车辆短程无线通信防碰撞车载终端装置的制作方法

本实用新型涉及一种V2V车车相互无线通信的车载终端设备，尤其涉及一种可实现汽车主动安全的基于车联网的V2V防碰撞车载终端装置，即，车辆短程无线通信防碰撞车载终端装置。

背景技术：

随着社会的发展，汽车保有量持续增长，汽车已经变成人们除“家与办公室”以外的第三个重要空间。城市交通的发展已经无法满足汽车保有量的增长，堵车成为社会性问题。伴随而来的交通事故亦已成为全球公共的交通安全问题。如何降低汽车相撞概率，降低人员伤亡已成为摆在我国交通安全面前的一道难题。根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的调查，汽车相撞的原因多数情况下在于信息的不透明。如果汽车之间可以“相互沟通”，让驾驶员彼此都知道对方的情况，就能很大程度上减少碰撞事故——这正是“V2V”通信技术的应用目标。

鉴于以上问题需求的驱动，考虑在车联网环境下，驾驶员能获得邻近车辆的实时信息，如车速、行驶方向和位置等，如果能在危险到来前，提前警示驾驶员，以确保其有足够的反应时间实施紧急避险行为，能避免交通事故的发生或者将事故造成的损失尽可能降低，同时，可以自动避开交通拥堵路段并节省燃油消耗，从而改善道路行驶的安全性、道路通行能力和能耗情况，并将有助于实现车辆自动驾驶。

目前应用的车联网产品大多以RFID为主，产品的性能和可扩展性很有限，只是针对一些传统功能进行了改进——利用嵌入式CPU提高产品性能和扩展功能，通过CAN总线扩展接口分别与扩展功能模块连接，并借助运算能力表现良好的操作系统对各种采集数据进行处理，省掉了传统常规的数采系统配套的附加设备。且其无线通信模块只能是点对点的连接方式，而且大部分服务依赖于车辆驾乘人员与服务中心的坐席人员之间的语音通话，完全缺乏严格意义上的组网的概念，所以现有关的车联网车载终端产品还存在很多的改进空间。

为了适应复杂多变的行车环境，满足当下的车联网络通信发展需求，设计开发适应V2V高效无线资源管理需求、自适应网络结构快速变化等特点的车载终端是非常有必要的。它与传统的移动终端不同的是，V2V车载终端需要满足车联网络具有的不同网络拓扑架构、终端移动模式、通信能量约束以及应用实时性要求；且相应实事已经证明，如果直接采用现有的通信方法设计的车联网系统，那么快速移动的行驶车辆根本不能有效的接入网络，更不用说有效的交互通信。

另外，车辆移动定位对于行车安全具有重要的使用价值。目前车辆定位技术应用广泛的是基于GPS的室外定位技术，然而，GPS信号却很容易受到障碍物的干扰和阻断，在密集的城市地带、隧道、室内等环境中，定位误差比较大，精度难以满足实际要求。

为了实现汽车快速行驶下的高效通信及车辆移动定位需求，必须考虑新的专用于车与车之间通信的网络接入方式和通信手段，集成多传感器信息组合导航，设计新一代V2V车载终端。

基于以上原因，本发明设计的V2V车载终端是基于专用短程无线通信(dedicated short range communication，DSRC)的车辆移动自组织网络系统，在一定空间范围内，通过车载通信设备相互感知对方的运动状态(定位信息、运动方向、速度、加减速)，实现车与车之间(V2V)信息交换，不仅从宏观上可以实现对道路资源的统筹安排，使城市交通合理化，秩序化，而且从微观上可以用来设计为安全问题考虑的车辆碰撞预警系统。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种基于ARM处理器、Linux系统开发的V2V车载终端的实现方案，是一种可实现汽车主动安全的基于车联网的V2V防碰撞车载终端装置，即，车辆短程无线通信防碰撞车载终端装置。

本发明的车辆短程无线通信防碰撞车载终端装置包括ARM Cortex-A9微控制器，该ARM Cortex-A9微控制器分别连接有北斗定位模块、车辆状态信息模块、负责车与车之间的无线通信与组网的V2V专用无线通信模块、CAN总线网络模块、显示模块、电源模块、声音报警模块和存储模块。

优选所述车辆状态信息模块包括MEMS惯导电路，所述惯导电 路包括压力传感器和9轴传感器，所述9轴传感器的9轴分为3轴加速度、3轴陀螺和3轴地磁信号。

优选所述存储模块为2GB DDR RAM和256MBNand Flash。

优选所述声音报警模块能够通过其具有的声音告警及车灯双闪告警模块根据防碰撞算法提供的报警级别进行相应的声音、车灯告警。

优选所述电源模块通过后装方式置于车内，能够为整个装置供电。

优选所述ARM Cortex-A9中央处理器相应配套有操作系统Linux 3.10.17。

优选还包括扩展模块接口，从而能够与无人驾驶、智能交通的扩展兼容接口。

优选通过在多个车辆安装本终端装置，能够实现凭借小范围的高速无线通信组网技术在车辆周围形成一个完整的无线通信安全局域网，以便车辆彼此之间相互感知对方的运动状态。

优选所述无线通信安全局域网有效距离在300米以内。

本发明具有以下优点：1、可实现凭借小范围的高速无线通信组网技术在车辆周围形成一个完整的无线通信安全局域网(有效距离300米内)，以达到车车之间的快速信息交换，克服了传统雷达预警直线传播的缺陷，为实现车辆安全行驶、V2V的系统运作提供关键技术支撑；2、根据车辆行驶速度、位置等车身状态信息，经车辆防碰撞识别算法分析，得出相应风险等级，实现车辆防碰撞的声、光信号报警；最终达到改善交通、提高行车安全的目的。3、该装置采用车身自供电方式，通过后装方式置于车内，安装方便；同时具备与无人驾驶、智能交通的扩展兼容接口，具有良好的扩展性。

附图说明

图1为V2V车载终端系统架构。

图2为V2V无线通信模块的逻辑结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1为V2V车载终端系统架构，图2为V2V无线通信模块的逻辑结构框图，该装置从硬件系统层面上包括：ARM Cortex-A9中央处 理器以及与其连接的各功能模块：车辆状态信息模块、V2V(车对车)专用无线通信模块、北斗GPS定位模块、CAN总线网络模块、显示模块、电源模块、语音模块、扩展模块接口、存储模块；软件层面分为两层：(1)操作系统采用Linux 3.10.17版本；(2)功能软件模块包含：WAVE组包/解析、数据包加/解密、多线程调度、发送及终端显示数据、车辆状态信息管理、超距离处理、北斗数据解析、NMEA184标准数据接口、实时快速认证、声音提示告警和灯光提示告警。

一、V2V(车对车)车载终端硬件系统

V2V车载终端的CPU芯片为ARM处理器内核芯片，采用的是ARM Cortex-A9内核。

车辆状态信息模块是基于北斗+MEMS惯导电路组合导航系统单元，即北斗定位子模块、MEMS惯导电路，MEMS惯导电路包括压力传感器和9轴传感器，9轴传感器的9轴分为3轴加速度、3轴陀螺和3轴地磁信号，用于采集车辆状态必要的信息如位置、速度、方向等，并自重组成数据包进行发送(发送的格式为ASC II或二进制式)；同时，解析收到的数据包，将数据元素恢复。

对于北斗定位模块，通过卫星生成车辆载体定位信息，通过UART通信接口与中央处理器Contex-9进行连接，向中央处理器发送数据，包括当前的格林尼治时间、所处的经纬度、海拔、行驶速度、搜索到的卫星颗数等。中央处理器将接收到的数据进行解析，当数据有效时，提取出经纬度和速度数据并存储。

高精度GPS定位模块采用北斗与MEMS惯导电路的组合导航定位模式。GPS-MEMS组合导航系统硬件整体结构从功能上可以分为MCU模块、通信模块以及由GPS、压力传感器和9轴传感器组成的导航信息采集模块三部分。其中MCU模块完成导航信息的处理和通信控制，通信模块完成将MCU处理后的车辆位置和姿态相关数据发送给显示终端或者其他后端设备，导航信息采集模块完成车辆载体的定位定姿检测。9轴传感器采用3轴加速度、3轴陀螺和3轴地磁信号的集成MEMS惯导电路传感器来实现设计，并通过SPI接口与中央处理器相连。

CAN总线网络模块：负责收集车上的CAN网络信息，并实时存储，将数据存储在SD卡上，方便对汽车进行故障分析。

关于V2V专用无线通信模块，采用IEEE8.2.11p标准，负责车与车之间的无线通信与组网，采用基于IEEE8.2.11p无线通信协议的 SAF5100和TEF5100芯片组实现将车辆的位置姿态和运动状态信息发送给周围车辆。

采用5.8G车联网V2V专用短程无线通信模块：负责车与车之间的无线通信与组网、一方面负责获取道路和其他车辆的相关信息，为车车联网构建通道；另一方面负责与外界通讯网络的接收与发送。车辆状态信息模块：采集车辆状态必要的信息如位置、速度、方向、短程历史轨迹，车型，长度，并自重组成数据包进行发送；同时，解析收到的数据包，将数据元素恢复。

液晶显示器采用3.5/7寸TFT真彩色屏幕，可以显示汽车相关信息并播放视频。另外，在模块中集成4线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏，保证输入的正确。显示控制模块采用触摸屏，可显示实时时间，并提供显示经纬度、自动报警等相关信息。

声光报警模块能够通过其具有的声音告警及车灯双闪告警功能根据防碰撞算法提供的报警级别进行相应的声音、车灯告警。

扩展模块接口为预留的RS232串口或以太网通信接口，以便于后期的扩展应用。

二、V2V车载终端功能软件

碰撞预警模块：根据本身车辆状态模块提供的实时数据，结合V2V无线通信方式获得的周边车辆实时状态数据计算，动态分析碰撞发生的可能性及所对应的风险级别。

实时快速认证模块：为适应行驶环境要求，需要快速安全认证，本发明使用PKI数字证书的方式进行认证，证书由权威证书中心签发，认证算法具有一定防破解的要求。

北斗数据解析和NMEA184标准数据接口：标准的北斗模块输出采用的是串口通信的方式输出，设计串口通信程序接收数据，设置相应的北斗数据采样频率，10hz/秒。北斗数据格式输出采用两种方式，一种是基于NMEA184标准协议数据格式，另外一种采用二进制数据格式，两种方式都需要相应的数据报文处理支持。

数据加密/解密：将传输的数据包用指定算法加密/解密，算法强度要达到一定的要求，密钥协商符合一次一密。

多线程调度：对数据接收和发送，北斗数据获取，显示告警等过程处理采用多线程控制方式。通过充分利用处理器的多线程功能和操作系统的多线程处理优势，以避免阻塞过程。

车辆状态信息管理：按MAC地址为标识发送车辆状态信息，按 特定标识保存收到信号的车辆信息，当车辆信息更新时记录到原标识为索引的的数据集中。

超距离处理：原有记录车辆离开信号有效区时，进行超距离处理。通过记录时间，当累加时间超过一定范围时，认定该车辆离开信号有效区。

声音提示告警和灯光提示告警：实时分析计算车辆距离、速度、方向等信息，通过车辆防碰撞预警算法综合处理，得出车辆碰撞的可能性，然后，根据碰撞的可能性的级别发出声音告警或灯光闪烁告警。

其基本工作流程为，首先，基于北斗的组合惯导系统对车辆的位置姿态和运动状态进行测量与解算；然后通过基于IEEE8.2.11p协议的车辆专用短程无线通信技术将车辆的位置姿态和运动状态信息发送给周围车辆，同时通过该协议接收其它车辆的位置姿态和运动状态信息。车辆在接收到其它车辆的位置姿态和运动状态信息后，通过根据本车与其它车辆的位置姿态和运动状态信息，判断出车辆之间可能发生碰撞的风险等级，然后该V2V车载终端根据车辆之间可能发生碰撞的风险等级为本车驾驶员提供声音报警，同时利用车灯双闪为周边车辆驾驶员提供警示。该V2V车载终端还为车辆提供地图导航、定位和图标报警功能。