CN101489196A - 一种智能车载系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种智能车载系统，硬件结构包括中央处理控制器以及与中央处理控制器连接的无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、存储模块、音视频播放模块和人机交互模块，车载系统软件主要包括主界面程序，GPS定位导航软件、多媒体播放软件，所述车载系统通过无线通信模块与其它车载终端组成一个Ad Hoc网络；所述车载系统的通信协议采用基于GPS以及电子地图的Ad Hoc路由协议和可调功率的MAC协议；所述车载系统支持加密和认证功能，能针对不同的用户等级对用户进行权限的分配和相关认证。本发明是自主式、分布式的基于Ad Hoc的智能车载终端系统，可以应用于各种车辆上，实现智能车载系统之间的Ad Hoc方式的互连互通、信息共享以及实现车辆和固定站台间的多跳通信；本发明智能车载系统具有智能化、价格低、使用方便等优点。

Description

一种智能车载系统

技术领域

本发明是涉及无线自组网技术、汽车电子技术、嵌入式开发技术，特别是属于一种基于Ad Hoc的智能车载系统方面的技术。

背景技术

随着智能交通的高速发展，保障车载系统网络安全可靠的运行、提供网络可靠性与灵活性成为当前的一个非常重要的研究课题。目前，最常用的通信网络是CDMA与GPRS网络。车辆通过CDMA或者GPRS网络与交通控制中心进行通信，并且通过连接Internet下载娱乐信息。但是这种有中心的组网方式有一个致命缺陷，就是车辆与车辆之间无法形成信息交互，导致信息共享能力低。这种方式组网及通信在灵活性、可扩展性方面都有一些不足，还有，由于CDMA网络和GPRS网络的用户容量是有限的，而且会造成网络负载的不平衡，增加带宽还是解决不了局部拥塞的问题，而人们对通信服务的多样化与高质量的需求在不断增长，这样会严重阻碍车载系统的发展。

在国外，欧美一些国家从2000年开始就针对车载Ad Hoc网络开展了一些研究项目并取得了一些研究成果。FleetNet项目于2000年9月启动，2003年12月结束，该项目的后续项目NOW从2004年开始启动，在BMW和Volkswagen两大世界级的汽车制造商的支持下，其主要目标是解决车俩间通信及数据安全性的问题，项目结果提交给c2c-cc标准化组织。c2c-cc有几家大型欧洲汽车制造商支持，基于无线局域网WLAN技术，保障在欧洲范围内车辆间的正常运行。欧盟在2001年开始的CarTalk2000项目，为期三年，致力于开发新的基于车辆间通信的辅助驾驶系统。WILLWARN项目提供危险警示方案。还有提供协作驾驶和提高交通效率的INVENT VLA项目等。日本在车载Ad Hoc方面的研究也较好，比如DEMO2000项目展示了车辆间通信的一些重要应用等。

国内目前对Ad Hoc网络的研究已经有了一定基础，但是在车载Ad Hoc方面的研究才起步，而且现有的研究成果都是集中在路由算法与MAC层协议方面的研究，还没有真正意义上完善的Ad Hoc智能车载系统在市面上出现。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明从车载通信的实际需求出发，考虑到未来智能交通的发展趋势，提供一种自主式、分布式的能够应用于各种车辆上，实现车载终端的信息共享的智能车载系统。

本发明的技术方案是：

一种智能车载系统，硬件结构包括中央处理控制器(如嵌入式ARM处理器)以及与中央处理控制器连接的无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、存储模块(如SD卡)、音视频播放模块和人机交互模块；车载系统软件主要包括主界面程序，GPS定位导航软件、多媒体播放软件，所述车载系统通过无线通信模块与其它车载终端组成一个AdHoc网络；所述车载系统的通信协议采用基于GPS以及电子地图的AdHoc路由协议和可调功率的MAC协议；所述车载系统的软件在Linux系统中进行开发，程序界面基于QTE设计。

所述无线通信模块所用的通信发射模块是可调功率的通信发射模块。

所述电源模块是独立安装的工作电源，独立电源通过车辆电源系统进行充电，同时为车载系统提供稳压。

进一步，可以增加与中央处理控制器连接的处理视频和图像数据的DSP芯片。

进一步，还可以增设与中央处理控制器连接的IC卡读卡器。

有关车辆和道路的重要信息可以上传到Internet上的信息服务器，也可以选择多跳无线方式上传到交通控制中心的服务器上；用户可以通过Internet下载各种资料或娱乐媒体到系统中，可以存储在存储单元上，也可以通过Ad Hoc方式在车辆间传输。

再进一步，还可以通过在城市中设置若干固定重要节点作为信息汇集点，将数据信息转发到附近固定的服务监控调度台，并且车载终端上的嵌入式数据库可定期与所述信息汇集点及服务监控调度台同步。

本发明采用嵌入式Linux系统，因为车载系统的自身特点决定了它对操作系统有多任务、实时性以及高可靠性等要求，而且决定了操作系统须是小型的。对此，嵌入式Linux系统应该是车载终端系统的理想选择。因为嵌入式Linux与其它操作系统相比，有如下优点：开源代码、网络功能和开发工具都非常丰富和强大。

本发明是自主式、分布式的智能车载终端系统，可以应用于各种车辆上，提高车载终端的信息共享能力；本发明智能车载系统具有智能化、价格低、使用方便等优点。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1.本发明适用性很广，根据实际应用需要，通过增减相关模块的调整可以运用于各类交通系统和各种车辆中，形成庞大的信息共享网络，给用户带来安全与舒适。

2.网络可扩展性和灵活性较强，可以根据需要临时灵活动态组网。

3.基于GPS地理信息与电子地图的Ad Hoc路由协议和功率可调的MAC协议使得无线通信的效率和质量提高。

4.本发明通过车辆间的信息通告，提供协助驾驶的功能，将交通事故、路面状况、潜在的危险障碍等信息通过附近车辆迅速扩散到相关车辆，帮助司机及时作出适当判断。

5.能够提供分布式信息的收集和协助交通管理。

6.与传统的有中心的无线网络融合应用，实现两种网络的优势互补，形成大规模的异构网的应用。

7.可以通过与Internet的互联实现与服务器间重要数据的上传和下载以及应用软件的升级，也可以通过Ad Hoc方式与控制中心进行数据的实时交互，数据传输的可靠性更高，也更灵活。

8.用户可以在不同车辆上通过Ad Hoc方式的无线局域网进行有效及时的沟通和联机娱乐。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明的定位流程图；

图3为本发明嵌入式开发架构图；

图4QTE层次结构图；

图5为本发明应用场景图。

具体实施方式

实施例

本发明的系统组成框图如图1所示，

本发明提供的一种基于Ad Hoc的智能车载系统主要包括无线通信模块、ARM9核心处理器S3C2440、电源模块、GPS/INS组合定位模块、存储模块、音视频播放模块以及人机交互模块等等。S3C2440作为主要的处理器和控制器，拥有400MHz的CPU、64M的FLASH和64M的SDRAM。外部接口有串口、100M网口、主从USB口、音频输入输出接口以及红外接口等，通过S3C2440板上的串口RS-232与GPS/INS模块相连进行定位，音频接口进行语音输入和广播，USB口可接摄像头以及其他存储设备，通过触摸屏、keyboard以及LCD等进行人机交互，用户可以进行多媒体播放和查看信息，如果应用在公交系统中，我们还可增设IC卡读卡器模块。由于车载系统的特殊性，电源模块可以采用将其它能量转换为电能的方式(如动能或热能转化为电能)进行供电。系统通过定位模块采集车辆的三维定位坐标，结合GIS地理信息系统中的电子地图显示到显示屏上，并辅以语音提示。系统可以通过无线通信模块与其它车载终端组成一个Ad Hoc网络实现数据的交换和共享。每一台车辆可以接收同一个Ad Hoc网络内其它车辆的位置信息，将同一个网络内所有车辆的位置在显示屏上标志出来。同时通过Ad Hoc网络，车辆可以与控制中心进行通信，实现地图更新和车辆监控。同时系统带有语音和视频系统，实现车辆在网络内与其他车辆间的通话。

无线通信模块可以用支持802.11b/g的模块来组网，各节点间通过Ad Hoc方式通信。Ad Hoc通信网的网络层通信协议可以采取基于GPS和电子地图的通信协议，如地理源路由GSR(Geographic SourceRouting)协议，可以有效解决在城市场景中由于建筑物和街道特点等原因导致的链路失效和多跳路由等问题。Mac层的设计方面，在AdHoc网络中，当提高发射功率时，节点的覆盖范围较大，数据传输历经的跳数就较少，因此传输时延小；反之，当降低发送功率时，节点覆盖范围小，数据传输的跳数就较多，时延也就大。另一方面，由于网络中存在隐含节点和显现节点的问题，节点覆盖范围大，信道竞争也就更严重，这会导致网络吞吐量的下降。因此，降低传输时延和避免信道竞争成为了矛盾的双方，发射功率不论提高或者降低都会使一个指标提升的同时损害另一指标，所以要通过动态调整发射功率使得覆盖范围内的节点数在一个最佳匹配范围[n1，n2]内。动态调整发射功率可以改善通信质量(减少时延和增加吞吐量同时在一定程度上避免信道竞争)，另一方面，也能达到主动节能的效果。节点周期性广播探测分组，覆盖范围内的节点收到后就返回一个应答，源节点收到应答(来自不同的节点的分组有不同的标识以示有别)后根据应答信息计算其覆盖范围内的节点数目count，根据count大小来调整发射功率。

S3C2440芯片内置有串口收发模块，所以只要在外围模块中设计串口电平转换电路即可以与其它设备进行串行通信。S3C2440可支持3个UART接口，可以分别用作调试、GPS通信等。本系统中可以采用MAX323转换电路进行转换。

定位模块的GPS接收机可以采用Motorola公司的M12模块，它有并行12通道GPS接收板，模块小巧，功耗低，抗震性较强，灵敏度和动态性能都很高，且无静态飘移现象。M12能够提供三维位置、三维速度以及时间等定位信息，还有载波相位输出、方波输出与1PPS脉冲。在城市环境中，M12接收器可以在一定程度上减小树荫和建筑障碍物遮挡的影响。M12由变频器、标频器、微处理器、信号通道、存储单元等构成。完成初始自检过程后，它接收来自天线的射频信号，经过变频、放大、相关、混频以及TTL变换等处理过程，完成对卫星的连续追踪，测出信号到接收天线的传输时间，翻译导航信息，最后经由串口RS232输出数据。另外，也可以用GPS辅以INS组合定位，将GPS的长期稳定性和INS的短期稳定性进行组合可以使两种导航系统相互补充，构成一个有机的整体，这样可以改善系统精度，加强系统的抗干扰能力。系统的定位主要靠GPS，再辅以INS惯性定位，在卫星不能很好地工作的情况下，INS可独立实现定位。GPS/INS组合定位模块采集了各种定位信息后，通过串口RS-232传送到处理器进行处理。整个定位流程中用到非线性分布的卡尔曼滤波方法(UKF)和地图匹配算法，最后经判决输出定位结果，其流程如图2。

摄像头采集的图像和视频数据经过压缩处理后存储在SD卡中，可以通过网口传输到Internet上，也可以以Ad Hoc的方式在各个车辆间传输、共享，或者在本机上浏览和播放，这些核心处理工作要由中央处理器如AMR9芯片S3C2440完成。

S3C2440集成了AC97音频编码接口，可以通过此接口直接外接音频芯片，实现语音的输出和采集。系统中采用飞利浦公司的UDA1341TS芯片。音频输出口接车内音响进行声音的播放，输入口接麦克风捕捉外部声音，音频数据同样可以以Ad Hoc方式在车辆间传输，或者存储在本机SD卡中。

S3C2440没有提供专门的Ethernet MAC接口，可以采用以太网控制器DM9000A芯片挂在数据总线和地址总线上进行扩展。

LCD显示各种车辆、道路信息，也可显示播放媒体的内容，配以触摸屏、USB接口鼠标等进行人机界面操作。S3C2440内部集成的LCD控制器支持TFT LCD。液晶显示器LCD具有显示信息多样化、体积小、功耗低、重量轻等许多其它显示设备无法相比的优势。如果考虑减少车载设备的体积并降低成本，可以使用矩阵键盘作为按键输入。在本系统中可以采用六位的中断模式输入，当有键按下时，输入低电平产生中断信号。

在应用语音播报的场合，需要TTS模块，可以选择中科大讯飞信息科技有限公司的XF-S3231-CN芯片，其文本分析算法具备一定的智能性，能够识别一般的号码、数值、时间、度量单位等格式的文本，还可以加一些特定提示音，数据通过串口接收经文本分析和语音合成等过程进行语音输出。

车载电源一般为直流12V或24V，电源不稳定，时常出现大脉冲现象，考虑汽车所能提供的电源电压，采用一定的转换电路，得到系统所需的电压值。外界电源可以通过变压器给系统提供一个稳定的5V电压，系统电源需要滤波的设计，通过低压差线性电压源(LDO)输出，系统内部通过LM1117产生3.3V的电压，它具有可靠的工作性能、较强的电流驱动能力，可以通过增加很少的外围电路构成高稳定的电压源。

在嵌入式Linux开发方面可以采用宿主机-目标机的开发模式，这样有效避开了嵌入式系统资源有限性的限制，建立好交叉编译环境(arm-linux-gcc)，配置好内核和板级支持(BSP)、文件系统支持等其它各种支持，制作完成文件系统后，通过bootloader下载内核，调试，完成开发过程。开发的图形化界面我们采用QTE，嵌入式开发架构如图3，QTE层次结构如图4。它的镜像文件非常小，许多基于Qt的X Window的程序可以非常方便地移植到Qt/Embedded上，它在底层摒弃了X lib而采用了frame-buffer作为底层图形接口。Qt/Embedded类库完全采用C++封装，丰富的控件资源和良好的可移植性是Qt/Embedded的优点，我们可以方便地开发基于Qt/Embedded的UI(用户操作接口)界面。程序主界面主要起到软件导航的作用，用户可以通过此界面进入到其它子程序如多媒体播放、GIS地理信息系统操作显示界面、TTS处理程序、网络浏览器等。GIS提供图形化的人机交互界面，用户可以在矢量电子地图上进行任意放大、缩小、地理实体查询和地图漫游等，在电子地图上，用户可以跟踪车辆的位置和行驶轨迹。考虑到嵌入式Linux系统的特点和无线网络的带宽等因素，可以不必采用大型专业的GIS平台，而在Qt/Embedded上开发小型的GIS系统，实现基本、简单的功能就行了。报警程序负责接收监控中心的命令消息或者其它车辆的报警相关信息以及发送本地报警信息，如果发生某些紧急情况，配以摄像头采集的车内图像，以多跳无线的方式传送出去，这样便于及时采取相关行动，通过对车内安装的传感器所得到的车内温度、湿度等参数的监测，可以在某些参数不在所设定的正常范围内时给予报警。多媒体播放软件实现视频、音频的点播，媒体内容可以是本地存储器上的，也可以是通过无线网络连接到Internet上的媒体。

该系统若在城市中应用，可设置一些固定节点(如公交站点)作为一些信息汇集点，将数据信息转发到附近固定的服务监控调度台，则监控人员可以方便了解当前车辆状态与路况信息，进而可以远程监听、遥控、广播语音和文字信息(资讯服务)、辅助决策。车载终端上的嵌入式数据库存有车辆历史状态和行车信息，还有地图信息、图片资料等，这些数据可定期与信息汇集点及服务监控台同步，以保存数据的一致性。可以在系统中加入权限管理功能对不同类型的用户进行授权和认证。当然，用户可在本地进行音频、视频点播等娱乐活动，对应的文件存储在本地存储介质上。其应用模式如图5所示。

本发明并不局限于实施例，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种智能车载系统，硬件结构包括中央处理控制器以及与中央处理控制器连接的无线通信模块、电源模块、GPS定位模块、存储模块、音视频播放模块和人机交互模块，车载系统软件主要包括主界面程序，GPS定位导航软件、多媒体播放软件，其特征在于所述车载系统通过无线通信模块与其它车载终端组成一个Ad Hoc网络；所述车载系统的通信协议采用基于GPS以及电子地图的Ad Hoc路由协议和可调功率的MAC协议。

2、根据权利要求1所述的智能车载系统，其特征在于所述车载系统的软件在Linux系统中进行开发，程序界面基于QTE设计。

3、根据权利要求1所述的智能车载系统，其特征在于所述车载系统支持加密和认证功能，能针对不同的用户等级对用户进行权限的分配和相关认证。

4、根据权利要求1所述的智能车载系统，其特征在于所述无线通信模块所用的通信发射模块是可调功率的通信发射模块。

5、根据权利要求1所述的智能车载系统，其特征在于所述电源模块是独立安装的工作电源，独立电源通过车辆电源系统进行充电，同时为车载系统提供稳压。

6、根据权利要求1所述的智能车载系统，其特征在于还设有与中央处理控制器连接的处理视频和图像数据的DSP芯片。

7、根据权利要求1所述的智能车载系统，其特征在于还设有与中央处理控制器连接的IC卡读卡器。

8、根据权利要求1至7任一项所述的智能车载系统，其特征在于有关车辆和道路的重要信息上传到Internet上的信息服务器，或选择多跳无线方式上传到交通控制中心的服务器上；用户通过Internet下载各种资料或娱乐媒体到系统中，或存储在存储单元上，或通过Ad Hoc方式在车辆间传输。

9、根据权利要求1至7任一项所述的智能车载系统，其特征在于在城市中设置若干固定重要节点作为信息汇集点，将数据信息转发到附近固定的服务监控调度台，车载终端上的嵌入式数据库定期与所述信息汇集点及服务监控调度台同步。

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