基于车联网的智能车载终端研制

姜竹胜，汤新宁，陈 军

（奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241009）

近年来，随着国民收入的不断提高，汽车已进入普通家庭。据预测，今后数年，我国的车辆保有量还将以10%～15%的速度持续增长。在车辆保有量高速增长的同时，我国的移动、无线技术领域也正处在一个高速发展的时期，各种移动、无线创新技术不断涌现并快速步入商用，应用市场异常活跃，移动、无线技术自身也在快速演进中不断革新。正是基于汽车与网络高速发展的背景下，以汽车为载体，通过无线网络连接的 “车载物联网”概念浮出水面，并且立即成为汽车与通信产业共同关注的焦点问题。国家 “十二五”规划的汽车产业发展目标中，明确提出要大力推动以3G无线物联与智能远程控制为手段、基于车载信息化的物联网战略；规划中同时也提出要发展宽带融合安全的下一代国家基础设施，推进物联网的应用。在物联网的分支中，最容易形成系统标准，最具备产业潜力的应用就是车联网。车联网作为物联网在交通领域的应用，将成为未来智能交通系统的重要组成部分。

1 国内外车载终端研究现状

1.1 国外

在国外，车联网系统已广泛应用，且产业成熟度较高。美国、欧洲与日本的车联网产业各有不同特色。

1）美国是较早推行车联网产业发展的国家之一，早在1997年，通用公司就已经推行了On-star业务，On-star把摩托罗拉无线通信模块、车辆定位技术及服务中心综合为一体，为汽车提供全方位的通信服务。而福特公司也适时推出了wingcast车载互联网服务，与On-star展开竞争。2010年以来，硬件价格大幅下降、需求增加、服务内容完善，美国的车联网产业进入了新一轮的快速发展阶段。美国政府与工业界也积极参加到车载物联网的研发中。车辆基础设施集成计划 （VehicleInfrastructure Integration）致力于利用无线通信技术使行驶中的车辆更紧密地与周围的环境相联系，从而提高交通系统的安全性。

2）欧洲的车联网产业呈现出和美国不同的特点，即以项目促发展。目前，欧洲大陆汽车年产量接近1400万辆，有将近2亿辆汽车在欧洲大陆行驶，与之相对的是基础设施已经不能维持道路安全的基本要求。基于这种情况，欧洲推出了e-Safety项目。该项目涉及各国政府、车厂、汽车零组件厂、电信业者、科技厂商、服务提供者、金融保险业者、研究机构等各个方面，以进一步提升行车安全。Fleet-Net是一个由欧洲多个汽车公司、电子公司和大学的合作项目，包括NEC公司、DaimlerChrysler公司、Siemens公司和Mannheim大学，其利用无线多跳自组织网络技术实现无线车载通信，能够有效提高驾驶员和乘员的安全性和舒适性。FleetNet的设计目标包括实现近距离多跳信息传播以及为驾驶员和乘员提供位置相关的信息服务。

3）日本车联网以市场需求为导向，产业发展呈现出发展快、功能性强的特点。在市场规模方面，目前，在日本使用G-Book服务的用户大约为300万，并以每年50万的速度在增长。

1.2 国内

和以上国家相比，中国的车联网产业刚刚起步，是以一种简化版的车联网运营模式 （即Telematics）向前推进，围绕车载智能平台进行集成，实现各类信息服务。中国的Telematics服务 （即车联网服务）发展相比起国外，实属后起之秀。自2009年3月25日，装备了G-Book系统的雷克萨斯第3代RX350正式登陆中国市场，标志着由汽车厂商主导的Telematics服务在中国正式商用。进入2010年，自主品牌生产商接过了接力棒，同年4月，上汽荣威350上市， 配备Telematics系统 （inkanet）。 而吉利的G-NetLink、华泰的TIVI、一汽D-Partner、长安汽车Incall等自主品牌汽车厂相继开始实施推出车联网服务。目前能提供车联网服务的车型偏少，信息服务不充分，不同厂商生产的智能终端、服务平台及信息服务还不能实现互联互通，因此也制约了车联网及其应用的发展。

智能终端是车联网的重要组成部分，目前国内外的终端产品还是基于嵌入式系统开发模式开发的，研发内容包括硬件、驱动软件、通信软件及其他应用软件多个方面，技术难度与开发工作量大，产品成本与可靠性也难以得到保证，制约了车联网系统的广泛应用。基于终端模块/芯片的解决方案可以较好地解决这一问题，但目前国内外还没有能满足智能终端需求的模块与芯片。大唐电信于2011年底推出符合汽车标准的TD通信模块，但该模块只提供TD通信，还不能作为智能终端的解决方案。

2 车载终端的硬件架构设计

目前，国内汽车行业使用的车载智能终端主要有2种:基于ARM+DSP的信息终端和基于X86架构工业PC机的信息终端。前一种系统开发技术难度较大，且成本较高；后一种系统易受振动、灰尘、潮湿、高温以及其他环境问题的影响，电能消耗量大，运行不稳定，升级困难，容易出现故障和数据丢失。

经过大量调研，本文主要研究基于CAN网络、2G/3G通信模块、ARM处理器和Linux的车载网络信息终端模块，并在此模块的基础上开发信息终端系统，功能和结构上进行高度集成，只需要外围添加少量电路元器件就可以设计出各种不同功能的车载信息终端。其模块硬件结构如图1所示。

1）汽车CAN网络接口采用Freescale公司的PowerPC处理器MPC555，汽车CAN网络上各ECU采集各自的传感器数据，再将其发送到CAN网络上，MPC555与汽车CAN网络直接相连，对CAN网络报文进行收发并处理。另外，处理器还能实现CAN总线数据的实时存储，能将数据存储在CF卡上，方便对汽车进行故障分析。与主处理器通过高速串行总线连接。

2）主处理器采用MagicEyes MMSP2系列，芯片型号为MP2520F（双ARM9核多媒体处理器，主频400 MHz，自带MPEG4硬件解码功能）；系统存储器需要256M DDR RAM，2GB Nand Flash，保证了车载智能信息终端的各个功能的需求。

3） 液晶显示器采用7寸 （800×480） 或10.2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。

4）RFID模块用于获取道路和其他车辆的相关信息，为车路联网与车车联网构建通道。

5）GPS无线定位模块采用S-98系列GPS模块，可同时追踪多达20颗卫星，并迅速定位。可接收全球定位系统接收器类型20个频道，L1的频率，1.023 MHz芯片速度，C/A码1.023 MHz芯片速度；水平定位精度＜2.5 m； 速度精度＜0.01m/s （高速）＜0.01°（heading）。

6）3G无线通信模块采用重邮信科股份有限公司的TDS-CDMA无线通信模块，TDM330无线模块主要功能:①制式为TD-SCDMA/TD-HSPA；②支持1880～1920、 2010～2025 MHz； ③支持HSDPA下行峰值速率2.8 Mb/s； ④支持HSUPA上行峰值速率2.2 Mb/s；⑤可适用于各种TD终端产品。

在信息终端模块的基础上，可根据市场需求扩展各种外围接口电路，从而研制出各种型号的车载信息终端。系统在车载信息模块基础上可以扩充WIFI、FM收音机、蓝牙和摄像头等模块。根据不同的功能需求可以进行裁剪，使车载信息终端的灵活性大大提高。

3 智能车载终端的软件架构设计

车载智能信息终端是一个复杂的系统，集成了多种通信与数据IO硬件，并提供对多种通信协议、数据处理、应用服务的支持，其软件非常复杂。因此，将终端软件分成两个大类:与具体业务和应用无关的基础软件部分、应用软件部分。

基础软件部分集成到模块中。计划设计的终端模块核心软件架构如图2所示。软件构架共分为5层，从低层到高层分别是硬件抽象层、操作系统内核层、基础软件层、应用软件层。应用软件部分即为应用软件层。

3.1 硬件抽象层

硬件驱动及系统启动等组成了硬件抽象层，位于操作系统以下，提供给操作系统层一个抽象的硬件概念，使操作系统能在不同种类的硬件设备上运作，具有灵活移植能力，使设备的持续发展与升级成为可能。针对车-路-网协同的需求及终端模块硬件架构，与现有终端相比，硬件抽象层增加了CAN、RFID的驱动。

3.2 操作系统内核层

对于车载智能信息终端而言，一个可裁剪、低资源占用、低功耗并同时满足实时性和多任务同时处理需求的操作系统是必需的。在众多的操作系统中，实时嵌入式Linux操作系统是比较合适的选择。Linux开放源代码，可以自由添加组件、修改基础框架，并可免费下载或授权价格相对较低，Linux应用开发人才资源丰富，便于开发高端的个人和行业应用，可以充分利用Linux现有资源，减少开发工作量，降低模块、终端的开发和使用成本。

3.3 基础软件层

该层是操作系统和各种软件应用之间的夹层，是为了更方便地实现对操作系统的利用而设计的，它的开放性直接关系到第三方软件商的进入便利性和产业链的结构。怎样充分利用现有开源的支持库和插件丰富信息终端支持功能，以及怎样开发专用的支持库是构架设计主要解决的关键问题之一。本项目在该层采用组件结构进行设计，利用现有的组件库，或定义各种新的支持库的扩展接口。该层提供重要的终端软件支持功能，这些功能总体上分为通用功能与专用功能2种类型。

1）通用功能可以充分利用已有的开源支持包来丰富和支持应用软件的运行和开发系统功能:如字库引擎、 图形引擎 [如SDL （C）、 GLEW （C++）]、文件系统、嵌入式数据库、浏览器引擎、多媒体支持库等。该部分还包括一部分通用通信服务功能包，如TCP/IP协议包、语音通信支持包、蓝牙等。

2）专用功能是本文计划开发的嵌入式应用中间件，专门用于车联网智能信息终端的服务，包括传感信息融合服务、车辆远程监控及诊断服务、RFID服务、3G/2G通信服务等，用于支持车-路-网协同信息服务，为应用层提供统一接口。

4 车载终端样机的开发与装车试验

车联网车载终端通信示意图如图3所示。车联网的车载终端增加了以下的装置:控制模块总成（集成了核心控制模块、GPS无线定位模块、3G无线通信模块、RFID模块等）、7寸液晶显示屏、GPS天线及3G天线。由于车内空间狭小，通信时延要求较高，车联网通信对于智能信息终端的可靠性和实时性提出了更高的要求，即稳定性:除了需要满足安全消息传输的高可靠性外，在实际电路中还需要减少毛刺和干扰，使系统在车内和室外环境下仍能保持稳定高效地工作；实时性:车联网通信系统中对于安全消息传输的实时性需要小于50 ms，这对于硬件芯片的处理速度和软件程序的运行效率都提出了更高的要求。

车载智能信息终端在设计上考虑到了充分的安全性，从软件上把用户的数据和程序与内核的、车身安全相关的程序及数据分别存储，互不干涉，并设计了系统值守程序，在系统异常或崩溃的时候可以重新启动系统或应用，保障了系统的可靠性。

同时，为了满足车联网终端模块的功能需求，除了需要道路传感设备之外，车辆制造厂还需设立监控中心。前端车联网终端模块和监控中心的信息交流接口是通过通信服务器实现的:所有车辆终端返回的命令和状态信息通过通信服务器获取，并提供给监控中心使用，监控中心发出的控制命令通过通信服务器转发给前端车载终端设备。中心监控管理软件实现接收前端车联网终端主机的GPS位置信息和各种命令数据，方便中心监控终端对前端车辆的运行状态实行监控，并将车辆运行位置实时显示在GIS电子地图中。监控终端微机及时处理车辆各类信息，并且能够查看前端车辆实时视频，必要时通过语音对讲功能与前方人员实行通话。

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