CN111031515A - 一种车载无线多制式混合组网的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车载无线多制式混合组网的方法，通过ZigBee模块、Wi‑Fi模块和蓝牙模块实现对车内部分有线网络的无线改造升级，根据ZigBee、Wi‑Fi和蓝牙不同的数据传输特性，将这三大模块分别应用在车辆环境监测、车辆信息传输以及车内娱乐互联上，其中使用ZigBee无线通信的车辆环境监测系统是对车载A类低速网络的改造，而使用Wi‑Fi和蓝牙无线传输面向信息、音视频系统是对车载D类网络的改造。终端信息状态都传送至中央处理器处理，再将汽车状态信息通过T‑BOX上传到云平台，继而实现移动终端对车辆相关信息读取以及相应功能控制。如此无线方案，有效减少因有线连接带来的布线和体积重量问题和费用开销。

Description

一种车载无线多制式混合组网的方法

技术领域

本发明涉及车载无线网络技术领域，具体涉及一种车载无线多制式混合组网的方法。

背景技术

随着电控系统的日益复杂，以及对汽车内部控制功能电控单元相互之间通信能力要求的日益增长采用点对点的链接会使得车内线束增多，这样在考虑内部通讯的可靠性安全性以及重量方面都给汽车设计和制造带来了很大的困扰，不利于多种车载传感器设备的扩展应用，严重阻碍了汽车智能化的发展。同时，随着互联网技术和移动通信技术的广泛应用以及移动智能终端的普及，随时随地的网络连接成为了人们生活、工作的需求。汽车用户不仅注重行车的智能性，还越来越注重汽车网联性，在行车过程中能进行网络连接以获取实时资讯、导航、音视频等车内娱乐互联也成了汽车用户及乘车人员的必备需求。

为了减少车内连线实现数据的共享和快速交换，同时提高可靠性等方面在快速发展的计算机网络上，实现CAN、LAN、LIN、MOST基础构造的汽车电子网络系统，即车载网络。为了解决车内联网问题，目前，越来越多的汽车已具备了连接无线网络的条件，通过在车内加装Wi-Fi信号发射器，使得乘车人员能连接无线网络，节省自身流量。随着智能网联汽车发展的快速推进及实现，车载电子设备间的信息共享会更加密切，信息传感设备数量随之大幅增长，造成传感器、控制器、和ECUs之间相互连接的线缆长度、重量和连接复杂度也急剧增加，以至于有线连接会带来很多问题。

(1)布线难度大：如今汽车布线复杂程度相当高，如同人体内的血管一样，一台汽车无论大小，它的布线长度同样令人难以想象。超过900m的布线，连接了车内各部位的电器设备与电脑监测设备，每操作一项简单的电器设备开关时，触发信号就要在车内走将近900米。同时，这也说明了当车辆电线发生短路时，也有可能带来极严重的后果。

(2)重量、体积大：由于汽车电子系统几乎呈指数增长，这就意味着布线的重量和空间也随之递增，传统的线束非常重且体积大，同样，印刷电路板体积也非常庞大，需要刚性支架才能安装和稳定。因此，如何减轻重量与体积从而减少能耗提高行驶里程成了汽车行业亟需解决的问题。

(3)功能集成时间长：汽车的研发较一般的电子产品相比时间非常漫长，一般更改内饰和娱乐信息设备的开发周期都要3～5年，有线连接无疑让设备的连接与调试增加了线路更改和设备兼容问题。

发明内容

本发明的目的是为了降低现有汽车布线复杂度，将部分有线连接改造成无线连接，提供一种车载无线多制式混合组网的方法。该方法对车载A类低速有线网络的和车载D类有线网络进行无线改造，其中使用ZigBee无线通信是对车载A类低速有线网络的改造，而使用Wi-Fi和蓝牙无线则是对车载D类有线网络的改造，大大降低传统汽车的布线成本，并相应地增加了车辆环境监测、车辆信息传输以及车内娱乐互联等三大功能模块。

为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：

一种车载无线多制式混合组网的方法，该方法首先根据汽车不同的连接方式分三大部分进行，对于基于LIN总线架构的A类低速网络，由于其数据传输速率通常在1～10kbit/s的低速网络，采用基于ZigBee的集中式星型无线组网，主要面向对通信实时性和安全性要求不高的应用，如电动车门车窗、温湿度传感器、空调、中央锁、座椅调节、灯光照明及早期的汽车故障诊断。对于基于MOST总线架构的D类高速网络，由于其主要面向信息、音视频多媒体系统，其数据传输速率最高可达22.5Mbit/s，采用基于高数据传输速率的Wi-Fi组建分布式网状结构组网，并同时兼容基于Bluetooth的无线传输模块，以实现车辆信息传输和车内娱乐互联功能。终端信息状态都传送至中央处理器处理，之后将汽车状态信息通过T-BOX上传到云平台，继而实现移动终端对车辆相关信息的读取以及相应功能的控制。其具体步骤如下：

(1)用ZigBee改造A类网络时，先由传感器采集到车门车窗、温湿度、空调等数据，将其数据传输端，连接核心板的LIN接口，然后核心板的无线通信端口通过USB接口连接ZigBee电路，完成数据从ZigBee路由无线传输至ZigBee协调器。

(2)用Wi-Fi组建改造D类网络时，采用Wi-Fi组建分布式网状结构组网，将通过MOST接口传送至核心板，然后同上，利用核心板的无线通信端口通过USB接口连接WIFI电路，使数据可以无线传输至WIFI节点。

(3)用蓝牙兼容D类网络时，也采用网状组网方式，将采集的车载音响、收音机和语音通话的信息通过MOST接口传送至核心板，利用核心板的无线通信端口通过USB接口连接蓝牙电路，从而达到蓝牙无线传输功能。

(4)对步骤(1)得到ZigBee数据，首先要判断Wi-Fi和蓝牙业务是否开启，若开启则要选择另一种业务的物理信道以避免同一设备不同无线信号的干扰，若未开启，系统自动选择所述一种业务的物理信道。

(5)对步骤(2)、(3)得到的Wi-Fi数据和蓝牙数据，传送至中央处理器时，同理也要先判断此时其他业务是否开启。

(6)对上述步骤得到的信号进行T-BOX中转处理，然后发送至云平台，最后发到移动终端。其中，在T-BOX连接一个GPRS模块，将信号用GPRS传输到云端。

本发明一种车载无线多制式混合组网的方法，对车载A类低速有线网和D类有线网作以下处理：该无线组网首先确定是对车载A类低速有线网和车载D类有线网进行无线改造，其中使用ZigBee无线通信是对车载A类低速有线网络的改造，而使用Wi-Fi和蓝牙无线则是对车载D类有线网络的改造，并相应地定制车辆环境监测、车辆信息传输以及车内娱乐互联三大功能模块；对于基于LIN总线架构的A类低速网络，采用基于ZigBee的集中式星型无线组网，主要面向对通信实时性和安全性要求不高的电动车门车窗、温湿度传感器、空调、中央锁、座椅调节、灯光照明及早期的汽车故障诊断；对于基于MOST总线架构的D类高速网络，采用基于高数据传输速率的Wi-Fi组建分布式网状结构组网，并同时兼容基于Bluetooth的无线传输模块，以实现车辆信息传输和车内娱乐互联功能；对上述开启ZigBee、Wi-Fi和蓝牙中的某一通信业务获取无线数据时，首先要判断其他两种业务状态，若开启则要选择另一种业务的物理信道以避免同一设备不同无线信号的干扰，若未开启，系统自动选择所述一种业务的物理信道；终端信息状态都传送至中央处理器处理，之后将汽车状态信息通过T-BOX上传到云平台，继而实现移动终端对车辆相关信息的读取以及相应功能的控制。

本发明的一种车载无线多制式混合组网的方法与现有技术相比较，具有如下优势：

本发明的车载网络不是通过有线方式连接，而是对传统汽车内的有线连接进行了针对性地改造，根据原车不同的传输特性，使用了多种无线组网方式对汽车内部传感器、控制和执行器之间的通讯进行改造，以满足不同的车辆功能和娱乐需求，有效减少有线连接带来的布线问题，体积重量问题和费用开销问题，给汽车的检测及控制、信息读取操作带来了便利。同时，由于ZigBee、Wi-Fi和蓝牙都工作在2.4GHZ频段，随着无线设备使用数量逐渐增多，该频段逐渐拥挤，相同频段间的信号间干扰也逐渐严重，所以本发明在混合组网时提供了一种快速排除干扰的简单方法。

附图说明

图1为本发明一种车载无线多制式混合组网的方法的总流程框架示意图。

图2为图1中车辆环境检测的ZigBee传输模块的具体流程示意图。

图3为图1中车辆信息传输的Wi-Fi传输模块的具体流程示意图。

图4为图1中车内娱乐互联的蓝牙传输模块的具体流程示意图。

图5为图1中不同无线信号间的干扰检测流程示意图。

图6为图1中的T-BOX上传云平台的具体流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的一种车载无线多制式混合组网的方法，如图1所示，具体实施方式如下：

(1)组网部分采用三网融合多制式组网，考虑到传输特点、可靠性及组网后的干扰问题，这部分主要分为ZigBee集中式星型组网，Wi-Fi和蓝牙分布式网状组网三种方式，组网后分别由ZigBee协调器、Wi-Fi节点和蓝牙主机与APU主控模块相连进行数据的实时处理，基于此结构，可实现利用无线传输方式快速处理车载电子设备的数据通信，满足车载电子设备数据的快速、便捷交互的需求。具体的组网方法如下：

(1-1)基于车辆环境检测功能的ZigBee组网流程如图2所示，包括Cortex-A7核心板、USB接口、ZigBee路由器以及用于连接车载电子传感器的LIN接口。车载电子传感器的数据传输端口连接LIN接口，核心板将LIN接口接收到的信号转换成并行数据信号，并通过USB接口转发给ZigBee路由器；ZigBee路由器也将无线信号转换成并行数据信号，并依次通过USB接口、核心板转发到LIN接口。

具体而言，LIN接口的数量为至少一个，而允许同时接入的车载电子传感器可以有多个。核心板采用Cortex-A7型的核心板，含有型号为i.MX 6UL的CPU，并装载Linux平台，集成2.4GHz/5GHz频段接口，支持基于IEEE 802.15.4的ZigBee协议标准。在一个实施例中，ZigBee可采用型号CC2530的芯片，使用ZigBee进行组网，不仅组网方便，抗干扰能力强，数据可靠，通讯安全级别高，而且大大降低功耗，具有低成本的特点，所以在环境监测方面有着很广泛的应用，可根据需要拓展车内甲醛、二氧化碳、灰尘等空气监测。

(1-2)基于车辆信息传输功能的Wi-Fi组网流程如图3所示，与ZigBee组网不同之处在于此部分无线通讯针对的是高速率的信息传输，采用网状网结构保证了高速率链路的可靠性。其传输过程为车载电子传感器的数据传输端口连接CAN接口，核心板将CAN接口接收到的信号转换成并行数据信号，并通过USB接口转发给Wi-Fi节点。

其中Wi-Fi芯片的型号为ATWILC3000-MR110CA，2.4GHz ISM频段的单空间流，完全集成的射频功率放大器，提供非常低的功耗；另外，它支持各种开发环境，如Linux、免费的RTOS和Baremetal，因此它可以很容易地集成到主机系统中，并在产品web页面上提供了驱动程序。

(1-3)基于车内娱乐互联功能的蓝牙组网流程如图4所示，这部分针对的是中等传输速率的应用，如收音机、车载音响和语音通话，与前两种无线传输不同的是，Cortex核心板可加入一个OBD模块的连接，与各类应用信息一样可传输至蓝牙节点，最终经中央处理器传至APP，可起到协助ZigBee对汽车的运行状况进行监测的作用。

在一个实施例中，蓝牙采用Atmel公司的ATBTLC1000-2R110CA芯片，一款超低功耗蓝牙4.1系统级芯片，集成了收发器，调制解调器，MAC，TR开关和功率管理单元，可用作蓝牙低功耗连接控制器或数据泵，或嵌入了BLE连接和外接存储器的单独应用处理器。

(2)随着不同无线设备使用数量增多，2.4GHz频段逐渐拥挤，相同频段间的信号间干扰也逐渐严重，所以本发明在混合组网时提供了一种快速排除干扰的简单方法，其流程如图5所示。在实施例中，如果要开启ZigBee、Wi-Fi或蓝牙中的一种业务，首先要判断其他两种业务状态。例如要开启Wi-Fi业务，先判断ZigBee模块的工作状态，若ZigBee模块处于工作状态，则获取ZigBee模块的物理信道参数(包括信道号、信道带宽)，然后给出Wi-Fi可用的物理信道以避让ZigBee模块的物理信道，然后再判断蓝牙模块的工作状态。若ZigBee模块未处于工作状态，则直接进行蓝牙模块的工作状态判断。若蓝牙模块处于工作状态，同理获得蓝牙模块的物理信道参数，然后给出Wi-Fi最终的物理信道以避让蓝牙模块的物理信道，最后进入到Wi-Fi模块的业务进程。若蓝牙模块未处于工作状态，则直接进入到Wi-Fi模块的业务进程。最后再判断Wi-Fi业务是否结束，若Wi-Fi业务未结束，则继续上述步骤，否则关闭Wi-Fi业务。通过协调ZigBee、Wi-Fi和蓝牙的物理信道参数使得三者避免互相干扰，从根本上解决了问题。

(3)对于上述步骤获取的信息，传输至移动终端的流程如图6所示。该过程主要包括APU主控模块以及分别与之相连接的ZigBee、Wi-Fi模块、蓝牙模块和T-BOX。其中，GPRS模块直接通过网络将数据传出到云端，与移动终端通信连接，移动终端可为智能手机、智能平板或智能穿戴设备等终端设备。

具体的，ZigBee协调器、Wi-Fi节点和蓝牙主机通过汽车电子设备收到汽车当前状态或者外界环境状态，并将这种状态通过UART连接传输到APU主控模块，APU将采集的数据进行简单的冗余过滤、数据压缩处理，然后通过GPRS模块发送数据传输至用户终端，以便车主可以在终端获取车辆监测及信息。其中，GPRS模块可采用型号为Mt6261的芯片，并插入SIM卡。车主也可以在终端通过网络与服务器连接，间接与网络模块交互，继而使用APU主控模块提供控制车门、车窗、空调和监听中控警告的服务，实现远程控制。其中，APU本地存储部分中的数据库采用128bit的AES算法对其进行加密处理，HTTPS握手认证保证数据在网络传输过程中的安全，服务器和移动终端采用用户身份认证机制来提升平台的安全性。

至此，本领域技术人员应认识到，以上所述实施例已表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种车载无线多制式混合组网的方法，其特征在于对车载A类低速有线网和D类有线网作以下处理，其步骤如下：

1)该无线组网首先确定是对车载A类低速有线网和车载D类有线网进行无线改造，其中使用ZigBee无线通信是对车载A类低速有线网络的改造，而使用Wi-Fi和蓝牙无线则是对车载D类有线网络的改造，并相应地定制车辆环境监测、车辆信息传输以及车内娱乐互联三大功能模块；

2)对于基于LIN总线架构的A类低速网络，采用基于ZigBee的集中式星型无线组网，主要面向对通信实时性和安全性要求不高的电动车门车窗、温湿度传感器、空调、中央锁、座椅调节、灯光照明及早期的汽车故障诊断；

3)对于基于MOST总线架构的D类高速网络，采用基于高数据传输速率的Wi-Fi组建分布式网状结构组网，并同时兼容基于Bluetooth的无线传输模块，以实现车辆信息传输和车内娱乐互联功能；

4)对上述步骤开启ZigBee、Wi-Fi和蓝牙中的某一通信业务获取无线数据时，首先要判断其他两种业务状态，若开启则要选择另一种业务的物理信道以避免同一设备不同无线信号的干扰，若未开启，系统自动选择所述一种业务的物理信道；

5)终端信息状态都传送至中央处理器处理，之后将汽车状态信息通过T-BOX上传到云平台，继而实现移动终端对车辆相关信息的读取以及相应功能的控制。

2.根据权利要求1所述的一种车载无线多制式混合组网的方法，其特征在于：所述步骤2)中对所述基于车辆环境检测功能的ZigBee组网包括以下内容：

1)具体连接包括Cortex-A7核心板、USB接口、ZigBee路由器以及用于连接车载电子传感器的LIN接口；

2)数据具体传输路线为车载电子传感器的传输端口连接LIN接口，核心板将LIN接口接收到的信号转换成并行数据信号，并通过USB接口转发给ZigBee路由器；

3)所述Cortex-A7核心板，含有型号为i.MX 6UL的CPU，并装载Linux平台，集成2.4GHz/5GHz频段接口，ZigBee采用型号CC2530的芯片。

3.根据权利要求1所述的一种车载无线多制式混合组网的方法，其特征在于：所述步骤3)中对所述基于车辆信息传输功能的Wi-Fi组网包括以下内容：

1)采用Wi-Fi组建分布式网状结构组网，将车身电子传感器通过MOST接口传送至核心板，利用核心板的无线通信端口通过USB接口连接WIFI电路；

2)其中Wi-Fi芯片的型号为ATWILC3000-MR110CA，2.4GHz ISM频段的单空间流，完全集成的射频功率放大器。

4.根据权利要求1所述的一种车载无线多制式混合组网的方法，其特征在于：所述步骤3)中对所述基于车内娱乐互联功能的蓝牙组网包括以下内容：

1)Cortex-A7核心板另加入一个OBD模块的连接，与各类应用信息一样可传输至蓝牙节点，最终经中央处理器传至APP，起到协助ZigBee对汽车的运行状况进行监测的作用；

2)蓝牙采用Atmel公司的ATBTLC1000-2R110CA芯片，一款超低功耗蓝牙4.1系统级芯片，集成收发器，调制解调器等管理单元。

5.根据权利要求1所述的一种车载无线多制式混合组网的方法，其特征在于：所述步骤4)中基于2.4GHz频段的无线信号干扰排除简单方法包括以下内容：

1)开启Wi-Fi业务时，先判断ZigBee模块的工作状态，若ZigBee模块处于工作状态，则获取ZigBee模块的物理信道参数，包括信道号、信道带宽，然后给出Wi-Fi可用的物理信道以避让ZigBee模块的物理信道；

2)然后再判断蓝牙模块的工作状态，若蓝牙模块处于工作状态，同理获得蓝牙模块的物理信道参数，然后给出Wi-Fi最终的物理信道以避让蓝牙模块的物理信道。

6.根据权利要求1所述的一种车载无线多制式混合组网的方法，其特征在于：所述步骤5)中对所述车载终端信息传送至移动终端包括以下内容：

1)具体模块有APU主控模块以及分别与之相连接的ZigBee、Wi-Fi模块、蓝牙模块和T-BOX；其中，GPRS模块直接通过网络将数据传出到云端，与移动终端通信连接；

2)ZigBee协调器、Wi-Fi节点和蓝牙主机通过汽车电子设备收到汽车当前状态，并将这种状态通过UART连接传输到APU主控模块；

3)APU将采集的数据进行简单的冗余过滤、数据压缩处理，并对于本地存储部分中的数据库采用128bit的AES算法对其进行加密处理；

4)通过GPRS模块发送数据传输至用户终端，GPRS模块采用型号为Mt6261的芯片，并插入SIM卡；

5)网络传输过程中采用HTTPS握手认证，服务器和移动终端采用用户身份认证机制以保证数据在网络传输中的安全。

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