TWI716087B

TWI716087B - 基於燈光的車輛端通信方法

Info

Publication number: TWI716087B
Application number: TW108130384A
Authority: TW
Inventors: 何朔; 丁林潤; 孫權; 胡慶林; 劉國寶; 金玥
Original assignee: 大陸商中國銀聯股份有限公司
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-01-11
Also published as: CN110012448B; WO2020125042A1; TW202025093A; CN110012448A

Abstract

本發明涉及一種基於燈光的車輛端通信方法，包括：接收用戶意圖並基於用戶意圖形成數據指令；基於頻移鍵控調製方式將數據指令轉換為模擬電壓信號；基於模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各燈光束的強度和/或閃爍頻率；其中，數據指令還包括對應於車輛標識的信息。其低成本方式實現車輛與路邊裝置之間的可靠而安全的通信，使得用戶向停車場、高速公路收費站之間的付費過程能夠高效完成。

Description

基於燈光的車輛端通信方法

本發明涉及通信技術，更具體地說，涉及一種基於燈光的車輛端通信方法。

對智能汽車的用戶而言，存在著豐富的電子支付需求，目前主要有三大類，第一類是卡類消費，有業務獨立結算的IC卡，主要應用於加油、停車、過路消費等專項業務；也有集成卡，主要指的是交通一卡通以及一些信用卡，可以通過統一支付平臺用來支付各類費用。第二類是會員服務消費，指的是使用不同汽車廠商定制的車載系統中提供的各項會員服務，包括緊急道路救援業務、實時交通信息服務、車輛診斷業務等。第三類是車載互聯網，即互聯網延伸到汽車領域。互聯網中有許多支付應用，比如手機銀行、支付寶等。通過手機和“車機”的互動，能夠實現手機豐富應用資源和車機的共享，使車機的功能更加豐富。面對龐大的電子支付場景，如何安全可靠、方便快速地實現車聯網支付是業界的研究重點。

在設計車聯網電子支付方案的過程中，發現目前的技術方案存在如下問題：支付發起方和支付接收方都需要重新安裝具備電子支付功能的專用設備，成本較高。此外，頻帶資源緊張，所使用的通信技術還需要重新申請頻段。

本發明的目的在於提供一種方便、可靠的車輛端通信方法。

為實現上述目的，本發明提供一種技術方案如下：一種基於燈光的車輛端通信方法，包括：a)、接收用戶意圖並基於用戶意圖形成數據指令；b)、基於頻移鍵控調製方式將數據指令轉換為模擬電壓信號；c)、基於模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各燈光束的強度和/或閃爍頻率；其中，數據指令還包括對應於車輛標識的信息。

可選地，對應於數據指令的數據包中包括多個數據幀，數據幀包括幀定界符和數據字段，其中，幀定界符指示一個數據幀的開始和/或指示不同狀態的數據幀。

可選地，數據幀劃分為多種狀態，數據包中各數據幀遵照預定狀態順序來分佈。

可選地，預定狀態順序包括：通信起始幀在車輛標識幀之前；車輛標識幀在用戶指令幀之前；用戶指令幀在通信結束幀之前。

為實現上述目的，本發明提供另一技術方案如下：一種與車輛進行通信的方法，包括：接收車輛發出的一系列燈光束以得到一系列圖像；基於一系列圖像來形成多個數據幀；基於多個數據幀來解析用戶意圖；其中，多個數據幀中的至少一個封裝有車輛標識信息。

可選地，接收一系列燈光束包括：檢測各燈光束的強度；檢測各燈光束的閃爍頻率。

本發明還公開一種基於燈光的車載通信裝置，包括：用戶意圖生成單元，用於接收用戶意圖並基於用戶意圖形成數據指令；調製單元，其基於頻移鍵控調製方式將數據指令轉換為模擬電壓信號；燈光調節單元，用於基於模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各燈光束的強度和/或閃爍頻率；其中，數據指令還包括對應於車輛標識的信息。

還公開一種與車輛進行通信的路邊裝置，包括：燈光接收單元，用於接收車輛發出的一系列燈光束以得到一系列圖像；數據幀提取單元，其基於一系列圖像來形成多個數據幀；用戶意圖解析單元，用於基於多個數據幀來解析用戶意圖；其中，多個數據幀中的至少一個封裝有車輛標識信息。

本發明提供的基於燈光的車輛端通信方法能夠以低成本的方式實現車輛與路邊裝置之間的可靠而安全的通信，使得用戶向停車場、高速公路收費站之間的付費過程能夠高效完成，無需佔用頻帶資源、不受頻帶串擾的影響，避免現有電子收費(Electronic Toll Collection； ETC)裝置的弊端被惡意利用，保證了用戶賬戶的安全性，提高了用戶的使用體驗。本發明還提供通信糾錯機制，以保證可見光通信的可靠性，這種機制有利於克服光學干擾和噪聲以及果凍效應。

在以下描述中提出具體細節，以便提供對本發明的透徹理解。然而，本領域的技術人員將清楚地知道，即使沒有這些具體細節也可實施本發明的實施例。在本發明中，可進行具體的數字引用，例如“第一元件”、“第二裝置”等。但是，具體數字引用不應當被理解為必須服從於其字面順序，而是應被理解為“第一元件”與“第二元件”不同。

本發明所提出的具體細節只是示範性的，具體細節可以變化，但仍然落入本發明的精神和範圍之內。術語“耦合”定義為表示直接連接到組件或者經由另一個組件而間接連接到組件。

以下通過參照附圖來描述適於實現本發明的方法、系統和裝置的優選實施例。雖然各實施例是針對元件的單個組合來描述，但是應理解，本發明包括所公開元件的所有可能組合。因此，如果一個實施例包括元件A、B和C，而第二實施例包括元件B和D，則本發明也應被認為包括A、B、C或D的其他剩餘組合，即使沒有明確公開。

如圖1所示，現有的電子收費(Electronic Toll Collection；ETC)系統是通過安裝在車輛上的車載裝置與安裝在收費站車道旁的天線之間進行無線通信和信息交換。它主要由車輛識別系統、中心管理系統和其他輔助設施組成。其中，車輛識別系統有車載單元(OBU)、路邊單元(RSU)、環路感應器等組成。OBU安裝在車輛前面的擋風玻璃上，它存有車輛的標識信息(例如，電子標簽)。RSU安裝在收費站旁邊，可以與OBU進行短距離信息交換。環路感應器安裝在車道地面下，用於感應來往車輛。中心管理系統有大型的數據庫，存儲大量已註冊的車輛和用戶的信息。

當車輛通過收費站時，環路感應器感應車輛，RSU發出問詢信號，OBU接收RSU發出的問詢信號，經數據解調交由控制單元進行處理，通過身份確認及驗證後，控制單元對電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory；EEPROM)進行數據讀寫操作，經編碼加密、再經調製、由天線發送信號。處理控制單元有密碼校驗、編程模式檢查、數據加密解密等作用，並負責對EEPROM的讀寫操作進行控制。EEPROM中存有車輛的身份(Identity；ID)號、車牌號、車型、駕駛員等相關信息。RSU分析OBU傳輸過來的信息，根據車輛ID號等信息，與數據庫中現有信息進行比對，從而對車輛進行身份識別，並根據應用場景而採取不同的操作，如進行結算操作時計算機收費管理系統需從該車的預付款項帳戶中扣除此次應交的過路費等。

在這種ETC系統中，OBU與RSU之間通常是採用專用短程通信標準協議(DSRC)來進行通信。DSRC技術是一種適用于智能交通系統領域的車車之間、車路之間的通信技術，它可以實現小範圍內圖像、語音和數據的實時、準確和可靠的雙向傳輸，將車輛和道路有機連接。通信發送端和接收端之間進行半雙工通信，即傳送和接收信息不能同時進行。DSRC採用主從式結構，以路邊單元為主，車載單元為從，即路邊單元擁有通信的主控權，而車載單元必須聽從路側單元的指令才能上傳信息。

這種ETC系統的普及受到如下諸多因素的限制：

1)設備成本過高，鋪設工作量大。以ETC為例，不僅需要在車輛前面的擋風玻璃上安裝OBU，在收費站附近安裝RSU，還需要在各大高速功率車道都安裝有環路感應器。

2)無線通信的頻譜緊張，需要進行頻譜資源申請，同時無線通信會產生電磁干擾。此外，這種通信在網絡不穩定的情況下也會出現付款失敗的情況。

3)保密性低。由於ETC採用的是短距離無線通信技術，如果其他收費系統如銷售時點情報系統(Point of Sale；POS)機接近ETC裝置時，也可以扣款成功，且不易察覺。

4)安全性低。以目前根據車牌識別來計算費用為例，無法規避車牌套牌的風險。

為了提高用戶的使用體驗，使汽車端的電子支付或交通付費更加方便、安全，本發明參考了現有的ETC系統，對其作出了重大改進或重新設計。

如圖2所示，本發明第一實施例提供一種基於燈光的車輛端通信方法，其示意性地包括步驟S10-S12-S14。

步驟S10、接收用戶意圖並基於用戶意圖形成數據指令。

具體地，用戶可利用其所持智能終端(例如手機)向車載系統(單元)傳達其意圖，用戶也可通過車載系統攜帶的語音採集設備或其他用戶界面向車載系統傳達用戶意圖。用戶意圖可以表徵用戶想與路邊單元進行通信以便進入停車場、付過路費等，其以數據的形式(例如，二進制數據)被車載系統所接收。其後，車載系統基於用戶意圖來生成數據指令，數據指令與數據形式的用戶意圖並不完全相同。

在生成數據指令的過程中，車載系統可對用戶意圖進行濾波及解析，濾除因干擾而產生的噪音，對用戶所表達的具有重複內容的意圖進行提取並精煉，轉化為路邊單元可以識別的數據指令，這使得雙方之間的通信可以高效進行。數據指令還包括對應於車輛標識的信息，這使得路邊單元可以確定與其通信的車輛的身份信息或駕駛員信息。此外，數據指令還可以包括用戶賬戶信息以及付款信息。

數據指令可以採用數據包的格式在車載系統的不同單元內傳遞，最終經調製而被轉換為模擬電壓信號。

為了便於接收端(路邊單元)區別不同的數據指令部分，數據包可以劃分為多個數據幀，每個數據幀包括一個幀定界符和一個或多個數據字段，幀定界符可用來指示一個數據幀的開始、或指示不同狀態的數據幀。同樣為了便於接收端區別不同的數據指令部分、以及確定車輛信息的標識信息，數據幀可被分類為多種狀態，例如包括：通信起始幀，用來指示發起數據指令的傳輸過程；車輛標識幀，用來傳輸車輛的標識信息；用戶指令幀，用來封裝經濾波、解析、精煉之後的用戶意圖；以及，通信結束幀，用來告知接收端結束通信。其中，可將用戶身份信號和車輛標識信息封裝於車輛標識幀中，用戶賬戶信息以及付款信息可封裝於用戶指令幀中。

應理解，數據幀的分類可以根據實際應用場合來進行調整，例如，用戶賬戶信息可以作為一種特定狀態的數據幀來傳輸，付款信息也可被設置為另一狀態的數據幀。備選地，用戶賬戶信息可以與車輛標識信息一起封裝於車輛標識幀中。

步驟S12、基於頻移鍵控調製方式將數據指令轉換為模擬電壓信號。

該步驟是為了將數據信號轉換為模擬信號。具體地，本發明中，採用二進制數據格式的數據指令將被轉換為頻移鍵控信號。

優選情況下，採用欠採樣頻移開發鍵控(UFSOOK)調製方式來進行上述數模轉換過程。它採用直流平衡差分編碼的形式，選用不同的信號頻率特徵來編碼位1和位0。作為示例，二進制數據0對應於第一批多個第一頻率的頻移鍵控信號，二進制數據1則對應於第二批多個第二頻率的頻移鍵控信號。作為進一步的示例，第一批多個具體為8個，第一頻率為120Hz，而第二批多個為7個，第二頻率為105Hz。可以理解，只要能夠使得二進制數據0能夠與二進制數據1明顯不同，其他形式的調製方式同樣是允許的。

經調製後，在車載單元側能夠產生一組模擬電壓信號。

步驟S14、基於模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各燈光束的強度和/或閃爍頻率。

在該步驟中，車載系統利用步驟S12中產生的模擬電壓信號來控制燈光系統，發射一系列燈光束以供路邊單元接收。具體地，根據模擬電壓信號的幅度變化和/或頻率變化，車載系統可以調節各燈光束的強度和閃爍頻率，從而這一系列燈光束將能夠表徵信息，以便向路邊單元發送數據指令。其中，這一系列燈光束可以由單個照明燈來發射，也可以由一組多個照明燈來發射。

作為對上述實施例的進一步改進，為了促進路邊單元對接收到的燈光束進行正確解析，同時濾除其中的干擾信息，路邊單元需要引入糾錯機制。相應地，車載系統也需要引入這種機制。

本領域技術人員理解，由於一些不確定因素(如LED和攝像機之間的距離以及環境照明條件)，通信中的錯誤及干擾不可避免。為了保證數據傳輸的可靠性，需要設計一個可以檢測並處理錯誤的機制。

為此，根據本發明的改進實施例，數據包中各數據幀遵照預定狀態順序來分佈。具體地，這種預定狀態順序包括：通信起始幀在車輛標識幀之前；車輛標識幀在用戶指令幀之前；用戶指令幀在通信結束幀之前。接收端在解析數據指令時，也將遵照這一狀態順序來糾錯，如以下第二實施例部分詳述。

本發明第二實施例提供一種與車輛進行通信的方法，其包括以下步驟S21-S23-S25。

步驟S21：接收車輛發出的一系列燈光束以得到一系列圖像。

在該步驟中，由路邊裝置(單元)接收車輛發出的一系列燈光束，檢測各燈光束的強度及閃爍頻率，從而得到一系列圖像。具體來說，對燈光束的接收由路邊裝置自帶的相機來進行，對強度以及閃爍頻率的檢測可由路邊裝置自帶的圖像處理芯片來進行；其中，相機和圖像處理芯片也可以是與路邊裝置集成的外部電子設備。

步驟S23：基於一系列圖像來形成多個數據幀。

在該步驟中，路邊裝置會分析步驟S21所得的一系列圖像來形成多個數據幀。作為一種示例，當一個圖像幀的灰度均值超過閾值時，其將被譯為二進制數據1，反之，被譯為數據0。當一組二進制數據構成幀定界符時，表示一個數據幀的開始，幀定界符還可以具體指示該數據幀的分類。可理解，幀定界符應具有特定的圖像特徵。

根據更優選的實施方式，相機工作在欠採樣模式下，以便於相機完整地接收到車輛所發送的原始信號(即光束)。當由低幀速率相機欠採樣時，比特值由不同的開關對表示。例如，出現像素都是開或關的兩個連續視頻幀時，用位0表示，而當出現一個像素是開、一個是像素關的兩個連續視頻幀時，則用位1表示。在需要用兩個視頻幀來解碼一個比特的情況下，數據傳輸的比特率是幀速率的一半。例如，當幀速率為30fps時，比特率為15bit/s。考慮到幀定界符開銷，數據速率將略低於15bps。

以幀定界符為劃分標誌，路邊裝置可以從一系列圖像提取到多個數據幀，數據幀可以分類為：通信起始幀、車輛標識幀、用戶指令幀和通信結束幀。應理解，每個數據幀都會對應於多個連續圖像，該多個連續圖像的組合特徵能夠使得該數據幀是獨特的。

步驟S25：基於多個數據幀來解析用戶意圖。

在該步驟中，根據通信起始幀，路邊裝置能夠確定用戶希望與其通信；根據車輛標識幀，路邊裝置能夠確定是哪台車輛或哪個用戶在與其通信；而根據用戶指令幀，路邊裝置能夠確定用戶的具體意圖，例如，請求停車、付停車費等。通信結束幀將終止整個通信過程。

利用燈光(或可見光)的通信中可能存在錯誤及干擾。具體來說，車輛上攜帶的車燈和交通燈通常由許多小型發光二極體(Light-Emitting Diode；LED)燈和不規則反射表面組成，這些不規則表面可能會產生光學干擾和噪聲，影響到接收器的解碼傳輸。另一方面，由於相機使用電子快門，容易產生果凍效應，即在拍攝高速運動物體時會產生拉長或彎曲等現象，這也給可見光通信的應用帶來了問題。因此，設計具體的通信方案來保證可見光通信的可靠性是非常有必要的。

為了應對上述技術問題，根據進一步改進的實施例，路邊裝置按照預定狀態順序來提取各數據幀。作為示例，一種預定狀態順序包括：通信起始幀在車輛標識幀之前；車輛標識幀在用戶指令幀之前；用戶指令幀在通信結束幀之前。

具體來說，如果路邊裝置在提取用戶指令幀之後，又緊接著提取到了車輛標識幀，路邊裝置會啟動糾錯機制來糾正可能的解碼錯誤。在不能經糾正來得到正確信息的情況下，路邊裝置可重置通信過程。

除了上述舉例的預定狀態順序之外，還可以另外設置多種數據幀狀態(或類型)、並相應地調節預定狀態順序。作為示例，可以增設用戶賬戶信息幀、付費信息幀，並按照通信起始幀-車輛標識幀-用戶第一指令幀-用戶賬戶信息幀-用戶第二指令幀-付費信息幀-通信結束幀，這樣更具體的預定狀態順序來進行糾錯。

本發明的第三實施例提供一種基於燈光的車載通信裝置，其至少包括用戶意圖生成單元、調製單元和燈光調節單元。其中，用戶意圖生成單元接收用戶意圖並基於用戶意圖形成數據指令。數據指令不僅包括對應於用戶意圖的信息，還包括對應於車輛標識的信息。

調製單元與用戶意圖生成單元相耦合，基於頻移鍵控調製方式將數據指令轉換為模擬電壓信號。燈光調節單元基於模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各燈光束的強度和/或閃爍頻率。

進一步地，該車載通信裝置還包括數據幀設定單元，其可與用戶意圖生成單元相集成或設置在調製單元內，其配置成：分別生成通信起始幀、車輛標識幀、用戶指令幀、和通信結束幀；並且將通信起始幀設置在車輛標識幀之前；將車輛標識幀設置在用戶指令幀之前；將用戶指令幀設置在通信結束幀之前。

在應用時，燈光調節單元可配置成控制汽車前照燈來發射燈光束並調節燈光束的強度和/或閃爍頻率，從而無需在車輛端設置任何額外的發光設備。

本發明的第四實施例提供一種與車輛進行通信的路邊裝置，包括燈光接收單元、數據幀提取單元和用戶意圖解析單元。它們之間兩兩耦合。燈光接收單元可採用相機來實現，其可捕獲車輛發出的一系列燈光束得到一系列圖像。數據幀提取單元基於一系列圖像來形成多個數據幀。用戶意圖解析單元基於該多個數據幀來解析用戶意圖。其中，多個數據幀中的至少一個封裝有車輛標識信息。

在提取數據幀時，數據幀提取單元配置成：按照預定狀態順序來提取通信起始幀、車輛標識幀、用戶指令幀、和通信結束幀；其中，預定狀態順序包括：通信起始幀在車輛標識幀之前；車輛標識幀在用戶指令幀之前；用戶指令幀在通信結束幀之前。

本領域的技術人員將會理解，結合本文中所公開的方面所描述的各種說明性邏輯塊、模塊、電路和算法步驟可以被實現為電子硬件、計算機軟件或兩者的組合。為了表明硬件和軟件間的可互換性，各種說明性部件、塊、模塊、電路和步驟在上文根據其功能性總體地進行了描述。這樣的功能性是實現為硬件還是軟件將取決於特定應用以及對總體系統所施加的設計限制。技術人員可以針對具體的特定應用、按照變化的方式來實現所描述的功能性，但是，這樣的實現方式決策不應當被理解為引起與本發明範圍的背離。

上述說明僅針對于本發明的優選實施例，並不在於限制本發明的保護範圍。本領域技術人員可能作出各種變形設計，而不脫離本發明的思想及附隨的申請專利範圍。

S10:步驟 S12:步驟 S14:步驟 S21:步驟 S23:步驟 S25:步驟 S27:步驟

圖1示出根據現有技術的高速公路場景下的ETC收費系統。

圖2示出根據第一實施例的基於燈光的車輛端通信方法的流程示意圖。

圖3示出根據第二實施例的與車輛進行通信的方法的流程示意圖。

Claims

一種基於燈光的車輛端通信方法，包括：a)、接收用戶意圖並基於該用戶意圖形成數據指令；b)、基於頻移鍵控調製方式將該數據指令轉換為模擬電壓信號；c)、基於該模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各該燈光束的強度和/或閃爍頻率；其中，該數據指令還包括對應於車輛標識的信息，其中，該數據幀劃分為多種狀態，該多種狀態包括：通信起始幀；車輛標識幀；用戶指令幀；通信結束幀。
根據申請專利範圍第1項之方法，其中，對應於該數據指令的數據包中包括多個數據幀，該數據幀包括幀定界符和數據字段，其中，該幀定界符指示一個該數據幀的開始和/或指示不同狀態的該數據幀。
根據請求項1之方法，其中，在步驟b)中，採用二進制數據格式的該數據指令被轉換為頻移鍵控信號，其中，二進制數據0對應於第一批多個的第一頻率的頻移鍵控信號，二進制數據1對應於第二批多個的第二頻率的頻移鍵控信號，該第一頻率不同於該第二頻率。
根據請求項1至3中任一之方法，其中，該數據包中各數據幀遵照預定狀態順序來分佈。
根據請求項1之方法，其中，該預定狀態順序包括：該通信起始幀在該車輛標識幀之前；該車輛標識幀在該用戶指令幀之前；該用戶指令幀在該通信結束幀之前。
一種與車輛進行通信的方法，包括：接收車輛發出的一系列燈光束以得到一系列圖像；基於該一系列圖像來形成多個數據幀；基於該多個數據幀來解析用戶意圖；其中，該多個數據幀中的至少一個封裝有車輛標識信息，其中，該數據幀包括：通信起始幀；車輛標識幀；用戶指令幀；以及，通信結束幀。
根據請求項6之方法，其中，該接收一系列燈光束包括：檢測各該燈光束的強度；檢測各該燈光束的閃爍頻率。
根據請求項6之方法，其中，按照預定狀態順序來提取各該數據幀；其中，該預定狀態順序包括：該通信起始幀在該車輛標識幀之前；該車輛標識幀在該用戶指令幀之前；該用戶指令幀在該通信結束幀之前。
一種基於燈光的車載通信裝置，包括：用戶意圖生成單元，用於接收用戶意圖並基於該用戶意圖形成數據指令；調製單元，其基於頻移鍵控調製方式將該數據指令轉換為模擬電壓信號；燈光調節單元，用於基於該模擬電壓信號發射一系列燈光束並調節各該燈光束的強度和/或閃爍頻率；其中，該數據指令還包括對應於車輛標識的信息，其中，該車載通信裝置，還包括：數據幀設定單元，其配置成：分別生成通信起始幀、車輛標識幀、用戶指令幀、和通信結束幀。
根據請求項9之車載通信裝置，其中，按照預定狀態順序來提取各該數據幀；其中，該預定狀態順序包括：將該通信起始幀設置在該車輛標識幀之前；將該車輛標識幀設置在該用戶指令幀之前；將該用戶指令幀設置在該通信結束幀之前。
根據請求項9或10之車載通信裝置，其中，該燈光調節單元配置成：控制汽車前照燈來發射該燈光束並調節各該燈光束的強度和/或閃爍頻率。
一種與車輛進行通信的路邊裝置，包括：燈光接收單元，用於接收車輛發出的一系列燈光束以得到一系列圖像；數據幀提取單元，其基於該一系列圖像來形成多個數據幀；用戶意圖解析單元，用於基於該多個數據幀來解析用戶意圖；其中，該多個數據幀中的至少一個封裝有車輛標識信息，其中，該數據幀提取單元配置成：按照預定狀態順序來提取通信起始幀、車輛標識幀、用戶指令幀、和通信結束幀。
根據請求項12之路邊裝置，其中，該預定狀態順序包括：該通信起始幀在該車輛標識幀之前；該車輛標識幀在該用戶指令幀之前；該用戶指令幀在該通信結束幀之前。