近年來隨著智能手機(jī)的普及和基礎(chǔ)4G CAT1 通信網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，電動(dòng)車智能化有了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。傳統(tǒng)的兩輪電動(dòng)車基本沒有智能化體驗(yàn)，同質(zhì)化比較嚴(yán)重，智能化作為提高用戶體驗(yàn)的重要一環(huán)也是電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)突破口。新能源汽車越來越受到消費(fèi)者的歡迎，普通客戶對兩輪電動(dòng)車智能化需求也在增大，兩輪電動(dòng)車的智能化升級同樣勢在必行^[3]。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)概述

TBOX 的核心組件EC600U CAT1 模組和L76K 定位模組。EC600U-CN 是LTE Cat 1 無線通信模塊，支持最大下行速率10 Mbit/s 和最大上行速率5 Mbit/s，支持opencpu 開發(fā)依托4G 網(wǎng)絡(luò)可以和服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，它內(nèi)部集成了Ble 模塊可設(shè)置為從機(jī)和主機(jī)藍(lán)牙報(bào)警器通過主從連接進(jìn)行無線組網(wǎng)通信。

L76K 是一款支持多衛(wèi)星系統(tǒng)（GPS、BeiDou、GLONASS、QZSS）的定位模組，可多系統(tǒng)聯(lián)合定位和單系統(tǒng)獨(dú)立定位，支持AGNSS 功能、內(nèi)置低噪聲放大器和聲表面濾波器。L76K 會(huì)周期性輸出NEMA 數(shù)據(jù)給CAT1，CAT1 解析后上報(bào)給服務(wù)器。用戶可以通過App查看實(shí)時(shí)定位功能和車輛行駛軌跡信息^[4]。TBOX 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 TBOX系統(tǒng)框圖

2 定位模塊

2.1 L76K模組簡介

L76K 模塊電壓范圍為2.7~3.4 V，典型值3.3 V。L76K 可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度定位以及對定位信號的快速跟蹤和捕獲。支持有源天線檢測和短路保護(hù)。通過NMEA 語句輸出顯示，便于及時(shí)、便捷地查詢天線狀態(tài)。L76K 引腳分配圖如圖2 所示。

圖2 L76K引腳分配圖

2.2 NMEA數(shù)據(jù)

NMEA 0183 是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association ）為全球定位系統(tǒng)制定的一套標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議^[5]。NMEA 語句結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 NMEA語句結(jié)構(gòu)

GNSS（Global Navigation Satellite System）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包含中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）。L76K 支持BDS、GPS、GLONASS 星系，GNSS 的默認(rèn)配置為BDS+GPS.

2.3 L76K參數(shù)配置

中控第一次上電CAT1 會(huì)對L76K 進(jìn)行參數(shù)配置。配置語句采用PCAS 格式：$PCAS<N>,<D>*<checksum><CR><LF>。

波特率設(shè)置9 600：N 取值01,D 取值1 對應(yīng)波特率9 600，示例：$PCAS01,1*1D。D 字段對應(yīng)的波特率如表1 所示。

如同波特率設(shè)置方法，L76K 的NMEA 語句輸出類型設(shè)置為GNGGA+GNRMC, 輸出頻率為1 s：N 取值03，D 取值：1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,,,0,0，完整的PCAS 數(shù)據(jù)為：$PCAS03,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,,,0,0*02。CAT1 初始化上電時(shí)發(fā)送給L76K 完成設(shè)置。

2.4 L76K AGNSS流程

實(shí)際應(yīng)用場景中TBOX會(huì)隨車推到地下室或者室內(nèi)無法定位的場景，在無效定位場景的時(shí)間超過2 個(gè)小時(shí)，L76K 內(nèi)部存儲的星歷數(shù)據(jù)會(huì)失效丟失，這時(shí)重新推到室外相當(dāng)于冷啟動(dòng)，定位時(shí)間會(huì)在2 min左右。為了解決該問題引入L76K AGNSS 功能，它在實(shí)際應(yīng)用場景中可以有效降低模組定位時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)^[6]。L76K 的AGNSS 功能需要CAT1 發(fā)送AIN-INI數(shù)據(jù)，它包含輔助經(jīng)緯度、GPS 周內(nèi)秒等數(shù)據(jù)，然后CAT1需要從FTP 服務(wù)器下載星歷數(shù)據(jù)發(fā)送到L76K。模塊收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后會(huì)將數(shù)據(jù)存儲到RAM 中，輔助實(shí)現(xiàn)快速定位。CAT1 的AGNSS 配置工作流程圖如圖4所示。

圖4 CAT1 AGNSS工作流程

3 CAT1通信模組

3.1 Ec600u主要功能簡介

TBOX 的主控是CAT1 模組EC600U， 它可以通過串口Uart 設(shè)置L76K 參數(shù)，接收定位信息，從FTP服務(wù)器下載輔助定位的星歷數(shù)據(jù), 并通過Uart 發(fā)送給L76K 完成設(shè)置；通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)可以主動(dòng)上報(bào)車輛狀態(tài)信息、接收回復(fù)服務(wù)器控制命令；內(nèi)部集成的Ble 模塊作為從機(jī)可以和Ble 報(bào)警器連接通信實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的信息和TBOX 交互。EC600U 原理圖如圖5 所示。

圖5 EC600U原理圖

3.2 CAT1和服務(wù)器通信

TBOX 的網(wǎng)絡(luò)通道接收、上報(bào)的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括兩部分：服務(wù)器直接和TBOX 通信數(shù)據(jù)，服務(wù)器通過TBOX透傳給Ble 報(bào)警器的數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)說明TBOX 本身和服務(wù)器的交互內(nèi)容。TBOX 和服務(wù)器的交互信息主要包含基礎(chǔ)信息、位置信息、報(bào)警器連接狀態(tài)信息。第一次初始化上電TBOX 需要入網(wǎng)鑒權(quán)，上報(bào)基礎(chǔ)設(shè)備信息包括ICCID、MAC(Ble)、固件版本號等信息；位置信息通過獲取到報(bào)警器電門狀態(tài)來改變上報(bào)頻率，啟動(dòng)狀態(tài)為8 s/ 次，熄火狀態(tài)10 min/ 次；Ble 報(bào)警器和TBOX 的連接狀態(tài)會(huì)根據(jù)連接狀態(tài)變化實(shí)時(shí)上報(bào)服務(wù)器。TBOX 服務(wù)器協(xié)議內(nèi)容如表2 所示。

TBOX 協(xié)議內(nèi)容是TBOX 和服務(wù)器直接的數(shù)據(jù)通信，協(xié)議內(nèi)容以外的命令數(shù)據(jù)TBOX 會(huì)直接透傳給Ble藍(lán)牙報(bào)警器。TBOX 數(shù)據(jù)通信流程圖如圖6 所示。

圖6 TBOX數(shù)據(jù)通信流程圖

4 CAT1和藍(lán)牙通信

4.1 CAT1和藍(lán)牙報(bào)警器連接過程

EC600U 內(nèi)部集成了藍(lán)牙模塊，Opencpu 開發(fā)設(shè)置藍(lán)牙為從機(jī)模式，藍(lán)牙報(bào)警器作為主機(jī)。手機(jī)App 和藍(lán)牙報(bào)警器連接后可以通過掃描TBOX 的二維碼獲取其MAC 地址并發(fā)送給報(bào)警器，報(bào)警器存儲接收到的MAC并掃描匹配附近設(shè)備的MAC 連接對應(yīng)TBOX。

4.2 數(shù)據(jù)鑒權(quán)

藍(lán)牙報(bào)警器和TBOX 藍(lán)牙連接成功后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)鑒權(quán)確認(rèn)雙方身份合法性。鑒權(quán)過程可分為4 步，①報(bào)警器發(fā)送數(shù)據(jù)開始鑒權(quán)，② TBOX 生成隨機(jī)數(shù)發(fā)送鑒權(quán)數(shù)據(jù)，③報(bào)警器解密得到隨機(jī)數(shù)取非后按照協(xié)議返回，④ TBOX 接收數(shù)據(jù)判斷返回隨機(jī)數(shù)是否和生成的隨機(jī)數(shù)取非一致，返回配對結(jié)果。

成功配對舉例( 數(shù)據(jù)十六進(jìn)制)：

ALARM 發(fā)05 05；

TBOX 發(fā)AA 11 11 11 11 EE 88；

ALARM 發(fā)BB EE EE EE EE 73 88；

TBOX 發(fā)02 03 / / 隨機(jī)數(shù)11 11 11 11 取非為EEEE EE EE，配對成功。

數(shù)據(jù)鑒權(quán)流程圖如圖7 所示。

圖7 TBOX數(shù)據(jù)鑒權(quán)流程圖

4.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)交互

TBOX 和藍(lán)牙報(bào)警器鑒權(quán)成功之后就可以進(jìn)入應(yīng)用數(shù)據(jù)交互的過程。鑒權(quán)過程TBOX 生成的隨機(jī)數(shù)作為應(yīng)用數(shù)據(jù)交互加密解密的密鑰。應(yīng)用數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)的最低字節(jié)進(jìn)行異或加密和解密。異或原函數(shù)：

u8 CMD_XOR(u8 *buf, u16 len, u8 nonce)

{

u16 i=0;

for(i=0;i<len;i++)

{

buf[i] = buf[i]^nonce;

}

return pdPASS;

}

舉例

從機(jī)隨機(jī)數(shù)是0x11223344, 那么異或用低字節(jié)0x44，發(fā)送數(shù)據(jù)如下。

原始數(shù)據(jù)：data[5]={0x11,0x11,0x11,0x11,0x11} 。

異或加密：0x11^0x44=0x39; CMD_XOR(data,5,0x44) 。

發(fā)送加密數(shù)據(jù)：data[5]={0x39,0x39,0x39,0x39,0x39}。

接收數(shù)據(jù)如下。

接收到加密數(shù)據(jù)：rece[5]={ 0x39,0x39,0x39,0x39,0x39}。

異或解密：0x39^0x44=0x11; CMD_XOR(rece,5,0x44)。

解密后數(shù)據(jù)：rece[5]={0x11,0x11,0x11,0x11,0x11}。

經(jīng)過以上步驟TBOX 和藍(lán)牙報(bào)警器完成了連接并可以正常通信。用戶通過手機(jī)App 可以遠(yuǎn)程控制報(bào)警器，實(shí)時(shí)查看報(bào)警器和TBOX 的狀態(tài)信息。TBOX 和藍(lán)牙組網(wǎng)后通信框圖如圖8 所示。

圖8 TBOX組網(wǎng)后通信框圖

5 結(jié)束語

Ble 組網(wǎng)TBOX 只要給設(shè)備供電就可以工作，給配套藍(lán)牙報(bào)警器添加網(wǎng)絡(luò)控制通道，遠(yuǎn)程查看軌跡定位。設(shè)備支持后裝，客戶可以自由選擇是否安裝，可為兩輪電動(dòng)車用戶進(jìn)一步提高智能化體驗(yàn)。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）