1、基于声波通信技术的电动车分时租赁车载终端研制 龙羿 肖剑锋 侯兴哲 孙洪亮 刘永相 王娅 国网重庆市电力公司电力科学研究院 桓瑞电气设备责任有限公司 摘 要： 随着电动汽车分时租赁商业模式业务蓬勃发展, 远程控制作为分时租赁全业务流程中最重要环节, 其快速响应程度直接影响全业务流程完整性和用户体验度。目前, 电动汽车车载终端主要采用 3G LTE、4G LTE、GPRS 等无线通信方式, 实时向平台管理中心上传车辆运营情况, 并接收由平台管理中心下发的远程控制指令。但是在信号恶劣地区, 其电动汽车车载终端会出现时延长、响应慢的现象, 直接影响用户体验度和平台管理中心对电动汽车的管理力度。为此,
2、 文中引入声波通信技术作为辅助通信方式, 采用“ASK+FSK”复合调制方式, 并结合“双麦录入”的抗干扰技术, 研制出具有高抗噪性声波通信功能的电动汽车分时租赁车载终端, 实现手机声波对车辆的控制, 为保障分时租赁全业务流程流畅性和完整性奠定坚实的技术支撑。关键词： 电动汽车; 分时租赁; 车载终端; 声波通信技术; 抗噪性; 作者简介：龙羿 (1987) , 男, 重庆人, 博士, 从事电气设备在线监测及电气工程新技术。Email:作者简介：肖剑锋 (1973) , 男, 重庆人, 硕士, 从事电力系统、高电压与电工新技术研究。作者简介：侯兴哲 (1965) , 男, 四川人, 硕士, 从
3、事电测与计量相关政策规划和科技管理工作。作者简介：孙洪亮 (1980) , 男, 山东人, 硕士, 从事用电信息采集技术研究。作者简介：刘永相 (1978) , 男, 重庆人, 博士, 从事电动汽车充电设施技术研究。作者简介：王娅 (1975) , 女, 重庆人, 本科, 从事无线声码通信技术应用研究。收稿日期：2017-05-17基金：国家科技支撑计划项目 (2015BAG10B00) Research and development of time-sharing leasing vehicle terminal for electric vehicle based on acoustic
4、 communication technologyLong Yi Xiao Jianfeng Hou Xingzhe Sun Hongliang Liu Yongxiang Wang Ya Chongqing Electric Power Research Institute; Huanrui Electrical equipment Co., Ltd.; Abstract： With the rapid development of time-sharing leasing business model for electric vehicles, remote control as the
5、 most important part of the all-service process of time-sharing leasing, the degree of its rapid response directly affects the integrity of business process and the sense of user experience. At present, electric vehicles terminals mainly adopt 3 G, LTE, 4 G, LTE, GPRS and other traditional wireless
6、communication methods, and upload data to the platform management center in real time, and receive the remote control command from the platform management center by them. However, in the weak signal area, the response of the electric vehicle terminal will become longer and slower, which will directl
7、y affect the user experience and the management degree of the electric vehicle management platform management center. Therefore, this paper uses the acoustic communication technology as an auxiliary way, puts forward the “ASK + FSK”integrated modulation methods, and combines with the “anti interfere
8、nce technology of wheat double entry”. Finally, with high ability of anti-noise acoustic communication function of time-sharing leasing vehicle terminal for electric vehicles is developed, which achieves mobile phone sound wave to control vehicle. This work lays firm technical support for keeping th
9、e fluency and integrity of the all-service process of time-sharing leasing.Keyword： electric vehicle; time-sharing leasing; vehicle terminal; acoustic communication technology; noise immunity; Received： 2017-05-170 引言随着电动汽车的大力推广, 以电动汽车作为载体的分时租赁商业模式蓬勃发展。车载终端作为管理平台与电动汽车的中间媒介是实现远程监控的唯一途径, 是电动汽车分时租赁全业务流
10、程的执行主体。其中, 远程控制是车载终端的主要功能, 支撑着电动汽车分时租赁全业务流程, 其快速响应程度直接影响用户体验度1-2。目前, 为了降低通信成本, 电动汽车车载终端仍主要采用 GPRS 无线通信方式, 实时与管理平台交互数据。但是, 在信号较弱地区, 其电动汽车车载终端会出现时延长、响应慢的情况, 严重影响了管理平台对电动汽车的管控力度, 直接影响用户体验度。为了解决这一问题, 主流作法是将蓝牙3、NFC/RFID4-6等近场通信方式引入至车载终端的研制, 实现蓝牙、NFC/RFID 与 GPS 和 GSM 等模块的控制和协调工作, 达到车辆的实时定位、身份自动识别、数据采集传输以及
11、远程实时监控等目的。但是, 蓝牙通信方式存在手机 APP 开发兼容性问题, 而 NFC、RFID 等刷卡方式存在需要额外增加制卡成本、发卡管理等问题。亟需引入一种兼容性更强、成本更低、管理更便捷的近场通信方式, 以辅助实现车载终端快速响应。目前, 声波近场通信凭借良好的开发兼容性、低廉成本、与手机的高度集成度和快速响应等特性已成为实现近场支付、控制的一种热门方式。声波通信作为一种无线通信方式, 是通过声波传递信息的。但是, 声波通信的研究起步较晚, 相关技术鲜有报道, 主要集中在水下声波通信领域。1945 年, 美国海军水声实验室研发出第一个水声通信系统, 主要用于潜艇之间的通信。在上世纪 7
12、0 年代后, 随着电子技术和信息科学的发展, 水声通信技术从模拟调制技术转向使用数字调制技术7。国内的中科院声学所、西北工业大学、哈尔比工程大学、厦门大学等研究机构在水下声波通信方面进行了研究。中科院声学所研究了声波信号在浅海中传播问题、海洋声波信道自适应匹配实验等, 并采用了信道估计、差错校正码等技术进行了水下通讯实验8。哈尔滨工程大学设计了跳频、多频、多频与调相混合、自适应 DCT 压缩、矢量量化以及人工神经网络压缩等方法9。厦门大学采用了 MFSK 对发射信号进行了调制, 用 FFT 方法对信号进行检测10。市面上, 声波近场通信技术已成功集成于智能设备。国外主要有 Chirp 和Zoo
13、sh 等两家声波通信产品。国内发展声波通讯技术主要以阿里巴巴为主导, 应用于当面付功能中11, 尚未应用于车载终端。为了解决传统近场通信方式所具有的兼容性差、成本较高、操作繁琐等问题, 有必要引入声波通信技术, 研制新型电动汽车分时租赁车载终端。文中介绍了声波通信基本原理, 从整体框架、声波解码模块、降噪算法、控制流程等方面对新型车载终端进行阐述, 最后对有效距离、抗噪性能等指标内容进行了测试以验证基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端的性能。1 声波通信系统模型通信系统根据信号处理的技术可分为模拟通信系统和数字通信系统。文中所涉及的声波通信模型是数字通信系统, 该模型如图 1 所示12。
14、图 1 数字通信系统模型 Fig.1 Digital communication system model 下载原图图 1 为数字通信系统模型, 发送端由信源编码器、信源加密器、纠错编码器和调制发送器组成。信源的作用是实现待发消息到电平信号的转换, 信源输出的信号为基带信号, 接着基带信号进入信源加密器和纠错编码器进行适当的变换处理, 使其能更好的适应信道传输特性的要求。其中, 调制器将信号调制到适合信道传输的频带内经信道传输给接收端, 接收端解调器对接收到的信号进行解调还原得到基带信号, 基带信号经纠错译码去除信号冗余、信源解密运算后传送给信宿, 信宿最终把电平信号转化还原回原始发送消息。在
15、图 1 的模型中, 通信信道为空气, 信源来自手机 APP 用户的操作指令, 信宿为新型车载终端的处理器, 根据解调后的指令信息执行相应的远程控制操作。2 基于声波通信技术的新型车载终端为了需要满足分时租赁业务, 实现电动汽车运行状态实时监测和管理平台对其的门禁、鸣笛等远程控制。同时, 引入声波通信技术, 辅助实现车载终端的快速响应, 解决通信时延问题, 提升用户体验度。由此, 研制出一种基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端。具体实物如图 2 所示。图 2 基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端实物 Fig.2 Object of time-sharing leasing vehic
16、le terminal for electric vehicle based on acoustic communication technology 下载原图2.1 整体框架基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端整体框架如图 3 所示, 包括了电源模块、处理器、GPS 模块、GPRS 模块、麦克风、功率放大模块、I/O 接口、CAN 驱动和 OBD 接口等内容。图 3 基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端整体框架 Fig.3 Configuration of time-sharing leasing vehicle terminal for electric vehicle bas
17、ed on acoustic communication technology 下载原图通过获取平台下发命令或手机直接发出命令时, 处理器解析出相关指令, 并通过 I/O 接口将信号传到所接入的车辆设备导线上, 从而实现对车辆的远程控制。而在 CAN 驱动下通过 OBD 接口从车辆所提供的 OBD 接口获取 CAN 总线整车运行状态数据, 实现车辆状态的监测。通信渠道包括了 GPRS、声波等两种方式。GPRS 通信渠道由 GPRS 模块、处理器、电源模块构成, 平台指令由 GPRS 模块接收。而声波通信渠道则由麦克风、功率放大模块、处理器、电源模块构成, 可通过手机直接下发控制指令, 由麦克风
18、接收。2.2 声波解调模块由数字通信系统模型可知, 信号处理的核心在于调制与解调部分。其中, 声波调制模块程序以 SDK 程序包的形式集成于手机 APP 中, 而声波解调模块则安装在该车载终端处理器中。2.2.1“ASK+FSK”复合调制方式信号的调制解调方式会影响其响应速度、抗噪性等性能。根据数字调制根据信号控制正弦载波参数的不同, 其声波信号调制方式可分为振幅键控 ASK、相移键控 PSK 及频移键控 FSK 等三种方式。例如支付宝当面付采用高低电平的方式进行编/解码, 而 chirp 通过模拟声波的振幅进行编/解码13。为了从基本原理上增强声波通信技术的抗干扰能力, 综合 ASK 和 F
19、SK 两种调制方式的优势, 提出采用“ASK+FSK”复合调制方式, 即用频率的跳变来表示传输信号的信息。用频率为 f1的正弦波正跳变为频率为 f2的正弦波 (f 1f2) 时表示码元为“1”时的状态;用频率为 f2的正弦波负跳变为频率为 f1的正弦波 (f1f2) 时表示码元为“0”时的状态。该复合调制方式的信号调制波形图如图4 所示。通过滤波后, 根据跳变分量的幅值大小和时长, 触发码元变化的判断条件。图 4 复合调制方式信号调制波形图 Fig.4 Signal modulation waveform of integrated modulation mode 下载原图利用此基本原理可以减
20、少噪声、抖动等误触发影响, 提高抗干扰能力, 加之传统数据传输的校验措施, 可以实现数据完整传输, 从而使声波通信具有更高的安全性、更好的客户体验。2.2.2 声波通信调制/解调流程整个声波通信模型包括了手机和车载终端两部分, 其调制/解调过程声波通信过程包括了软件令牌、正弦波产生和编码、数据缓冲区、扬声器、麦克风、数据存储区、解码和执行等部分, 如图 5 所示。图 5 声波通信过程 Fig.5 Communication process of acoustic wave 下载原图软件令牌是由 6 位十进制数 TOTP 口令 (Timebased One-time Password, 基于时间
21、的一次性密码) 构成。通过手机中集成的 SDK 程序包根据 TOTP 口令产生调正弦波产生并编码调制为 PCM 信号 (Pulse Code Modulation, 脉冲编码调制) 。所产生的 PCM 信号缓存至数据缓冲区。最后将 PCM 信号通过扬声器播放。麦克风获取录制的信号, 并将 PCM 信号存储在数据存储区。经过功率扩大、滤波降噪后, 采用复合调制方式对 PCM 信号进行解码, 并根据解析结果进行相应的执行操作。2.3 降噪算法为了进一步提高抗噪能力, 需要采用语音增强算法对语音中噪声分量进行相关抑制, 以达到抑制噪声的目的和要求。传统的单麦克风语音增强算法无法充分利用语音信号的空间
22、信息, 使其性能受到限制。因此, 麦克风阵列相关的双麦克风语音增强算法随之出现14。通过多个麦克风同时接收空间语音信号, 并对其进行位置分析从而准确提取出目标语音信号, 从而达到提高语音增强性能的目的。两个麦克风的语音信号具有较强的相关性, 其间相位存在线性关系, 即两信道的语音信号是相干信号。但是, 两个麦克风中的噪声信号是不相关的, 且其相位也不存在直接联系。双麦语音增强算法就是通过计算相关函数来进行处理的, 相干性比较强的信号可以通过, 相关性弱的语音信号则被滤除掉。具体地, 若相关函数的幅值等于或接近于“1”, 则表示此信号是语音信号, 可以通过进行滤波器设计让此相关函数接近于“1”的
23、信号无失真通过, 反之如果得到的相关函数的幅值接近于“0”, 则表明此信号是噪声信号, 则可以通过滤波器设计滤除此噪声信号。通过上述分析可以得到图 6 所示的基于相关函数滤波器的框图15-16。图 6 相关滤波器 Fig.6 Correlation filter 下载原图两路输入信号通过分别经过一个滤波器, 并经过加窗傅里叶变换处理之后转换成频域上的相关信号, 然后需要计算频域上的复数相关函数, 通过此相关函数得到所需要的滤波器, 那么输入的两路信号经过此滤波器就可以滤除噪声信号, 从而得到所需要的原始信号, 极大程度地消除通信噪声源的干扰。2.4 其他模块为了实现管理平台与车载终端的通信,
24、所研制的车载终端集成了 GPRS 无线通信模块, 使得远程控制车辆门禁和实时监控车辆运行数据成为可能。GPS 模块则提供车辆的位置和授时信息, 实时向管理平台发送。电源模块不仅起到电压转换的作用, 同时起了备用电能的辅助作用。通过 OBD接口从 CAN 总线上获取车载终端所需电能, 是主要的供电方式。但是实践中发现, 若电动汽车长期处于休眠状态时, 电瓶电能会逐渐消耗殆尽。为了避免突然因电瓶亏电而离线的情况发生, 增加了电源模块, 起辅助缓冲作用。一旦电源模块的电源被启动, 则立即向平台发出电瓶亏电警告, 提醒运维人员及时处理。2.5 控制流程由于所研制的车载终端的通信渠道包括了 GPRS、声
25、波等两种方式 (如图 7 所示) , 所以在不同情况下, 可通过不同的渠道实现相应的控制流程。具体包括以下两种情况。第 1 种情况, 用户通过操作集成有声波功能的 APP 下订单, 通过手机发出开锁、关锁、双闪、鸣笛等操作指令。操作指令通过两个渠道均可实现控制: (1) 通过手机 4G、3G 等发送给平台服务器, 服务器收到相应指令后, 通过 GPRS 渠道发给相应的车载终端, 车载终端 GPRS 模块收到报文后, 对报文协议进行解析, 通过代码对比, 判断指令是否有效。若有效则认证成功, 赋予认证成功标志, 反之无操作, 需重新通信; (2) 通过手机扬声器发出带有 TOTP 口令的声波信息
26、, 车载终端麦克风收到声波信息后, 对声波信息进行解码, 通过口令对比, 判断指令是否有效。若有效则认证成功, 赋予认证成功标志, 反之无操作, 需重新通信。若认证成功标志数1, 则处理器根据指令信息, 通过 I/O 接口实现对相应车辆设备的动作控制。图 7 基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端控制流程 Fig.7 Control process of time-sharing leasing vehicle terminal for electric vehicle based on acoustic communication technology 下载原图第 2 种情况, 用户在地
27、下车库等 GPRS 信号强度较弱区域, 通过操作集成有声波功能的 APP 下订单, 经过手机发出开锁、关锁、双闪或鸣笛等声波操作指令。具体地, 通过手机扬声器发出带有 TOTP 口令的声波信息, 车载终端麦克风收到声波信息后, 对声波信息进行解码, 通过口令对比, 判断指令是否有效。若有效则认证成功, 重复第 1 种情况 (2) 后半部分的操作过程。3 性能测试所研制的车载终端安装在试验车上, 并将麦克风安装在引擎盖下, 在不影响正常接收能力的前提下尽可能地使其具有一定的防水性, 如图 8 所示。为了验证其实效性, 分别对该试验车进行了有效距离和抗噪性能指标的测试。图 8 现场试验车 Fig.
28、8 Field test electric vehicle 下载原图3.1 有效距离测试遵循唯一变量原则, 将试验车停放在 GPRS 信号较好的安静环境 (无明显噪声) 中, 改变不同的测试距离, 每组分别点击控制指令 20 次, 并记录每组控制指令成功实现操作次数, 而成功次数与点击次数之比则为功能率, 具体如表 1 所示。表 1 安静环境下成功率 Tab.1 Success rate under quiet environment 下载原表 通过表 1 可知, 在 1 m 测试距离内时, 随着测试距离增加, 成功率均为 100%。而当测试距离超过 1 m 后, 随着测试距离的增加, 其成功
29、率逐渐下降, 其成功率低至 10%。综上, (1) 所研制的车载终端声波通信距离为 1 m, 其有效距离在用户接受范围之内; (2) 当通信距离小于等于 1 m 时, 操作成功概率几乎 100%;当通信距离大于 1 m 时, 有一定几率操作成功, 但相对较低。3.2 抗噪测试根据表 2 所示, 不同噪声背景对应不同分贝数。因此, 为了研究本新型车载终端的抗噪性能, 分别在 60、70、85、95、100、110 分贝等噪声环境进行了抗噪测试, 部分数据如表 3 和表 4 所示。为了直观地将所有数据进行对比, 对不同分贝不同测量距离下成功率进行统计, 如图 9 所示。图 9 不同分贝不同测量距离
30、下成功率统计图 Fig.9 Statistics of success rate under different decibel degree and measurement distance 下载原图从图 9 可知, 不同噪声下在有效距离 1 m 内其成功率均高于 95%。这说明虽然不同环境下的频率分布、分贝程度均有不同, 但在调制/解调算法、双麦抗噪算法等消噪措施的作用下, 其影响已经明显降低。表 2 实际环境与噪声分贝数对应关系 Tab.2 Correspondence between factual environment and noise decibel degree 下载原表 从
31、表 3、表 4 或图 9 的数据可以看出, 在有效距离 1 m 以外, 虽然成功率逐渐降低, 但不同噪声环境下成功率的变化趋势是基本一致的。这说明成功率衰减的原因并不在于噪声条件的不同, 而是测试距离的影响。表 3 70 分贝噪声环境 Tab.3 Success rate under noise environment of 70 d B 下载原表 表 4 110 分贝噪声环境 Tab.4 Success rate under noise environment of 110 d B 下载原表 综上, 基于声波通信技术的电动汽车分时租赁车载终端具有较高的抗噪能力, 能适应多种噪声环境, 为保障
32、分时租赁全业务流程流畅性和完整性奠定坚实的技术支撑。4 结束语引入声波通信技术作为辅助通信方式, 提出采用“ASK+FSK”复合调制方式, 并结合“双麦录入”的抗干扰技术, 研制出具有高抗噪能力声波通信功能的分时租赁车载终端, 进行了有效距离和抗噪性能的测试, 并得到以下结论:(1) 采用“ASK+FSK”复合调制方式, 从调制解调方式上减少噪声、抖动等误触发影响, 提高抗干扰能力;(2) 采用“双麦录入”的语音增强技术, 通过利用相关函数保留相干性比较强的信号而滤除掉相关性弱背景噪声信号, 从而达到降噪的目的;(3) 所研制的车载终端声波通信距离为 1 m, 其有效距离在用户接受范围之内,
33、可辅助 GPRS 通信渠道解决因 GPRS 强度较弱而导致的时延长、响应慢的问题, 增强管理平台对电动汽车的管控力度, 极大提升用户体验度。参考文献1马如斌, 张友焕, 尹颖.新能源汽车分时租赁车端远程控制技术实现方案J.北京汽车, 2017, (1) :1-4.Ma Rubin, Zhang Youhuan, Yin Ying.Realization scheme of remote control technology for new energy vehicles time-sharing leased vehicle terminalJ.Beijing Automobile, 2017
34、, (1) :1-4 2纪雪洪, 咸文.电动汽车分时租赁盈利模式研究J.汽车与配件, 2015, (50) :39-41.Ji Xuehong, Xian Wen.Research on profit sharing mode of electric vehicle time-sharing leasingJ.Automobile and Accessories, 2015, (50) :39-41. 4何维, 张彦会, 粟腾超, 等.基于 GPS/GPRS/RFID 物流车载终端的设计J.广西科技大学学报, 2014, 25 (4) :59-62.He Wei, Zhang Yanhui, Su Tengchao, et al.Design of logistics vehicle control terminal based on GPS/GPRS/RFIDJ.Journal of Guangxi University of Science and Technology, 2014, 25 (4) :59-62.
