CN102469140A - 一种提高行车安全的车载无线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车载无线通信方法，首先通过第一无线接口接入移动网络进而与网络侧后台应用系统建立通信连接，通过第二、第三无线接口与前、后方临近车辆的同类车载无线通信装置建立通信连接。所述方法还通过车内CAN总线与车内其它ECU共享信息。通过实施本发明，可以方便地在前后车辆之间传递信息，并据此采取措施保证行车安全。还可以远程采集并统计分析车辆各装置的工作状况和故障信息并及时提供给汽车制造商，供其及时采取质量改进措施。亦可让车主远程设置车载装置的工作状态或参数，改善其使用方便性。

Description

一种提高行车安全的车载无线通信方法

技术领域

本发明涉及车载无线通信领域，尤其涉及利用汽车电子技术和无线通信技术有效提高行车安全的方法。

背景技术

随着汽车电子技术的不断进步，汽车上的电子装置越来越多，并与传感器和执行器一起共同组成了许多复杂的电子控制系统。传统点对点的连接方式已经无法满足现代汽车电子技术发展的要求，多路传输的车载网络、总线技术成为必然发展方向。汽车上各系统采用分布控制方式，组成一个车载计算机网络，各系统可独立进行开发和技术升级并且通过总线共享信息。例如，CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，它被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。

但是现代汽车信息数据的共享不仅仅局限于汽车内部，许多用于汽车导航、汽车GPS定位、汽车防盗、汽车远程监控、汽车远程调度和收费等方面的数据信息需要与外界进行交互。由于汽车可移动性的特点，很多与外界交互的信息需要通过无线传输。这就促使无线通信和信息系统开始逐步进入汽车，和汽车电子系统相互融合，使得汽车在车内外通讯、电子控制功能方面开始向多样化、集成化趋势发展。如目前市场上常见的用于出租车调度的车载台就是集成了GPS技术、地理信息系统(GIS)、集群通信技术或移动通信技术，再配合后台应用软件组成了车队管理调度系统。中国专利200720020042.7提出的就是一种结合了GPS和GoTa数字集群系统车载台，可用于车队的调度管理。

同时，随着社会的发展，汽车已经不再是简单的代步工具，而是逐渐演变成集安全、舒适、娱乐、办公及服务于一体的电子化行驶工具。近年在国外汽车行业迅猛发展的车载信息服务系统Telematics(代表Telecommunication+Information)就是一种安装在车上的信息平台，目的是为了通过无线通信网络向车上用户提供多样化的信息服务，包括通讯、导航、行车安全监视、路况、天气和其它互联网资讯等。目前投入商用的Telematics系统均以道路救援、路况导航和移动语音通信为主要服务内容。

此外，一些独立的无线装置被用于提高行车安全，如倒车雷达、防撞雷达等，它们的基本工作原理是应用无线技术探测行车方向是否存在障碍物，如果探测到障碍物且距离小于安全警戒范围时就发出声音或其它方式的预警，提醒驾驶者采取措施避免可能的危险。

综上所述，将汽车技术、电子技术、计算机技术、Internet技术、无线通信技术紧密结合，同时集成各种不同的应用系统而产生的新型车载无线通信技术，必将成为汽车电子技术和无线通信技术融合发展的新热点。通过实施这种新型车载无线通信技术，可实现汽车车况实时检测、汽车定位导航、车辆指挥调度管理、车辆收费、车辆远程监控、车内无线移动办公、车内娱乐等功能。但是目前商用的车载无线电设备—收音机、GPS导航仪、遥控无钥进入、防盗报警、GPRS/CDMA1X车载台等，都是相对独立的无线电设备，他们的功能较为单一且无法和车内通信总线实现信息交互。此外，目前的汽车电子通信系统尚没有给行车安全提供足够的帮助，如上面所述的防撞雷达仅能起到辅助提醒作用，但是其效果在很多情况下并不理想。这是因为驾驶者得到警示到采取措施需要一个反应时间，以驾驶者发现情况并采取紧急制动为例，驾驶者的反应可分为几个阶段：反射时间，从发现情况(如上述的防撞雷达给出预警信号)到大脑判断再指挥手脚开始操作这段时间；操作时间，脚接受大脑指挥离开油门转移到制动踏板上；制动系统反应时间，脚踩下制动踏板到车辆制动器起作用达到制动效果。据相关统计分析，普通驾驶者在正常情况下的紧急制动反应时间在0.6秒-1秒，考虑到实际驾驶环境的影响，这一反应时间往往还要长。这往往造成很多突发情况发生时反应不及而发生事故，例如高速路上频发的多车追尾事故往往是由于前车遇到紧急情况制动而后车反应不及造成的。

本发明专利即针对目前车载无线通信产品的不足提出一种结合了汽车电子技术、无线传感技术和无线通信技术并可有效提高行车安全性的车载无线通信方法。

发明内容

本发明提出一种提高行车安全的车载无线通信方法，该方法首先通过第一无线接口接入移动网络进而与网络侧后台应用系统建立通信连接，通过第二无线接口与前方临近车辆建立无线通信连接，通过第三无线接口与后方临近车辆建立无线通信连接；然后通过所述通信连接完成本车和前、后临近车辆的信息交互，以及本车和网络侧后台应用系统之间的信息交互。

所述车载无线通信方法进一步包括通过汽车总线接口模块接入车内总线并与车内其它汽车电子控制装置ECU完成信息交互，所述信息包括汽车各部件工作状态、紧急制动操作和故障信息，以及对车内其它汽车电子控制装置ECU的控制指令。

所述第二无线接口功能由第一无线传感单元完成，所述第三无线接口功能由第二无线传感单元完成；所述第一无线传感单元通过射频电缆连接安装于汽车头部的定向天线，其辐射方向朝向汽车正前方；所述第二无线传感单元通过射频电缆连接安装于汽车尾部的定向天线，其辐射方向朝向汽车正后方。

所述本车和前、后临近车辆的信息交互包括：通过第一无线传感单元接收到的前方车辆紧急制动信息、前方车辆第二无线传感单元之发射功率信息、前方车辆第二无线传感单元之天线安装位置距离地面的高度和天线增益信息；通过第二无线传感单元向后方车辆发送的本车紧急制动信息、本车第二无线传感单元之发射功率信息、本车第二无线传感单元之天线安装位置距离地面的高度和天线增益信息。

所述移动网络是任何实现广域覆盖的无线通信网络，包括GSM网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA2000 1x网络、CDMA2000 EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述移动网络的演进网络，所述演进网络包括LTE网络。

优选地，所述第一和第二无线传感单元采用短距离无线通信技术，包括ZigBee、蓝牙、红外和WLAN技术。

优选地，所述汽车总线接口采用CAN总线技术，包括总线控制器和总线收发器，负责汽车总线物理层和数据链路层的数据收发功能。

通过实施本发明，可以方便地在前后车辆之间传递信息，特别是前车的紧急制动信息，并据此采取措施保证行车安全。还可以远程采集并统计分析车辆各装置的工作状况和故障信息并及时提供给汽车制造商，供其及时采取质量改进措施。亦可让车主远程设置车载装置的工作状态或参数，改善其使用方便性。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一个实施例的功能框图；

图2是图1所示实施例中的中央单元功能框图；

图3是汽车CAN总线示意图；

图4是本发明实施例在汽车内的安装位置示意图；

图5是本发明实施例一个应用场景示意图；

图6是图1所示实施例中的中央单元处理网络侧消息报文和车内总线消息报文的协议栈示意图；

图7是相邻两辆汽车应用本发明装置交互各自ECU数据的协议栈分布图；

图8是相邻两辆汽车应用本发明装置建立无线链路时电磁波传播模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示的车载无线通信装置包括一个中央单元和两个无线传感单元。其中，

中央单元是该车载无线通信装置的主体部分，负责通过天线S101接入移动网络并和后台应用系统交互消息报文，通过电缆连接无线传感单元1和无线传感单元2，完成车载无线通信装置各功能单元的初始化、参数配置、工作状态监测控制，接收并处理无线传感单元1和2上传的数据；

无线传感单元1和2采用短距离无线通信技术探测其天线S102或S103覆盖方向的同类无线传感装置并建立通信连接，在中央单元的控制下与所述同类无线传感装置实时完成数据交互。所述同类无线传感装置指双方采用相同的短距离无线通信技术并配置了一致的无线参数，如工作频率、无线网络协议、网络ID、数据加密方式等。

上述移动网络包括任何实现广域覆盖的移动通信网络，包括GSM网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA2000 1x网络、CDMA2000 EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述移动网络的演进网络，如LTE、4G网络等。

中央单元的功能框图如图2所示，其中包括：

1)CPU作为该车载无线通信装置的主控制单元，其中运行着一组基于实时操作系统(RTOS)的软件代码。该单元完成对其它功能单元的初始化和功能控制，并通过总线和内置通讯接口完成与其它单元的数据交换。特别地，CPU单元通过CAN控制器和CAN收发器接入汽车内部CAN总线，根据CAN应用层协议完成与其它车载ECU的消息交互；CPU单元还通过上述无线传感单元1和2连接临近车辆的同类车载无线通信装置，完成数据交互。

2)同步动态随机存储器(SDRAM)、闪速存储器(Flash)单元负责业务数据和软件代码存储并可由CPU单元调用。它们通过并行数据总线和CPU单元连接。

3)无线通信单元包括全球定位系统(GPS)模块和无线接入模块，GPS模块负责通过天线实时捕获GPS卫星信号、计算获得位置信息并输出给CPU单元，无线接入模块负责在CPU控制下通过天线和移动网络建立连接并交互数据。

4)输入单元提供键盘和快捷按钮等输入方式，用于对上述车载无线通信装置输入控制参数或操作指令。

5)显示单元包括用于显示上述车载无线通信装置工作状态的指示灯和用于播放音、视频信息流的喇叭、显示屏以及相应的驱动模块。

6)CAN控制器和CAN收发器在CPU单元的控制下完成CAN总线物理层和数据链路层的功能，使得该车载无线通信装置作为一种汽车电子控制装置ECU挂在汽车内部CAN总线上，完成与其它车载ECU基于CAN应用协议的数据交换。

7)无线传感单元接口单元负责提供连接无线传感单元1和2的物理接口，便于中央单元通过电缆连接并进而控制它们与临近车辆的同类车载无线通信装置建立双向通信链路，完成数据交互。

现代汽车工业大量使用CAN总线技术，用于连接车内各汽车电子控制装置ECU，例如传动装置控制单元、空调控制单元、灯控单元、门控单元、座椅控制单元以及仪表盘控制单元等等，如图3所示。本发明所述的车载无线通信装置也作为一个ECU，通过CAN控制器和收发器连接至车内CAN总线网络，和其它ECU实现信息共享。

具体应用时，上述车载无线通信装置按照图4所示的方式部署：无线传感单元1(S402)和无线传感单元2(S403)分别安装在车辆的头部和尾部，通过射频电缆连接天线S404和S405，所述天线为定向天线，安装在车头和车尾，其辐射方向分别朝向车辆正前方和正后方，如图中S406和S407所示；S402和S403通过电缆连接安装在车内的中央单元S401，该中央单元的安装位置应便于连接车内CAN总线网络，比如安装在驾驶室中控台附近，中央单元S401还通过射频电缆连接安装在车辆前挡风玻璃附近或车顶的天线S408。这样，在车辆行驶过程中，无线传感单元1实时探测车辆前方即天线S404覆盖范围S406内的同类无线传感装置，建立短距离无线通信链路以便相互交换数据；无线传感单元2实时探测车辆后方即天线S405覆盖范围S407内的同类无线传感装置，建立短距离无线通信链路以便相互交换数据；中央单元通过车内CAN总线实时采集车辆行驶状态数据，如行驶速度、制动操控、加速操控、转向操控、变道操控等，中央单元将这些行驶状态数据按照CAN应用层协议封装后交由无线传感单元发送至前、后临近车辆；同时中央单元从无线传感单元接收到临近车辆的行驶状态数据并按照CAN应用层协议解包分析后，将需要本车做出相应反应的数据按照CAN应用层协议再次封装后通过车内CAN总线网络发送至目标ECU以便其做出相应操控，比如当中央单元收到位于车头的无线传感单元1上报的前车行车状态数据，按照CAN应用层协议解包分析后发现前车正在刹车，则中央单元立即将此消息按照CAN应用层协议再次封装后通过车内CAN总线发送至车辆传动装置控制ECU，该ECU可据此采取必要的措施确保行车安全，如强制减少油门、降低档位、采取制动并以声、光、电等方式提醒驾驶者。

图5进一步给出了上述车载无线通信装置的应用场景，在高速公路上依次行驶的汽车S502-S506均安装了上述车载无线通信装置，并且其中的无线传感单元配置一致的无线参数。根据前述原理，汽车S502中无线通信装置的无线传感单元2和汽车S503中无线通信装置的无线传感单元1会建立无线连接，同样，S503和S504之间、S504和S505、S505和S506之间都会建立类似的无线链路并交互各自的行车状态数据。这样当前面的车辆如S502遇到突发情况采取紧急制动时，S502的车载无线通信装置将通过其无线传感单元2即时向后车S503发送信息警示这一突发状态，以便后车采取相应制动措施。同时，后面的车辆会采取同样的方式将这一信息依次向后传递，以确保后车有足够的反应时间判断并采取相应制动措施。采用本发明装置后，前车的突发状态信息将瞬时传递到后车，给后车采取相应措施留下了足够的反应时间，其信息传递时延主要由两车CAN总线传输时延、信息处理时延和信息无线传输时延构成。车用CAN总线传输速率可达1Mbps，假设所述汽车突发状态信息长度为8字节，由于CAN总线上多节点的竞争接入以及CAN协议物理层和数据链路层处理开销而造成的CAN总线实际承载效率为50％，即CAN总线实际承载有效数据能力为0.5Mbps，则该信息从相关ECU传送到车载无线通信装置的中央单元需要8x8x2x10^-6＝128x10^-6(s)，同样后车到车载无线通信装置的中央单元收到并处理该信息后需要128x10^-6(s)通过CAN总线将其发送到相应ECU，即两车CAN总线传输时延合计为0.256ms；信息处理时延则包括前后两车的车载无线通信装置对信息的接收、解包、分析、封装、发送等处理过程需要的时间，具体又可细分为前车无线通信装置中央单元处理时间、前车无线通信装置无线传感单元2处理时间、后车无线通信装置无线传感单元1处理时间、后车无线通信装置中央单元处理时间以及信息从前车无线通信装置的中央单元通过通用异步串口传送到无线传感单元2的时延和后车无线通信装置的无线传感单元1通过通用异步串口将信息传送到中央单元的时延。假设车载无线通信装置的中央单元和无线传感单元之间的异步串行接口数据传输速率为115200bps，无线传感单元采用业界通用的C8051微处理器，其主频最高可达25MHz，一般工作在8MHz-10MHz，这里以10MHz计算，而中央单元采用ARM7微处理器，其主频一般在50MHz以上，这里以50MHz计算，再假设各处理节点需要200条微处理器指令来处理上述信息。则所述信息传输时延为：2x8x8/115200(s)＝1.1ms，处理时延为2x200x0.1x10^-6+2x200x0.02x10^-6(s)＝0.048ms，二者合计为1.148ms；信息通过短距离无线通信技术传输的时延主要取决于无线传感单元采用的无线技术和相应传输带宽，假设无线传感单元采用ZigBee技术，其物理层传输带宽为250kbps，考虑到ZigBee协议物理层和数据链路层处理开销，假设其有效承载效率为50％，则其有效承载数据速率为125kbps，因此上述信息在前车无线传感单元2和后车无线传感单元1之间的传输时延为8x8/125x10^-3(s)＝0.512ms。以上三项时延合计为1.916ms，由此可见，采用本发明方案后，如遇前车突发状态，后车的反应速度将远远快于完全依赖驾驶者的应变反应(如前所述，通常为0.1-1秒甚至更高)。

图5中的各车(图中以S503和S505为例)还可以通过其车载无线通信装置接入移动基站S501，进而经过移动核心网接入Internet网络，与同样接入Internet网络的后台应用服务器建立通信连接。这样车载无线通信装置可以随时将本车行车状况信息上报应用服务器，应用服务器可以据此及时了解各车辆的状况，尤其是车辆各装置的工作状况和故障信息可以及时被统计分析。采用图5所示的系统方案可以据此开展多种应用服务，如应用服务器可以向车主或汽车制造商提供WEB门户服务，汽车制造商可以通过用户客户端登陆应用服务器，获取其属下各型号汽车在一段时间内的车辆装置工作状况和故障统计，根据这些远程自动获取的信息，汽车制造商可以主动采取及时的质量改进措施。而车主则可以通过用户客户端或自己的智能手机S507登陆应用服务器，远程设置车载装置的工作状态或参数，比如远程开启车内空调。

图6给出的是所述车载无线通信装置的中央单元与网络侧应用服务器管理平台之间交互消息时采用的协议栈。中央单元首先将采集自车内CAN总线的车载装置工作状况和告警信息按照CAN应用层协议拆包，然后按照与应用服务器管理平台之间的接口协议重新封装后再用TCP/IP或UDP/IP封装，最后通过无线网络发送到应用服务器管理平台。反之，中央单元收到来自应用服务器的指令消息后，首先按照接口协议和TCP/IP或UDP/IP将该消息解包，然后按照CAN应用层协议重新封装后通过车内CAN总线发送至相应ECU。

图7给出的是所述车载无线通信装置的中央单元与临近车载无线通信装置的另一个中央单元之间通过短距离无线通信链路交互消息时采用的协议栈。中央单元首先将采集自车内CAN总线的车载装置工作状况和告警信息按照CAN应用层协议拆包，然后按照短距离无线传感应用协议重新封装后通过串行接口送至无线传感单元，由无线传感单元将其通过短距离无线通信链路(图中以ZigBee技术为例)发送至临近车辆。反之，无线传感单元先按照无线传感技术物理层和数据链路层协议接收上述信息，然后将其承载在串行接口之上传送给中央单元，中央单元按照短距离无线传感应用协议将其拆包并按照CAN应用层协议重新封装，最后将其通过车内CAN总线发送至相应ECU。

上述车载无线通信装置还可用于车距自动测量和安全提醒。如图8所示，前车上的无线传感单元2向后车无线传感单元1发送的无线电波会通过视距直射路径S803和地面反射路径S804到达后车无线传感单元1的天线S802，后车接收到的电磁波功率P_r与前车发送的电磁波功率P_t之间的关系在时可通过电磁波传播理论中的地面反射双折线模型来表征：

$P_r=P_t{G}_t{G}_r\frac{h_t^2{h}_r^2}{d^4}---\left(1\right)$

上面式中，G_t为发射端天线S801的增益；G_r为接收端天线S802的增益；h_t为发射端天线S801距离地面的高度；h_r为接收端天线S802距离地面的高度；d为两车距离；λ为电磁波波长。

前车上的无线传感单元2与后车的无线传感单元1建立短距离无线链路后，前车首先通知对方自己无线传感单元2的发射功率P_t、G_t、h_t，后车的无线传感单元1测量接收到的对方信号功率P_r，然后结合自身天线增益G_r、天线高度h_r通过公式(1)计算两车间距d。结合考虑当前车速，如果后车判断车距d已经不足安全距离，即可通过声、光、电等方式提醒驾驶者采取预防措施，如果发现此后车距还在持续减少并达到危险距离d₀，则车载无线通信装置按照CAN应用层协议通过车内CAN总线向相关制动ECU发送紧急报文，以便相关ECU按照CAN应用层协议自动采取制动措施。

上述实施例中以汽车CAN总线为例说明本发明的构思和方法，本领域技术人员应当理解，基于同样的发明构思和方法，本发明同样适用于使用其它标准的现场总线。同样，说明书中以ZigBee为例说明短距离无线传感技术或短距离无线通信技术，但这并不构成对本发明的不当限定，本领域技术人员应当理解，基于同样的发明构思和方法，本发明同样适合采用红外、蓝牙、无线局域网WLAN技术实现无线传感单元功能。

不脱离本发明的范围和构思，上述车载无线通信方法可以做出多种改变和变形。本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种提高行车安全的车载无线通信方法，其特征在于该方法首先通过第一无线接口接入移动网络进而与网络侧后台应用系统建立通信连接，通过第二无线接口与前方临近车辆建立无线通信连接，通过第三无线接口与后方临近车辆建立无线通信连接；然后通过所述通信连接完成本车和前、后临近车辆的信息交互，以及本车和网络侧后台应用系统之间的信息交互。

2.根据权利要求1所述的车载无线通信方法，其特征在于所述方法进一步包括通过汽车总线接口模块接入车内总线并与车内其它汽车电子控制装置ECU完成信息交互，所述信息包括汽车各部件工作状态、紧急制动操作和故障信息，以及对车内其它汽车电子控制装置ECU的控制指令。

3.根据权利要求1或2所述的车载无线通信方法，其特征在于所述第二无线接口功能由第一无线传感单元完成，所述第三无线接口功能由第二无线传感单元完成；所述第一无线传感单元通过射频电缆连接安装于汽车头部的定向天线，其辐射方向朝向汽车正前方；所述第二无线传感单元通过射频电缆连接安装于汽车尾部的定向天线，其辐射方向朝向汽车正后方。

4.根据权利要求1-3任一项所述的车载无线通信方法，其特征在于，所述本车和前、后临近车辆的信息交互包括：通过第一无线传感单元接收到的前方车辆紧急制动信息、前方车辆第二无线传感单元之发射功率信息、前方车辆第二无线传感单元之天线安装位置距离地面的高度和天线增益信息；通过第二无线传感单元向后方车辆发送的本车紧急制动信息、本车第二无线传感单元之发射功率信息、本车第二无线传感单元之天线安装位置距离地面的高度和天线增益信息。

5.根据权利要求1-4任一项所述的车载无线通信方法，其特征在于，所述移动网络是任何实现广域覆盖的无线通信网络，包括GSM网络、GPRS网络、EDGE网络、CDMA2000 1x网络、CDMA2000 EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络以及基于上述移动网络的演进网络，所述演进网络包括LTE网络。

6.根据权利要求1-5任一项所述的车载无线通信方法，其特征在于，所述第二和第三无线接口采用短距离无线通信技术，包括ZigBee、蓝牙、红外和WLAN技术。

7.根据权利要求1-6任一项所述的车载无线通信方法，其特征在于，所述汽车总线接口包括总线控制器和总线收发器，负责汽车总线物理层和数据链路层的数据收发功能。

8.根据权利要求1-7任一项所述的车载无线通信方法，其特征在于，所述汽车总线是CAN总线，所述总线控制器和总线收发器负责完成CAN总线物理层和数据链路层的数据收发功能。

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