CN108668259A - 一种车联网无线多模网关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车联网无线多模网关系统，其包括终端接入部、网络接入部以及网关控制部，其中，网络接入部可使得车内的设备通过无线方式接入网关，从而实现车内设备的互相通信，而网络接口部可使得网关作为终端接入不同的外部网络，而网关控制部则可控制实现车内设备与外部网络之间的通信。本发明中的终端接入部采用IEEE802.11g无线网卡模块。网络接口部包括3G模块以及IEEE802.11g无线网卡模块。本发明中的无线多模网关系统，通过组建车辆内部无线局域网，并且为无线局域网内的车内设备提供外部网络接入功能，能够解决车辆内部的无线设备网络共享和接入外部网络的问题。

Description

一种车联网无线多模网关系统
技术领域
本发明涉及一种车联网无线多模网关系统。
背景技术
物联网发展的巨大潜力来源于其广泛的应用场景。到目前为止，物联网已经应用于智能电网、智慧医疗、智慧物流、智能家居和智能交通等各种行业领域。
车联网就是物联网技术在智能交通系统(ITS，Intelligent TransportationSystem)中的应用之一，是物联网应用于智能交通系统的具体实现。
车联网是在物联网的基础上解决智能交通的关键问题之一，车联网以车辆为基本信息单元，通过传感技术、信息采集技术、接入技术、传输技术、组网技术，将行人、车辆、路边设施等道路实体与交通管理网络、移动网络及后备网络连接；服务于车辆安全、交通控制、信息服务、用户网络接入等应用；最终目标在于实现一体化智能交通体系和无处不在的网络。
车辆行驶在高速公路上是车联网在提高行驶安全方面的典型应用，如果在高速公路上实现车联网，前后及相邻车道的车辆信息可通过车辆上的车载单元(On-Board Unit，OBU)通信获得，一旦周边车辆出现紧急状况，驾驶员便可根据提示及时避让，有效减少事故的发生；而通过使用安装在路边的路边单元(Road-Side Unit，RSU)，交管部门就可以利用RSU一方面实时采集到车辆更详细的运行情况，提高道路管理的信息化水平，另一方面将路况信息和其他多媒体服务信息实时通报给行驶在指定路段的所有车辆，提高信息发布有效性。可以说，以车联网为核心的广义智能交通系统，具有广阔的发展前景，是未来智能交通的发展方向；同时作为“国家中长期科学和技术发展规划纲要”中指定的重点攻关领域，车联网的应用可以提高智能交通系统服务水平、促进城市信息化系统建设，为发展和建设数字化网络城市提供有力的支持。然而在车联网系统中，车辆内部的无线设备需要接入外部网络，实现信息获取和传输功能，同时车辆内部的无线设备也需要互相直接或间接地连接，实现车辆内部信息共享功能，这两部分的功能需要通过车辆内部的无线多模网关来实现。
因此，如何设计车联网无线多模网关系统，以便为车辆内部设备提供宽带无线接入服务对于提供智能交通系统的发展水平具有重要的实用价值和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种车联网无线多模网关系统，以解决目前普遍存在的车辆内部无线设备网络共享和接入外部网络的问题。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种车联网无线多模网关系统，包括：
终端接入部，被配置为用于提供无线局域网的接入；
网络接口部，被配置为用于实现网关接入到不同的外部网络；以及
网关控制部，被配置为用于实现车内设备与外部网络之间的通信。
优选地，所述终端接入部采用IEEE802.11g无线网卡模块。
优选地，所述网络接口部包括3G模块以及IEEE802.11g无线网卡模块。
优选地，所述网关控制部包括一网关控制器；
终端接入部以及网络接口部分别通过USB接口与网关控制器相连。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明中的网关系统，包括终端接入部、网络接入部以及网关控制部，其中，网络接入部可使得车内的设备通过无线方式接入网关，从而实现车内设备的互相通信，而网络接口部可使得网关作为终端接入不同的外部网络，而网关控制部则可控制实现车内设备与外部网络之间的通信。本发明通过组建车辆内部无线局域网，并且为无线局域网内的车内设备提供外部网络接入功能，能够解决车辆内部的无线设备网络共享和接入外部网络的问题。
附图说明
图1为车内无线局域网的结构示意图；
图2为网关接入外部网络的结构示意图；
图3为本发明中车联网无线多模网关系统的示意图；
图4为本发明中车联网无线多模网关系统的硬件结构框图；
图5为USB总线拓扑结构示意图；
图6为本发明中车联网无线多模网关系统的软件启动流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明实施例述及了一种车联网无线多模网关系统，该系统主要实现两部分的功能：
1)为无线终端提供接入
构建一个车内的无线局域网，使得车内的设备通过无线方式接入网关后，可以实现车内设备互相通信，系统结构如图1所示。
2)无线网络接入功能
无线多模网关可以作为终端接入不同的网络，如3G网络和无线局域网。
在此基础上，接入到网关的车内设备需要和外部网络通信时，就可以通过网关选择一个合适的外部网络接入，系统结构如图2所示。
综合这两部分的功能，可以得到系统的总体设计结构如图3所示。
一种车联网无线多模网关系统，包括终端接入部、网络接口部以及网关控制部。其中：
终端接入部，用于提供无线局域网的接入功能；
网络接口部，用于实现网关接入到不同的外部网络；以及
网关控制部，被配置为用于实现车内设备与外部网络之间的通信。
网关控制部，管理各个网络模块和外围模块，是本发明实施例中网关的核心部分，运行应用程序和驱动程序，实现路由，数据包转发，用户配置等功能。
本实施例中的网关控制部包括一网关控制器；
终端接入部以及网络接口部分别通过USB接口与网关控制器相连。
如图4所示，网关控制器采用ARM11系列的S3C6410芯片作为核心处理器，外部扩展了256M RAM和2GB MLC2Nand Flash，网关控制器具有3个USB Host接口，1个mini USB接口，3个串口，1个SD卡接口，1个以太网接口以及1个带触控功能的LCD显示屏。
其中，SD卡接口用于烧写系统，LCD显示屏用于显示网关状态和输入信息。
S3C6410是三星公司推出基于ARM1176JZF-S核的32位微处理器，旨在为移动设备提供一个高性能，低功耗的应用处理器解决方案。S3C6410的主频达到667MHz，采用32位内部总线结构，由AXI、AHB和APB总线构成，包含了很多有效的硬件加速器，可以很好地完成视频处理，音频处理，2D图像处理，图像显示和缩放等功能。
为了节约系统成本和提高系统性能，S3C6410内置了很多硬件接口，比如摄像头接口，TFT-24位真彩色LCD控制器，系统控制器(功率控制)，4通道UART，32通道DMA，具有PWM输出功能的5通道32位定时器，通用I/O接口，I2S总线接口，I2C总线接口，USB Host接口，USBOTG设备操作功能，3通道SD/MMC主控制器和用于产生时钟信号的PLL。
通用串行总线(USB,Universal Serial Bus)是一种连接计算机和外围设备的串行通信标准，广泛应用于计算机和移动设备中。所设计的网关中外围模块都是通过USB接口和控制器连接。USB最显著的特点是支持热插拔和即插即用，使得网关控制器可以随时添加和删除网络模块，大大提高网关应用的灵活性。
当前最新的USB标准是USB 3.0，并且向下兼容，按速率可分为Low Speed，FullSpeed，Hi-speed和Super Speed，Low Speed的传输速率为1.5Mbps，即USB1.0标准；FullSpeed的传输速率为12Mbps，即USB1.1标准；Hi-speed的传输速率为480Mbps，即USB2.0标准；Super Speed的传输速率理论上达到5Gbps，即最新的USB3.0标准。S3C6410有两个USBHost接口，可以同时支持Low Speed和Full Speed USB设备。由于外围的网络模块需要较多的USB接口，所以网关控制器需要在USB Host接口的基础上进行扩展。
如图5所示，USB总线结构主要由以下几部分组成：USB Host控制器，负责处理主机和设备之间的物理层和协议层的连接，是USB系统的控制中心，通过内部总线和处理器相连。USB Hub用于USB系统的扩展，每个USB Host控制器都包含一个USB Hub，称为Root Hub，USB Hub可以接USB设备，也可以接USB Hub用于进一步扩展。USB设备，每一个USB设备都有一个唯一的地址，由主机分配给设备，一个Root Hub可以直接或间接连接127个USB设备，并且保证每个USB设备的传输都不会产生干扰。
网关控制器采用AU9245芯片对USB Host控制器进行扩展，AU9245是一款集成的单片USB Hub控制器，单个AU9245芯片支持4路标准USB接口的扩展，并且每个接口都具有功率开关控制和过流检测。网关控制器将S3C6410的USB Host控制器接口XUHDP和XUHDN和AU9245芯片连接，扩展出3路USB Host接口用于连接外围设备，1路USB Slave接口采用miniUSB接口，用于和PC机连接，用于传输数据。
网关控制器中的以太网接口主要有两方面的功能：
1.在系统和程序开发过程中，以太网口可以作为一个和PC机数据交换的高速通道，从而提高开发和调试效率。利用网络文件系统(NFS，Network File System)实现PC机和开发板数据共享或者使用FTP实现PC机到开发板的数据传输，都要用到以太网接口；
2.网关控制器可以通过以太网接口连接到计算机局域网中，在有局域网的环境下多了一种接入Internet的方式，可以为无线设备提供更快和更廉价的网络连接。
系统采用DM9000芯片作为以太网控制器，DM9000是一款集成单片的快速以太网MAC控制器，具有自适应的10/100M PHY和4K DWORD SRAM。DM9000同时支持3.3V和5V电压，可以和S3C6410处理器直接相连，提供标准的介质无关接口(MII,Media IndependentInterface)接口，符合IEEE802.3标准，通过网口可以接入局域网中。
硬件电路设计上，S3C6410的16位通用I/O口作为地址和数据复用线连接DM9000的SD0-SD15引脚，另外三个I/O口连接DM9000的IOR#、IOW#和INT引脚，分别控制处理器读命令，处理器写命令和初始化命令。
串口电路是嵌入式系统中常用的一种接口，虽然传输速率较慢，但是具有简单可靠的优点，只要一根线就可以实现双向通信。网关控制器中的串口主要用于和PC机连接进行通信和调试，在PC机的Linux系统下通过设置minicom工具，可以在PC机的终端操作网关控制器，极大地提高了调试和测试效率；另一方面，目前一些网络模块都具有单片解决方案，如一些Zigbee芯片等都集成了微处理器，由于成本问题或者处理速度问题，这些微处理器都没有USB接口，但是基本大部分都有串口，这样在和一些低速率单片嵌入式无线模块连接时，可以通过串口相连。基于这种扩展性的考虑，网关控制器扩展了3个串口。
串口具有多种标准如RS232-C，RS422和RS485等，一般PC机采用RS232标准，串口接口采用DB9接口。S3C6410具有3个异步串行接口(UART,Universal Asynchronous ReceiveTransmitter)，UART的电平采用3.3V的TTL电平，而RS232-C采用负逻辑电平，-3V～-15V为逻辑“1”，3V～15V为逻辑“0”，所以需要用SP3232芯片进行电平转换。SP3232工作电压为3v到5.5V，每片SP3232可以提供两路电平转换，系统采用两片SP3232连接S3C6410的UART0-UART2的RXD和TXD，转换后的TXD和RXD连接标准DB9接口。
LCD显示屏可以显示当前网关的状态，在调试过程中可以显示调试信息，同时LCD显示屏具有触控功能，可以通过虚拟键盘进行信息输入也可以在程序的界面上进行触控，实现人机交互功能。网关控制器采用群创7寸LCD模块，模块中自带了液晶驱动器，只需和S3C6410的相应管脚连接即可。
终端接入部需要实现无线局域网AP功能，考虑到越来越多的设备集成了wifi模块，采用当前应用最多的IEEE802.11g无线网卡可以获得最大程度的适用性。
IEEE802.11g无线网卡模块采用TP-LINK公司的TL-WN321G+无线网卡，TL-WN321G+无线网卡采用USB接口，最大传输速率为54Mbps，最大传输距离室内100m，室外300m。
TL-WN321G+工作在2.4GHz频段，最大发射功率为20dBm，同时支持IEEE802.11b和IEEE802.11g标准，在IEEE802.11b标准下最大传输速率为11Mbps，IEEE802.11g标准下最大传输速率为54Mbps。在IEEE802.11g模式下可以工作在Master模式、Managed模式以及AdHoc模式。TL-WN321G+接口支持USB1.1和USB2.0标准。TL-WN321G+在安全方面可以支持当前主流的WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2和WEP加密。
网络接口部提供了覆盖范围广的3G网络和速率快但是只在热点地区覆盖的无线局域网接口。其中，3G网络包括了WCDMA、TD-SCDMA和cdma2000三种网络模块，以保证网关在不同地点都可以选择最佳的3G网络。无线局域网采用IEEE802.11g网卡模块，因为当前大部分无线局域网都支持IEEE802.11g标准。
WCDMA模块采用华为公司E1750 3G网卡。
E1750支持3G和2G两种模式，3G模式下支持HSUPA、HSDPA和UMTS，2G模式下支持EDGE、GPRS和GSM。E1750的下行数据传输速率最大为7.2Mbps，上行数据传输速率最大为5.76Mbps，支持数据和短信服务。E1750采用USB接口，可以即插即用。
TD-SCDMA模块采用中兴公司的MU351 3G网卡。
MU351支持3G和2G两种模式，3G模式下支持TD-SCDMA网络，2G模式下支持EDGE、GPRS和GSM。MU351的下行数据传输速率最大为2.8Mbps，上行数据传输速率最大为236.8kbps。MU351采用USB接口，可以即插即用。
cdma2000模块采用中兴公司的AC8710 3G网卡。AC8710支持3G和2G两种模式，网络类型支持cdma2000 1x EV-DO Rev.A和cdma2000 1x RTT，数据传输速率为3.1Mbps。AC8710支持数据、语音和短信功能，采用USB接口，可以即插即用。
如图6所示，无线多模网关系统的软件部分是在硬件平台实现的基础上开发的应用软件，系统平台已经可以实现无线AP功能和3G拨号上网功能。
应用软件主要完成两部分的功能：一部分是无线AP和3G网络配置和监控功能，包括AP参数配置，启动和停止AP，3G网络拨号和断开功能；另一部分功能是实现无线局域网和3G网络连通功能，从而使无线设备可以通过无线多模网关接入到外部3G网络中，因为系统设计可以同时接入三种3G网络，所以软件也要实现对三种网络监控，以及选择合适的3G网络的功能，网络选择分为自动选择和手动选择两种方式。从软件的流程图中可以看出，软件主要分为三部分：AP功能管理，3G网络管理和路由及网络选择部分。其中，AP功能管理部分实现AP参数配置，Dhcp参数配置，启动和停止AP功能，检测接入AP的无线设备等功能。3G网络管理部分实现3G拨号上网，3G网络信息采集和3G网络信息显示的功能。由于在实际使用过程中，3G网络在一些信号覆盖不好的地方会经常掉线，所以添加了3G网络自动重新拨号的功能。路由和网络选择部分实现为无线设备选择合适的3G网络接入的功能，提供自动选择和手动选择两种选择方式。同时针对无线设备可以提供流量控制控制，即限制某个接入设备所获得的网络速率，也可以完成负载均衡和链路备份方面的功能。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种车联网无线多模网关系统，其特征在于，包括：
终端接入部，被配置为用于提供无线局域网的接入；
网络接口部，被配置为用于实现网关接入到不同的外部网络；以及
网关控制部，被配置为用于实现车内设备与外部网络之间的通信。
2.根据权利要求1所述的一种车联网无线多模网关系统，其特征在于，所述终端接入部采用IEEE802.11g无线网卡模块。
3.根据权利要求1所述的一种车联网无线多模网关系统，其特征在于，所述网络接口部包括3G模块以及IEEE802.11g无线网卡模块。
4.根据权利要求1所述的一种车联网无线多模网关系统，其特征在于，所述网关控制部包括一网关控制器，终端接入部以及网络接口部分别通过USB接口与网关控制器相连。
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