板相连接，显示设备通过LCD接口与主机板相连接，无线网络设备通过标准USB接口与主机板相连接。

2、如权利要求1所述的移动自组织网络车载通信终端，其特征在于：所述的工业级低功耗微处理器芯片，主频在400MHz以上，能直接处理视频。

3、如权利要求1所述的移动自组织网络车载通信系统终端，其特征在于：所述的无线网络通信设备选用802.11b/g无线网络通信设备，该无线通信设备采用R-SMA接头的电缆连接有固定在车辆顶部的外置天线。

4、如权利要求1所述的移动自组织网络车载通信系统终端，其特征在于：所述的显示设备为可触摸的液晶显示屏。

5、如权利要求1所述的移动自组织网络车载通信系统终端，其特征在于：音频设备通过主机板上的音频输入/输出接口与主机板相连，用于本系统对危险情况的提示语音或警报声音的发出。

6、如权利要求1所述的移动自组织网络车载通信系统，其特征在于：所述的网络监控方法，其步骤为：

步骤1：由GPS模块产生的网络内节点位置信息和由网络组网通信模块实时更新周围同簇节点相关信息都存储到存储设备中；

步骤2：网络监控开始后，在存储设备中进行查询网络中各种相关信息；

步骤3：由特定程序对当时网络状况进行分析，此分析程序较为复杂，需要结合电子地图、车辆节点的实时状况、所在地特征以及本车辆周围环境，进行特定、复杂、实时的分析判断；

步骤4：自动判断当时本车辆节点周围是否有危险情况或潜在危险存在，如果没有，则自动转入步骤2继续进行自动网络监控流程；如果有的话，则进入步骤5进行相关处理；

步骤5：当已经断定有危险情况或潜在危险产生时，调用相关子报警显示子程序，在显示终端上对危险情况进行直观的显示并提示，同时使外部音频设备发出相应的报警信号，并且同时在存储设备中记录相关重要信息。

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