隨著無(wú)線通信和Telematics技術(shù)的飛速發(fā)展，車載電子系統(tǒng)的智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化程度日益提高，而依靠大量物理和數(shù)字按鈕的傳統(tǒng)車載終端，不僅過(guò)程繁雜，而且嚴(yán)重影響操控效率和駕駛安全，很難滿足未來(lái)消費(fèi)者的苛刻需求。為此，提出基于QNX的車機(jī)藍(lán)牙無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)CAN-USB軟件信號(hào)處理模塊，采用藍(lán)牙短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，完成藍(lán)牙手機(jī)與車載終端的交互。該方案不僅增強(qiáng)用戶操控的便捷性，對(duì)于提升汽車品牌人性化方面也具有極其重要的意義。
    針對(duì)傳統(tǒng)車輛操控方面的問(wèn)題，先后出現(xiàn)了許多改進(jìn)方案和新型技術(shù)。2007年，湖南大學(xué)的胡賽純?cè)诨谒{(lán)牙的車輛智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中[1],論述了智能車載卡、基于Web的車輛電子檔案管理軟件和車場(chǎng)監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及關(guān)鍵的編程細(xì)節(jié)，為藍(lán)牙技術(shù)在車載領(lǐng)域的互連應(yīng)用提供了較好的參考方案。2010年，陳凱等在基于藍(lán)牙的礦山車輛胎壓監(jiān)控系統(tǒng)一文中[2]，設(shè)計(jì)了款帶有藍(lán)牙傳感器的胎壓監(jiān)測(cè)裝置,并通過(guò)CAN總線接收藍(lán)牙信號(hào)，對(duì)超出胎壓閾值的狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警。2011年，丁龍剛在基于藍(lán)牙的汽車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)中[3]以藍(lán)牙搖控為切入點(diǎn)，進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)藍(lán)牙潛在的拓展運(yùn)用，深刻揭示了基于藍(lán)牙的汽車物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和技術(shù)解決方案。但以上幾種藍(lán)牙技術(shù)的研究應(yīng)用尚處于探索階段，存在環(huán)境、安全、效率等方面的局限性。近幾年，以Telematics互連技術(shù)為代表的車聯(lián)網(wǎng)得到了迅猛的發(fā)展，能夠?qū)⒈銛y設(shè)備(手機(jī)、pad等)和車載終端通過(guò)各種無(wú)線通信協(xié)議有機(jī)地聯(lián)系在一起，極大豐富了車輛的功能和互動(dòng)體驗(yàn)[4]。
    為此,本文設(shè)計(jì)了一套以Telematics技術(shù)為核心理念的車機(jī)藍(lán)牙無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，借助藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)，將便攜設(shè)備與車載終端連為一體進(jìn)行監(jiān)控，不僅簡(jiǎn)化了車輛操控的復(fù)雜度，而且有效節(jié)約了車載終端有限的系統(tǒng)資源開(kāi)銷。
1 車機(jī)整體架構(gòu)
    本方案通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)便攜設(shè)備和車載終端的對(duì)等互連,以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制車輛的運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)車機(jī)藍(lán)牙互連系統(tǒng)包括以下核心模塊：
    (1) HMI人機(jī)交互模塊：向車載終端發(fā)送請(qǐng)求命令，或主動(dòng)接收推送信息，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示車輛的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。
    (2) 無(wú)線對(duì)等收發(fā)模塊：通過(guò)MCU指定管腳實(shí)時(shí)收發(fā)相關(guān)數(shù)字信號(hào)，并在終端解析相關(guān)參數(shù)。
    (3) CAN-USB信號(hào)收發(fā)模塊：以藍(lán)牙協(xié)議幀格式采集、轉(zhuǎn)換和和收發(fā)指定的CAN信號(hào)。
    手機(jī)端主要包括HMI人機(jī)交互模塊和無(wú)線應(yīng)用收發(fā)模塊,車載端主要包括CAN-USB信號(hào)收發(fā)模塊和無(wú)線應(yīng)用收發(fā)模塊。整個(gè)系統(tǒng)的核心處理流程為：首先用戶從手機(jī)端啟動(dòng)車機(jī)監(jiān)控應(yīng)用程序，開(kāi)啟藍(lán)牙搜索功能來(lái)搜尋周圍的藍(lán)牙設(shè)備；然后與選定的車載藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，并建立SPP連接；最后以藍(lán)牙協(xié)議棧為基礎(chǔ)，手機(jī)端和車載端通過(guò)無(wú)線應(yīng)用對(duì)等收發(fā)模塊完成數(shù)據(jù)交互。其核心架構(gòu)如圖1所示。

    圖1可見(jiàn)，整個(gè)車機(jī)架構(gòu)包含2個(gè)終端——手機(jī)端和車載端。采用藍(lán)牙SPP協(xié)議進(jìn)行無(wú)線對(duì)等通信，車載端通過(guò)CAN-USB模塊收發(fā)車輛狀態(tài)參數(shù)，手機(jī)端通過(guò)HMI實(shí)現(xiàn)與用戶的直接交互。因此，用戶不僅可以通過(guò)手機(jī)短距離無(wú)線控制車輛，而且還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，有效提升了車輛操控的便捷性。
2 車機(jī)藍(lán)牙監(jiān)控
    由于車輛內(nèi)部ECU與終端的信息交互主要靠CAN總線實(shí)現(xiàn)，而藍(lán)牙與ECU通信的硬件接口主要是USB，因此，CAN-USB模塊是完成車機(jī)互連系統(tǒng)的核心部分。
2.1藍(lán)牙互連技術(shù)
　藍(lán)牙是一種開(kāi)放的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸通信技術(shù),工作在全球通用的2.4 GHz頻段，其系統(tǒng)架構(gòu)包括：芯片模塊、協(xié)議棧模塊和應(yīng)用模塊。各模塊主要特性如下：
    (1) 芯片模塊：由無(wú)線跳頻(RF)、基帶(BB)和鏈路管理(LM)組成,主要負(fù)責(zé)建立連接、數(shù)據(jù)幀傳輸和安全控制。
    (2) 協(xié)議棧模塊：包括邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、串口仿真協(xié)議和電話通信協(xié)議。主要作用是適配、解析芯片模塊收發(fā)的信號(hào)，并為上層應(yīng)用提供功能接口。
    (3) 應(yīng)用模塊：根據(jù)功能需求，利用協(xié)議棧接口實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸?shù)母呒?jí)應(yīng)用。
    整個(gè)藍(lán)牙架構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅具有低成本、低功耗、體積小等優(yōu)勢(shì)，而且采用重傳機(jī)制來(lái)確保鏈路的可靠性。同時(shí)，在整個(gè)藍(lán)牙架構(gòu)體系中，可實(shí)現(xiàn)多種安全機(jī)制分級(jí)保護(hù)措施，并通過(guò)跳頻技術(shù)消減網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中其他無(wú)線設(shè)備的干擾。
    可見(jiàn)，藍(lán)牙互連技術(shù)不僅高效解決了短距離無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信的難題，而且實(shí)現(xiàn)了短距離多個(gè)終端設(shè)備的互連、互控，為車輛無(wú)線操控的便捷性和安全性提供了有力的技術(shù)保障。
2.2車機(jī)CAN-USB模塊
    整個(gè)模塊主要完成車輛和手機(jī)間的信息交互。手機(jī)端作為人機(jī)交互的窗口，一方面可監(jiān)測(cè)車輛的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，并以圖形模式形象地展現(xiàn)給用戶；另一方面可設(shè)置車輛內(nèi)部ECU參數(shù)，操控車輛的各項(xiàng)屬性。
    方案設(shè)計(jì)中CAN-USB模塊作為車機(jī)通信樞紐，完成互連終端間數(shù)據(jù)的相互傳遞。該模塊處理的信號(hào)主要包括CAN總線、K線和數(shù)字信號(hào)，負(fù)責(zé)車內(nèi)ECU數(shù)據(jù)的采集和配置,并通過(guò)CAN-USB模塊與藍(lán)牙終端建立數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線通信控制，整個(gè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖2所示。

    CAN-USB模塊主要功能包括：
    (1) 主動(dòng)推送特定的車內(nèi)數(shù)據(jù)到手機(jī);
    (2) 在手機(jī)的請(qǐng)求下返回車內(nèi)指定的數(shù)據(jù);
    (3) 在手機(jī)的控制下完成車內(nèi)參數(shù)的配置。
    監(jiān)測(cè)功能核心處理流程如下：首先CAN-USB模塊接收車內(nèi)特定CAN報(bào)文或數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行解析、過(guò)濾、封裝，發(fā)送到綁定的手機(jī)端；其次手機(jī)端主動(dòng)接收相應(yīng)的CAN報(bào)文幀信息，進(jìn)行對(duì)等解析、過(guò)濾和運(yùn)算；最后，數(shù)字化的信息通過(guò)圖形抽象處理，展示給用戶。
    同理，對(duì)于車輛ECU的操控，先通過(guò)手機(jī)端發(fā)送指令到車載端，車載端再轉(zhuǎn)發(fā)給CAN-USB模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的短距離無(wú)線遙控。整個(gè)車機(jī)數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

    設(shè)計(jì)CAN-USB模塊,建立藍(lán)牙與車輛各ECU模塊的通信樞紐，經(jīng)車機(jī)高級(jí)應(yīng)用程序處理，完成整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互，最終實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線監(jiān)測(cè)和控制車輛各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，有效提升了車輛駕駛的便捷性和安全性。
3 車機(jī)藍(lán)牙監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件實(shí)現(xiàn)的核心流程為：手機(jī)端HMI主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文或直接獲取推送的報(bào)文信息，經(jīng)收發(fā)管理模塊解析和封裝后，指令顯示在手機(jī)端或發(fā)送到車載終端，車載端通過(guò)對(duì)等收發(fā)管理模塊處理后，把指令信息發(fā)送給CAN-USB模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)化、解析和過(guò)濾處理后，CAN總線對(duì)車輛相應(yīng)ECU報(bào)文信息進(jìn)行采集或配置。
    整個(gè)軟件處理的偽代碼如下：
    Void  VehicleDetect ( )
     {  
    btPair(ip);               //藍(lán)牙配對(duì)
    link=createLink(port,ip);           //藍(lán)牙互聯(lián)
    multiThreadRev();   //多線程接收?qǐng)?bào)文數(shù)據(jù)
           //判斷共享緩沖中是否有未處理的數(shù)據(jù)
    while(1)
     {
     if(hasData)
     {
                                   //實(shí)時(shí)處理報(bào)文數(shù)據(jù)
     processData(Data);
     if(state==mobile)
     {
                //手機(jī)端渲染顯示報(bào)文數(shù)據(jù)
     renderData(Data);
     diplayDetectInfo();
     }
     else if(state==vehicle)
     {
        //車載端轉(zhuǎn)換usb數(shù)據(jù)格式為CAN報(bào)文格式
     UsbToCan(Data);
                                   //傳輸數(shù)據(jù)到指定的ECU控制器
     CanTransport(Data);
     }
     }
                                 //判斷兩端藍(lán)牙是否處于連接狀態(tài)
     if(haslink==0)
     {
     break;
     }
           //釋放空間
     free（Data）；
     }
其中，藍(lán)牙手機(jī)主動(dòng)發(fā)起配對(duì)請(qǐng)求，車載端輸入約定的配對(duì)碼后，建立SPP連接模式。經(jīng)以上邏輯代碼處理后，完成手機(jī)端和車載端的實(shí)時(shí)通信。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)
    本研究采用Freescale最新的i.MX6Q系列處理器，作為車載終端藍(lán)牙互連系統(tǒng)的主處理芯片，主要技術(shù)參數(shù)如下：1 GHz CPU主頻，1 GB×32 DDR3(400 MHz),32 MB 16 bit 并行NOR Flash，2路LVDS數(shù)字圖形輸出接口，支持OpenGL ES2.0和OpenVG1.1，顯卡集成了GPU圖形硬加速處理單元。軟件平臺(tái)選用可靠性和安全性極高的QNX實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并通過(guò)其自帶的IDE6.0對(duì)車載終端藍(lán)牙監(jiān)控代碼進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試。
    實(shí)驗(yàn)采用上汽集團(tuán)車載Telematic研發(fā)中心提供的一款概念車為測(cè)試車輛，測(cè)試的車控ECU單元主要包括車門、車窗、空調(diào)、雨刷和大燈控制單元。針對(duì)藍(lán)牙互連和車載終端兩種監(jiān)控模式的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)選用車門ECU操控單元為測(cè)試用例，分別采用車輛模式和車機(jī)模式進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)于完全相同的監(jiān)測(cè)單元，由于操控功能完全轉(zhuǎn)移到了熟悉的手機(jī)界面，手感和操作效率確定的便捷指數(shù)增加了17%,極大地體現(xiàn)了車輛設(shè)計(jì)的人性化。另外，手機(jī)端分流了車載端的某些功能，不僅使得可監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)大大增加，而且有效緩解了車載端的資源壓力，使得車載端CPU資源負(fù)載降低了近1/3，實(shí)時(shí)性也有了明顯提高。對(duì)于手機(jī)端，只要有藍(lán)牙功能，均可通過(guò)手機(jī)端的車機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)相關(guān)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，真正做到了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)無(wú)關(guān)性。

    本項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)理念，從物聯(lián)網(wǎng)的高度設(shè)計(jì)車輛短距離無(wú)線監(jiān)控應(yīng)用，將便攜設(shè)備與車輛進(jìn)行無(wú)縫連接，有效提升了車輛監(jiān)控的便捷性和智能性。
    以現(xiàn)代車載設(shè)備快速向智能性、便捷性及互連性發(fā)展為背景，以探索車機(jī)藍(lán)牙短距離無(wú)線通信的可控性、安全性和人性化為研究目標(biāo)，提出一套以QNX為車載軟件平臺(tái)的車機(jī)藍(lán)牙無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)方案。以手機(jī)端和車載端的藍(lán)牙SPP協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)CAN-USB模塊作為車機(jī)通信樞紐，對(duì)兩端藍(lán)牙無(wú)線指令數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)和處理;采用CAN總線實(shí)時(shí)采集和配置車輛ECU的各項(xiàng)性能參數(shù)。研究方案已被一汽某型概念車采納，現(xiàn)處于集成試驗(yàn)階段，下一步工作是加入藍(lán)牙語(yǔ)音監(jiān)控功能。
參考文獻(xiàn)
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