CN105847037A - 基于WirelessHART标准的车内无线交互方法 - Google Patents

基于WirelessHART标准的车内无线交互方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，用于建立无线车载网络，所述无线车载网络包括网关、接入点和多个无线节点，所述网关接入车辆控制有线网络，并连接接入点，无线节点和接入点组网形成网状无线车载网络，该方法包括：入网与组网阶段、通信阶段和网络搜索阶段。与现有技术相比，本发明通过入网与组网阶段实现自动快速组网，通过通信阶段实现基于冗余路径的安全数据传输，通过网络搜索阶段实现低功耗工作，无线车载网络可替换通信线缆，通过采用无线技术连接车载的各种设备来实现减轻线束重量的目的。

Description

基于WirelessHART标准的车内无线交互方法
技术领域
本发明涉及车载物联网通信技术领域，尤其是涉及一种基于WirelessHART标准的车内无线交互方法。
背景技术
随着汽车电气化和信息化的普及，车内线束被认为是一辆车的中枢神经系统，其将车载计算机与车辆上的各项相关功能连接在了一起。但随之带来问题是汽车线束重量约占汽车重量的1～2％。据统计，一辆高级汽车的线束使用量已达2km，重量在20～30kg。汽车每行驶100km，25kg重的线束消耗能量约50W，相当于燃烧0.1kg的燃油。研究表明，若汽车整车重量降低10％，燃油消耗可降低8％；车重每减轻100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，CO2排放量可减少约5g/km。因此，汽车线束的未来发展趋势是更细、更轻、更薄。因此是否可以在汽车内部网络中部分采用无线，就是一个有意义的问题。
目前车内的通信网络基本上是现场总线CAN总线。CAN总线连接汽车运行的关键设备如引擎、制动、方向盘等。重要性相对比较低的设备也有采用成本低的LIN总线。
目前用无线技术替代CAN总线还有很大挑战。但LIN总线连接的设备基本上已经能够采用无线技术相连以达到同样的可靠性要求。要用于车内通信，无线车载网络必须满足以下条件：
1)安全性：包括数据保护和网络保护。数据保护要求发送和接收的数据的机密性，及确认数据包的内容未被更改。网络保护应能应付拒绝服务、重放攻击、克隆仪表等网络攻击。
2)可靠性：数据传输的高准确率。
3)兼容性：能够与其它无线车载网络共存。
工业级别的无线技术，特别是WirelessHART，已经能够满足上述要求。WirelessHART通讯标准是建立在已有的经过现场测试的国际标准上的，其包括HART协议(IEC 61158)、EDDL(IEC 61804-3)、IEEE 802.15.4无线电和跳频、扩频和网状网络技术。WirelessHART已在流程工业自动化普遍使用。但WirelessHART网络并不能直接替代LIN总线。它在建网时间、抗干扰等方面还不如LIN总线。因此，有必要提出一个新的无线通信协议用于车内设备之间的无线数据交互数据。
中国专利CN102009627A公开了一种基于CAN/LIN总线的车载网络通讯装置，包括如下模块：CAN主网，其中的节点为需要跟其它多个节点进行通信的节点；CAN子网，其中的节点为信号实时性高，发送频率较高，占用带宽较多的节点；LIN网络，其中的节点为通讯速率不高，实时性较低的节点；CAN和LIN的网关，集成在车身控制器(BCM)中，把CAN、LIN需要互相通讯的信息交换出来。虽然该专利虽然合理分配CAN总线与LIN总线，使得两者的优点最大化，但是在安装时仍需要考虑线束的位置，存在车内的一些角落位置无法安装的情况。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，通过入网与组网阶段实现自动快速组网，通过通信阶段实现基于冗余路径的安全数据传输，通过网络搜索阶段实现低功耗工作，无线车载网络可替换通信线缆，通过采用无线技术连接车载的各种设备来实现减轻线束重量的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，所述无线车载网络包括网关、接入点和多个无线节点，所述网关接入车辆控制有线网络，并连接接入点，无线节点和接入点组网形成网状无线车载网络，该方法包括：入网与组网阶段、通信阶段和网络搜索阶段。
所述入网与组网阶段包括以下步骤：
11：车辆启动后，开启车辆控制有线网络、网关和接入点，网关初始化配置接入点；
12：网关利用接入点固定在一个频道上周期性地发送广告帧；
13：无线节点周期性地轮流在各频道上监听广告帧，当接收到广告帧时，通过该广告帧的内容确定与接入点通信的时间和频道，并与接入点同步，完成入网；
14：无线节点向接入点发送入网请求，接入点将接收到的入网请求转发给网关，网关根据入网请求建立无线节点与接入点之间的冗余路径并生成配置信息，该配置信息经接入点转发给无线节点，所述配置信息包括工作密钥和冗余路径；
15：无线节点接收到配置信息后进行初始化配置，完成组网。
所述通信阶段包括以下步骤：
21：当无线节点向车辆控制有线网络发送数据包时，无线节点利用工作密钥加密数据包，并将数据包发送到接入点，当数据包发送失败时，无线节点按冗余路径将数据包发送到接入点，接入点将数据包转发给网关，网关接收并解密数据包后，将数据包转发到车辆控制有线网络；
22：当车辆控制有线网络向无线节点发送数据包时，车辆控制有线网络向网关发送数据包，网关对数据包进行加密后，将数据包经接入点发送给无线节点，无线节点接收并解密数据包。
所述网络搜索阶段包括以下步骤：
31：当车辆熄火，车辆控制有线网络、网关和接入点断电时，无线节点检测不到接入点后自动退网；
32：无线节点开始按设定频率进行网络搜索，网络搜索时周期性地轮流在各频道上监听广告帧，同时随着退网时间的增加，减少搜索的频率。
所述无线节点设置于车内移动或不可及的部件中。
所述接入点至少为两个。
所述无线节点由蓄电池供电。
所述工作密钥由网关定期更新后，经接入点发送给无线节点。
所述无线节点和网关均初始配置有相应的入网密钥，所述无线节点利用入网密钥对入网请求进行加密，所述网关利用入网密钥对入网请求进行验证。
所述网关对从任何一个无线节点到其余无线节点都配置冗余路径。
所述网关在使用某一频道通信前对该频道采样，确认该频道在相同时间内未被使用后才使用该频道进行通信。
所述无线节点和网关均初始配置有传输数据计数器。
所述无线节点和网关之间数据传输所用的频道采用跳频技术在传输时动态计算得到。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)使用无线通信作为车内设备之间交换数据的媒介，减少线束的成本以及由线束重量造成的行驶油耗。
2)利用无线通信的优点，可以把无线节点安置在移动(如轮胎)或不可及的部件中，使得无线节点覆盖到有线网络无法布置的区域。
3)快速组网。本发明在WirelessHART标准的基础上，对组网过程进行改进，无线节点在接收到广告帧后即可入网，减少WirelessHART组网所需时间，可以满足车上在上电后能够及时使用的要求。
4)安全性。包括数据保护和网络保护，数据保护是指所有的数据都加密，可保证发送和接收的数据的机密性，及能够确认数据包的内容未被更改；网络保护包括数据本身的加密，也包括验证码，同时对每个数据帧都赋予序号，严格控制数据帧的交换，网络保护应能应付拒绝服务(黑客发出的数据包应为通不过检验将会被接收方直接扔掉)、重放攻击(黑客发出的数据包应为序号重复将会被接收方直接扔掉)、克隆节点(黑客发出的数据包应为节点验证失败将会被接收方直接扔掉)等网络攻击。
5)可靠性。数据传输的高准确率，通过网状网络构建冗余路径，通过网关管理网络，网关连接至少两个接入点，防止出现单一接入点损坏而导致整个网络瘫痪的情况。
6)兼容性。能够与其它无线网络，包括与WiFi共存，在使用物理信道之前对其采样，确保没有其他人在相同时间发送，发送短消息以减少冲突机率，每条消息都进行信道跳跃以减少冲突风险。
7)简单性。沿用了WirelessHART网络安装、使用简单的特点，无线车载网络是自组网络，用户只要在需要的地方安放设备，在通信效果不好的地方随意增加节点就可以改善。
8)任何点到点的数据通信路径都可以是一跳，这样满足了传输延时的要求。
9)无线节点由电池供电，无需额外配置电源线，当车辆熄火后，采用网络搜索的方式，工作在低功耗的模式下，保证无线车载网络可长时间工作。
附图说明
图1为本发明无线节点、接入点和网关在车辆中安装位置的示意图；
图2为本发明中无线车载网络和车辆控制有线网络的连接示意图；
图3为无线车载网络中冗余路径的示意图。
图中：1、网关，2、接入点，3、无线节点，4、车辆控制有线网络，31、传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，一种基于WirelessHART标准的车内无线交互方法用于车内设备的连接，车内无线车载网络简称车载网，包括网关1、接入点2和多个无线节点3，网关1接入车辆控制有线网络4，并连接接入点2，无线节点3设置于车内移动或不可及的部件中，接入点2至少为两个，无线节点3和接入点2组网形成网状无线车载网络，本实施例中采用两个接入点2来保证冗余性，一个接入点2坏了的话整个网络还能正常运行。鉴于车子本身的大小，车载网上所有节点基本上都能够与任何一个节点通信，区别仅在于信号强度的大小。
WirelessHART标准的车内无线交互方法基于WirelessHART标准协议，但在某些方面针对车载网的具体情况做了修改和简化。例如，由于发送方和接收方都有多个频道可选择，它们同处一个频道就是一个概率性事件，所以加入节点收听的频道可能不是他所希望听到的广告帧所在的频道，WirelessHART组网时间具有不确定性。一般有几种方式可以加快这一过程，一是增加广告帧的发送频率，二是指定一个频道或少数几个频道为入网使用以增加接受到广告帧的概率，但是前者增加网络处理负担，后者减少可用频道不利于网络传输。考虑到WirelessHART标准的入网过程包括很多次数据帧交换，本发明采用另一个加快的办法：减少数据帧的交换次数。
被保留的WirelessHART协议的核心部分有：
1)网状网络。这样保证数据的可靠性。当一个节点或频道出现问题时其他节点及他们的数据传输都不会受到影响。
2)同步网络。这样既保证了数据的及时传输，也使得所有节点有一个同步的时间概念。
3)AES128位加密算法用在数据链路层和网络层，用于保密和认证。只有授权的节点才能加入网络。只有数据的发送方和最终接受方才能对数据解密。
4)密钥定期更新。可防止克隆仪表攻击。
5)网络层的计数器。无线节点3和网关1均初始配置有传输数据计数器，可防止拒绝服务攻击和重放攻击。
6)采用跳频技术。数据传输所用的物理频道在传输时动态计算出来。提高了可靠性和安全性。
7)提供重传机制。无线干扰不可避免。重传，大多在不同的频道，保证了数据安全到达目的地。
针对车载网的具体情况所做的修改和简化包括：
1)所有节点都与两个接入点2直接相连。节点之间的通信视具体应用而定。如果需要则配置节点之间的通信。
2)为缩短建网时间，接入点2固定在第一个物理频道上持续发送广播帧。其他节点收到广播帧后就获得了足够的信息以加入网络。如果该物理频道有持续干扰，则切换到下一个物理频道上发射。以此类推，直到找到干净频道。新节点在第一个物理频道上监听广播帧，如果一段时间内没有听到则换到下一个物理频道。以此类推。
3)为缩进一步短建网时间，新节点的配置，包括通信时隙(链接)，根据所赋予的两字节地址自动生成。不需要在入网请求后由网关1逐步写入新节点。也即一个新节点在收到第一个回应包后就正式入网了。这个包里有新节点的两字节地址。只有非接入点2的节点之间的链接根据需要由网关1配置到节点。
4)新节点的通信链接保证数据传输延迟在要求的范围内，同时有足够的带宽。
5)从任何一个节点到任何另一个节点都配置冗余路径。
6)应用层定义一个简单的HART命令。该命令用于从传感器31发送一个数据给网关1，或从网关1发送一个命令到驱动器。
7)由于车辆是移动的，不存在固定的干扰频道。所以我们的车载网不使用信道黑名单。所有的信道都使用。
因此，WirelessHART标准的车内无线交互方法包括：入网与组网阶段、通信阶段和网络搜索阶段。
入网与组网阶段包括以下步骤：
11：车辆启动后，开启车辆控制有线网络4、网关1和接入点2，接入点2首先与网关1建立通信，网关1初始化配置好接入点2；
12：网关1利用接入点2固定在一个频道上周期性地发送广告帧，若当前频道被干扰，则切换到另一个频道上，其中，网关1在使用某一频道通信前对该频道采样，确认该频道在相同时间内未被使用后才使用该频道进行通信；
13：无线节点3在网络搜索中，周期性地轮流在各频道上监听广告帧，当接收到一个广告帧时，通过该广告帧的内容确定与接入点2通信的时间和频道，并与接入点2同步，完成入网；
14：无线节点3向接入点2发送入网请求，接入点2将接收到的入网请求转发给网关1，由于传感器31和网关1有共享的入网密钥，它们之间的数据帧是经过加密的，网关1利用入网密钥对入网请求验证合格后，再根据入网请求建立无线节点3与接入点2之间的冗余路径并生成配置信息，该配置信息经接入点2转发给无线节点3，配置信息包括工作密钥和冗余路径；
15：无线节点3接收到配置信息后进行初始化配置相应的通信信息，完成组网，这样无线节点3就正式加入网络，并可以被车辆控制有线网络4上的设备访问。
通信阶段包括以下步骤：
21：当无线节点3向车辆控制有线网络4发送数据包时，无线节点3利用工作密钥加密数据包，并将数据包发送到接入点2，当数据包发送失败时，无线节点3按冗余路径将数据包发送到接入点2，接入点2将数据包转发给网关1，网关1接收并解密数据包后，将数据包转发到车辆控制有线网络4；
22：当车辆控制有线网络4向无线节点3发送数据包时，车辆控制有线网络4向网关1发送数据包，网关1对数据包进行加密后，将数据包经接入点2发送给无线节点3，无线节点3接收并解密数据包。
网络搜索阶段包括以下步骤：
31：当车辆熄火，车辆控制有线网络4、网关1和接入点2断电时，无线节点3检测不到接入点2后自动退网；
32：无线节点3开始按设定频率进行网络搜索，网络搜索时周期性地轮流在各频道上监听广告帧，同时随着退网时间的增加，减少搜索的频率。
本发明方法中。网关1对从任何一个无线节点3到其余无线节点3都配置冗余路径。如图3所示，设置接入点A为工作的接入点2，无线节点3有8个，分别用a、b、c、d、e、f、g标记，其中无线节点a到接入点A的冗余路径有两条，一条：a→b→A，另一条：a→c→d→A，这样就保证通信阶段中，在任何一条路径失败时数据还可以通过另外一条路径传送。
本发明将无线车载网络设置为同步网络，则点对点的通信也是同步的，每次通信采用的频道是在线计算出来的，计算公式是基于双方都知道的时间计数器，以及由网关1配置的共同信息(包括：当前网络使用的频道列表以及一个常量)，这样每次通信的物理频道都不一样。
本发明设置无线车载网络中所有通信数据都是用密钥加密的。每个无线节点3都设置了网络号和入网密钥，网关1也配置了入网密钥。网关1对每个无线节点3的入网请求，都采用入网密钥来验证，验证通过后，网关1才会配置网络短地址和工作密钥。网关1也会周期性地给每个无线节点3发送新的工作密钥，以避免长期使用同一个秘钥而被破解。
实际应用时，网关1可采用嵌入式计算机，接入点2采用通信模块，网关1一方面通过串口(如RS232等)与接入点2相连，另一方面通过通信线缆与车本身的车辆控制有线网络4相连。车辆控制有线网络4可以由CAN总线、LIN总线或者混合总线组建，以CAN总线为例，则网关1成为CAN总线上的一个设备，CAN总线的车载控制器可以对网关1进行访问，并通过网关1、接入点2与无线车载网络中的所有节点进行访问。网关1可以放在CAN总线所经过的任何地方，一般应该在事先流出的隐蔽的部位，网关1的接入点2通常直接从汽车供电。
车内的各种设备(例如传感器31、控制设备)都通过串口(如RS232等)与一通信模块相连，该通信模块与传感器31(或控制设备)共同组成无线车载网络中的一个无线节点3。无线节点3可安装在汽车的任意位置，采集该位置的信息、或对该位置的某个物件进行控制，比如轮胎内部的胎压传感器、临时贴在车窗上的感应器等。无线节点3通常是蓄电池供电，蓄电池可采用无线充电形式进行蓄电。
接入点2和众多的无线节点3共同组成一个工业级的无线车载网络。每个传感器31的数据保存在网关1上，网关1将该数据作为网关1的一个参数呈现在CAN总线上。传感器31周期性地发送包到网关1以更新数据。同样的，控制设备也作为网关1的一个参数呈现在CAN总线上，当系统发出控制命令时，网关1将控制信息发送到无线车载网络上相应的节点上，用于控制对应的执行器。
应用举例：假设一辆汽车的轮胎在夜间漏气，胎压过低。第二天驾驶员准备驾车出行，则有：
1.驾驶员插入汽车钥匙、点火启动汽车；
2.汽车因此供电，该无线车载网络立即开始自动组网；
3.漏气轮胎上的胎压传感器及时采集胎压并通过该无线车载网络将数据传送到网关1；
4.网关1通过通信线缆将胎压送往车辆控制有线网络4上的智能车载系统；
5.智能车载系统通过语音或视觉系统警告驾驶员；
6.驾驶员采取相应对策，避免了危险出行。

Claims (10)

1.一种基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，用于建立无线车载网络，所述无线车载网络包括网关(1)、接入点(2)和多个无线节点(3)，所述网关(1)接入车辆控制有线网络(4)，并连接接入点(2)，无线节点(3)和接入点(2)组网形成网状网络，其特征在于，该方法包括：入网与组网阶段、通信阶段和网络搜索阶段；
所述入网与组网阶段包括以下步骤：
11：车辆启动后，开启车辆控制有线网络(4)、网关(1)和接入点(2)，网关(1)初始化配置接入点(2)；
12：网关(1)利用接入点(2)固定在一个频道上周期性地发送广告帧；
13：无线节点(3)周期性地轮流在各频道上监听广告帧，当接收到广告帧时，通过该广告帧的内容确定与接入点(2)通信的时间和频道，并与接入点(2)同步，完成入网；
14：无线节点(3)向接入点(2)发送入网请求，接入点(2)将接收到的入网请求转发给网关(1)，网关(1)根据入网请求建立无线节点(3)与接入点(2)之间的冗余路径并生成配置信息，该配置信息经接入点(2)转发给无线节点(3)，所述配置信息包括工作密钥和冗余路径；
15：无线节点(3)接收到配置信息后进行初始化配置，完成组网；
所述通信阶段包括以下步骤：
21：当无线节点(3)向车辆控制有线网络(4)发送数据包时，无线节点(3)利用工作密钥加密数据包，并将数据包发送到接入点(2)，当数据包发送失败时，无线节点(3)按冗余路径将数据包发送到接入点(2)，接入点(2)将数据包转发给网关(1)，网关(1)接收并解密数据包后，将数据包转发到车辆控制有线网络(4)；
22：当车辆控制有线网络(4)向无线节点(3)发送数据包时，车辆控制有线网络(4)向网关(1)发送数据包，网关(1)对数据包进行加密后，将数据包经接入点(2)发送给无线节点(3)，无线节点(3)接收并解密数据包；
所述网络搜索阶段包括以下步骤：
31：当车辆熄火，车辆控制有线网络(4)、网关(1)和接入点(2)断电时，无线节点(3)检测不到接入点(2)后自动退网；
32：无线节点(3)开始按设定频率进行网络搜索，网络搜索时周期性地轮流在各频道上监听广告帧，同时随着退网时间的增加，减少搜索的频率。
2.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述无线节点(3)设置于车内移动或不可及的部件中。
3.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述接入点(2)至少为两个。
4.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述无线节点(3)由蓄电池供电。
5.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述工作密钥由网关(1)定期更新后，经接入点(2)发送给无线节点(3)。
6.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述无线节点(3)和网关(1)均初始配置有相应的入网密钥，所述无线节点(3)利用入网密钥对入网请求进行加密，所述网关(1)利用入网密钥对入网请求进行验证。
7.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述网关(1)对从任何一个无线节点(3)到其余无线节点(3)都配置冗余路径。
8.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述网关(1)在使用某一频道通信前对该频道采样，确认该频道在相同时间内未被使用后才使用该频道进行通信。
9.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述无线节点(3)和网关(1)均初始配置有传输数据计数器。
10.根据权利要求1所述的基于WirelessHART标准的车内无线交互方法，其特征在于，所述无线节点(3)和网关(1)之间数据传输所用的频道采用跳频技术在传输时动态计算得到。
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