CN110913373A - 基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰方法。平台包括单跳星形ZigBee组网的安全防盗报警系统、多跳分布式ZigBee组网的车辆信息管理系统、WiFi分布式组网的多媒体信息传输系统，人机交互中心负责管理三类网络协同工作，将实时数据上传到云服务器，移动端通过连接云对平台进行远程操控。对于车载三类网络共存出现的干扰问题，提出基于时频优先级策略的协调方案，包括时频干扰检测模块，信道优先级和车载任务优先级列表，链路调度模块和信道跳变模块。本发明能够突破线束的制约，缩短车辆功能的集成时间，提升各类网络的实时传输数据和执行命令的效率，使无线通信网络在车内环境更加高效地协同工作。

Description

基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰 方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰方法。

背景技术

汽车网联化包括车载内部网络互联互通和车辆外部网络互联互通。车辆外部网络互联互通，随着移动互联网、4G/5G无线通信技术的发展已成为近年来的研究热点。当前车载内部网络的互联互通还主要依赖于有线网络连接搭建整车网络，实现车载传感器、控制器、电控单元等的信息共享和车辆运动控制，基于无线通信技术的车载内部网络搭建的研究还很少。

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更加密切，智能网联汽车的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，以至于当前基于有线网络连接形式进行车载内部网络组网的方式不仅会增加车载有线网络的布线难度、汽车的重量体积、车辆功能集成时间，而且会降低车载内部网络的可拓展性，不利于后期车载内部网络的升级拓展和维修保养。

无线通信技术作为有线连接的一种替代选择，可有效减少因有线连接带来的各种问题和费用开销。因此，在车辆上融合物联网相关的解决方案，展开面向车辆环境智能无线网络通信的研究，形成车载的无线网络控制系统，突破线束的制约，对缩短车辆功能的集成时间，提升车载乘客使用汽车电子设备的便利性和舒适性，增强车载内部网络模块的可拓展性和可维护性，促进智能网联汽车的研究与实现都具有重要意义。

车载内部网络根据传输数据和安全性会选择不同的组网方式，在车内空间短距离无线通信网络共存的环境下，必然会存在相互干扰的问题。当前的干扰协调方案，主要分为时域和频域两种，在时域上，当有任务发生碰撞时，通过静态RMS，动态EDF，时间片轮转等调度方法来解决时域上的冲突问题；在频域上，当发生同频干扰时，通常采用频率捷变，功率控制等算法切换信道来消除频域上的干扰问题。在同一网络环境下，未充分将两类协调方案结合起来消除干扰。

发明内容

为了克服当前车载内部基于有线网络连接的组网方式带来的布线难度、车辆体积大，车辆功能集成时间短，可拓展性差等问题，本发明针对车载内部传输速率和安全性的不同，提供一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台及其抗干扰方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，包括人机交互中心、安全防盗报警系统、车辆信息管理系统以及多媒体信息传输系统，所述人机交互中心作为平台的核心控制单元，所述安全防盗报警网络、车辆信息管理网络、多媒体网络都通过串口和其连接，作为外设，完成相应功能；所述人机交互中心主要由安卓板组成，负责车载内部多种网络的任务调度及通信协议的实现；所述安全防盗报警系统由单跳ZigBee无线模块和车载安防硬件设施组成，负责行车过程中突发状况的应急处理；所述车辆信息管理系统由多跳ZigBee无线模块、OBD模块、空气质量检测模块和仪表盘显示模块组成，负责车辆的自诊断以及车内环境的监测；所述多媒体传输系统由WiFi模块、音视频模块、语音导航模块、行车记录仪组成，主要负责车辆导航，行车记录的音视频流的传输以及娱乐信息的管理。

所述人机交互中心的安卓板实时处理的信息同步上传到云服务器，移动终端和云端互联对车内无线通信平台进行远程操控。

所述安全防盗系统采用基于ZigBee的集中星形网络拓扑，利用单跳集中的方式进行组网；ZigBee终端和车门、车灯、安全带、喇叭进行电气连接，第一ZigBee协调器广播信标，各个终端节点通过自组织方式搜索信标进行组网，实现协调器与无线模块节点一对多的数据传输，最后第一ZigBee协调器采集到的信息通过RS232传输至安卓板进行处理、存储。

所述车辆信息管理系统采用基于ZigBee的分布式树状网络拓扑，利用多跳分布式自组网；第一ZigBee路由连接车载OBD接口，同时也作为协调器实时采集车辆的码速、油耗、电量；第二ZigBee路由也作为协调器和甲醛传感器、温湿度传感器、PM传感器的终端节点进行无线连接，对车内的空气质量信息采集和预处理；第三ZigBee路由和仪表盘连接，实时显示其他两个路由器采集的信息；第二ZigBee协调器和三个ZigBee路由器互联将收到的数据打包处理通过RS232传到安卓板进行数据分析、存储。

所述多媒体信息传输系统采用基于WiFi的分布式网状网络拓扑，音视频节点，行车记录节点，语音导航节点和适配器连接，WiFi模块和STM32连接创建一个局域网，各个适配器通过搜索WiFi信号连接到网络中，将采集到的音视频煤流传输到STM32中进行预处理，最后通过RS232传到安卓板进行数据处理。

一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台的抗干扰方法，本方法依赖于上述车内无线通信平台以及存储于该平台的干扰检测和协调程序，所述程序设置时频干扰检测模块，ZigBee信道和车载任务的优先级列表，链路调度模块和信道跳变模块；所述程序基于平台的干扰检测和协调步骤如下：

步骤1：整个车内无线通信平台上电初始化参数或设置完成时，三类无线网络和人机交互中心进入工作状态；

步骤2：无线传感器节点或车载终端设备将实时数据通过无线链路传输到协调器侧，然后再通过串口汇集到安卓板，人机交互中心将处理后的数据或命令反馈给终端节点；当某一链路传输数据，在规定时间未收到ACK时，启动干扰检测机制；

步骤3：通过CSMA-CD冲突检测算法判断在时域上是否发生任务碰撞，如果有不同车载任务竞争核心处理器，则启动链路调度机制；

步骤4：如果没有时域上的任务冲撞，则对当前信道进行ED能量检测，判断RSSI接受信号强度是否超过阈值，当WiFi对ZigBee的同频干扰至其不能正常传输数据时，则进入信道跳变机制；

步骤5：干扰协调完成，各个网络进入有序高效的工作状态。

所述步骤3中的冲突检测算法和链路调度机制具体流程为：

步骤3.1：检测串口com1、com2、com3上的直流电压等级，若多个任务冲撞，超过平均电压等级，则发送冲突信号至安卓板；

步骤3.2：安卓板检测到时域干扰，根据车载任务优先级列表，比较冲撞任务的优先级，生成一个任务队列，按序执行任务；边执行边检测，防止发生二次冲撞，直到队列中的任务执行完毕，退出链路调度机制。

所述步骤4中的信道跳变机制具体流程为：

步骤4.1：检测到同频干扰，进行信道跳变，对信道标号i赋初值1，执行i++；

步骤4.2：根据信道优先级列表，选择第i个信道；

步骤4.3：对第i个信道进行ED，判断RSSI，若此信道没有受到干扰，则ZigBee网络切换至第i个信道，结束信道跳变过程；否则继续按信道优先级列表扫描。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实现车载内部无线网络控制系统，能突破线束的制约，缩短车辆功能的集成时间，增强车载内部网络模块的可拓展性和可维护性；将基于联合时频优先级的干扰协调方案应用在车载内部无线通信平台上，能提升各类网络的实时传输数据和执行命令的效率，使无线通信网络更加高效地在车内环境协同工作，提升车载乘客使用汽车电子设备的便利性和舒适性。

附图说明

图1是车内无线通信平台的总体架构。

图2是安全防盗报警系统。

图3是车辆信息管理系统。

图4是多媒体信息传输系统。

图5是干扰检测流程图。

图6是链路调度流程图。

图7是信道跳变流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的具体实施例作进一步详细描述：

如图1所示，一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，包括人机交互中心、安全防盗报警系统、车辆信息管理系统以及多媒体信息传输系统，所述人机交互中心作为平台的核心控制单元，所述安全防盗报警网络、车辆信息管理网络、多媒体网络都通过串口和其连接，作为外设，完成相应功能；所述人机交互中心主要由安卓板组成，负责车载内部多种网络的任务调度及通信协议的实现；所述安全防盗报警系统由单跳ZigBee无线模块和车载安防硬件设施组成，负责行车过程中突发状况的应急处理；所述车辆信息管理系统由多跳ZigBee无线模块、OBD模块、空气质量检测模块和仪表盘显示模块组成，负责车辆的自诊断以及车内环境的监测；所述多媒体传输系统由WiFi模块、音视频模块、语音导航模块、行车记录仪组成，主要负责车辆导航，行车记录的音视频流的传输以及娱乐信息的管理。

所述人机交互中心的安卓板实时处理的信息同步上传到云服务器，移动终端和云端互联对车内无线通信平台进行远程操控。

如图2所示，所述安全防盗系统采用基于ZigBee的集中星形网络拓扑，利用单跳集中的方式进行组网；ZigBee终端和车门、车灯、安全带、喇叭进行电气连接，第一ZigBee协调器广播信标，各个终端节点通过自组织方式搜索信标进行组网，实现协调器与无线模块节点一对多的数据传输，最后第一ZigBee协调器采集到的信息通过RS232传输至安卓板进行处理、存储。

如图3所示，所述车辆信息管理系统采用基于ZigBee的分布式树状网络拓扑，利用多跳分布式自组网；第一ZigBee路由连接车载OBD接口，同时也作为协调器实时采集车辆的码速、油耗、电量；第二ZigBee路由也作为协调器和甲醛传感器、温湿度传感器、PM传感器的终端节点进行无线连接，对车内的空气质量信息采集和预处理；第三ZigBee路由和仪表盘连接，实时显示其他两个路由器采集的信息；第二ZigBee协调器和三个ZigBee路由器互联将收到的数据打包处理通过RS232传到安卓板进行数据分析、存储。

如图4所示，所述多媒体信息传输系统采用基于WiFi的分布式网状网络拓扑，音视频节点，行车记录节点，语音导航节点和适配器连接，WiFi模块和STM32连接创建一个局域网，各个适配器通过搜索WiFi信号连接到网络中，将采集到的音视频煤流传输到STM32中进行预处理，最后通过RS232传到安卓板进行数据处理。

本发明还提供一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台的抗干扰方法：包括时频干扰检测模块如图5所示，ZigBee信道和车载任务的优先级列表，链路调度模块如图6所示和信道跳变模块如图7所示。基于平台的干扰检测和协调步骤如下：

步骤1：整个车内无线通信平台上电初始化参数或设置完成时，三类无线网络和人机交互中心进入工作状态；

步骤2：无线传感器节点或车载终端设备将实时数据通过无线链路传输到协调器侧，然后再通过串口汇集到安卓板，人机交互中心将处理后的数据或命令反馈给终端节点；当某一链路传输数据，在规定时间未收到ACK时，启动干扰检测机制；

步骤3：通过CSMA-CD冲突检测算法判断在时域上是否发生任务碰撞，如果有不同车载任务竞争核心处理器，则启动链路调度机制；

其中的冲突检测算法和链路调度机制具体流程为：

步骤3.1：检测串口com1、com2、com3上的直流电压等级，若多个任务冲撞，超过平均电压等级，则发送冲突信号至安卓板；

步骤3.2：安卓板检测到时域干扰，根据车载任务优先级列表，比较冲撞任务的优先级，生成一个任务队列，按序执行任务；边执行边检测，防止发生二次冲撞，直到队列中的任务执行完毕，退出链路调度机制。

步骤4：如果没有时域上的任务冲撞，则对当前信道进行ED能量检测，判断RSSI接受信号强度是否超过阈值，当WiFi对ZigBee的同频干扰至其不能正常传输数据时，则进入信道跳变机制；

其中的信道跳变机制具体流程为：

步骤4.1：检测到同频干扰，进行信道跳变，对信道标号i赋初值1，执行i++；

步骤4.2：根据信道优先级列表，选择第i个信道；

步骤4.3：对第i个信道进行ED，判断RSSI，若此信道没有受到干扰，则ZigBee网络切换至第i个信道，结束信道跳变过程；否则继续按信道优先级列表扫描。

步骤5：干扰协调完成，各个网络进入有序高效的工作状态。

上述的同频干扰主要是WiFi对ZigBee的干扰，当WiFi的源节点和接入节点距离小于3m时，WiFi对ZigBee的同频干扰可以忽略。其中信道优先级列表是按照ZigBee信道与三个常用WiFi信道1、6、11中心距离的不同进行的等级划分。第一优先级包含信道15、20、25、26，第二优先级包含信道11、14、16、19、21、24，第三优先级包含信道12、13、17、18、22、23。

上述的任务冲撞主要是两类ZigBee网络和WiFi网络同时竞争核心处理器所引起的，其中车载任务优先级列表是按照任务的周期性和实时性划分的。第一优先级为非周期实时的安全报警任务，第二优先级为周期实时的车辆信息管理任务，第三优先级为非实时的多媒体信息传输任务。

Claims (8)

1.一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，其特征在于：包括人机交互中心、安全防盗报警系统、车辆信息管理系统以及多媒体信息传输系统，所述人机交互中心作为平台的核心控制单元，所述安全防盗报警网络、车辆信息管理网络、多媒体网络都通过串口和其连接，作为外设，完成相应功能；所述人机交互中心主要由安卓板组成，负责车载内部多种网络的任务调度及通信协议的实现；所述安全防盗报警系统由单跳ZigBee无线模块和车载安防硬件设施组成，负责行车过程中突发状况的应急处理；所述车辆信息管理系统由多跳ZigBee无线模块、OBD模块、空气质量检测模块和仪表盘显示模块组成，负责车辆的自诊断以及车内环境的监测；所述多媒体传输系统由WiFi模块、音视频模块、语音导航模块、行车记录仪组成，主要负责车辆导航，行车记录的音视频流的传输以及娱乐信息的管理。

2.根据权利要求1所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，其特征在于：所述人机交互中心的安卓板实时处理的信息同步上传到云服务器，移动终端和云端互联对车内无线通信平台进行远程操控。

3.根据权利要求1所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，其特征在于：所述安全防盗系统采用基于ZigBee的集中星形网络拓扑，利用单跳集中的方式进行组网；ZigBee终端和车门、车灯、安全带、喇叭进行电气连接，第一ZigBee协调器广播信标，各个终端节点通过自组织方式搜索信标进行组网，实现协调器与无线模块节点一对多的数据传输，最后第一ZigBee协调器采集到的信息通过RS232传输至安卓板进行处理、存储。

4.根据权利要求1所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，其特征在于：所述车辆信息管理系统采用基于ZigBee的分布式树状网络拓扑，利用多跳分布式自组网；第一ZigBee路由连接车载OBD接口，同时也作为协调器实时采集车辆的码速、油耗、电量；第二ZigBee路由也作为协调器和甲醛传感器、温湿度传感器、PM传感器的终端节点进行无线连接，对车内的空气质量信息采集和预处理；第三ZigBee路由和仪表盘连接，实时显示其他两个路由器采集的信息；第二ZigBee协调器和三个ZigBee路由器互联将收到的数据打包处理通过RS232传到安卓板进行数据分析、存储。

5.根据权利要求1所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，其特征在于：所述多媒体信息传输系统采用基于WiFi的分布式网状网络拓扑，音视频节点，行车记录节点，语音导航节点和适配器连接，WiFi模块和STM32连接创建一个局域网，各个适配器通过搜索WiFi信号连接到网络中，将采集到的音视频煤流传输到STM32中进行预处理，最后通过RS232传到安卓板进行数据处理。

6.一种基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台的抗干扰方法，利用如权利要求1所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台，其特征在于：本方法依赖于上述车内无线通信平台以及存储于该平台的干扰检测和协调程序，所述程序设置时频干扰检测模块，ZigBee信道和车载任务的优先级列表，链路调度模块和信道跳变模块；所述程序基于平台的干扰检测和协调步骤如下：

步骤1：整个车内无线通信平台上电初始化参数或设置完成时，三类无线网络和人机交互中心进入工作状态；

步骤2：无线传感器节点或车载终端设备将实时数据通过无线链路传输到协调器侧，然后再通过串口汇集到安卓板，人机交互中心将处理后的数据或命令反馈给终端节点；当某一链路传输数据，在规定时间未收到ACK时，启动干扰检测机制；

步骤3：通过CSMA-CD冲突检测算法判断在时域上是否发生任务碰撞，如果有不同车载任务竞争核心处理器，则启动链路调度机制；

步骤4：如果没有时域上的任务冲撞，则对当前信道进行ED能量检测，判断RSSI接受信号强度是否超过阈值，当WiFi对ZigBee的同频干扰至其不能正常传输数据时，则进入信道跳变机制；

步骤5：干扰协调完成，各个网络进入有序高效的工作状态。

7.根据权利要求6所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台的抗干扰方法，其特征在于：所述步骤3中的冲突检测算法和链路调度机制具体流程为：

步骤3.1：检测串口com1、com2、com3上的直流电压等级，若多个任务冲撞，超过平均电压等级，则发送冲突信号至安卓板；

步骤3.2：安卓板检测到时域干扰，根据车载任务优先级列表，比较冲撞任务的优先级，生成一个任务队列，按序执行任务；边执行边检测，防止发生二次冲撞，直到队列中的任务执行完毕，退出链路调度机制。

8.根据权利要求6所述的基于联合时频优先级策略的车内无线通信平台的抗干扰方法，其特征在于：所述步骤4中的信道跳变机制具体流程为：

步骤4.1：检测到同频干扰，进行信道跳变，对信道标号i赋初值1，执行i++；

步骤4.2：根据信道优先级列表，选择第i个信道；

步骤4.3：对第i个信道进行ED，判断RSSI，若此信道没有受到干扰，则ZigBee网络切换至第i个信道，结束信道跳变过程；否则继续按信道优先级列表扫描。

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