基于蓝牙的汽车物联网应用与开发

摘要：为了深入研究和运用汽车物联网技术，从物联网定义出发，采用蓝牙核心技术，通过实验和归纳总结，将汽车的智能发展和蓝牙技术应用紧密相联，以蓝牙“摇控”为切入点，进一步研究和开发蓝牙潜在拓展运用，获得了汽车物联的应用场景，深刻揭示了基于蓝牙的汽车物联网应用和技术解决方案，得到了汽车物联的重要技术支撑，信息覆盖面大，应用上具有开发成本低廉，应用灵活方便，技术安全可靠等特点。
关键词：蓝牙技术；汽车物联；智能汽车；智能交通

0 引言
    物联网在国际上又称为传感网，从某种程度上说，它是继计算机、互联网与移动通信之后的又一次信息产业浪潮。如果将小到手表、钥匙，行李物品，大到汽车、桥梁，楼房，这些物体嵌入一个微型感应芯片，就可使它“智能化”，再借助于有、无线网络技术，使人与物，物与物进行“对话”和“交流”，这就是物联网。
    物联网用途广泛，可运用于城市公共安全、工业安全生产、环境监控、智能交通、智能家居、公共卫生、健康监测等多个领域，在更多的场合，让人们享受到更加安全轻松便捷的生活。
    就目前对物联网的描述，其涉及的关键技术主要有：传感器技术、识别技术、计算技术、软件技术，纳米技术，嵌入式智能技术等。这些技术领域如果没有突破，都会制约物联网的应用和发展。
    近几年，汽车的消费成高速增长态势，由于道路发展滞后及管理水平的低下，城市拥堵现象非常严重，在物联网概念下汽车物联技术的运用将有助于城市交通管理智能化水平的提高，有效改善城市交通状况。
    而蓝牙技术包含了传感器技术、识别技术、移动通信技术等，这些技术与物联网密切相关。因些，蓝牙用于智能交通中的汽车物联网具有十分广阔的前景。

1 蓝牙的技术特点
    1998年5月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国IBM和英特尔公司五家著名厂商，在联合拓展短距离无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术的概念。蓝牙工作在无需许可的2．4 GHz工业频段(SIM)之上(我国的频段范围为2 400．O～2 483．5 MHz)。蓝牙每个频道带宽为1 MHz，相邻频道中心频率间隔为1 MHz。为避免带外辐射和其他干扰，规定上、下保护频带分别为3．5MHz和2 MHz。蓝牙采用跳频扩展频谱技术，在工作频段内共设置79个跳频点，在一个30 s的时间段内，任何一个频点的使用时间不超过0．4 s，且跳频过程是伪随机的。根据蓝牙射频功率的大小可分为3个功率级别，即1级功率100 mW，2级功率2．5 mW，3级功率1 mW。蓝牙技术所具备的这些特征能够较好地承担起物联网末端智能传感和微微网移动通信功能，特别适合汽车物联的概念和技术要求。
    每个计算机网卡都有一个媒体访问控制地址，即MAC地址，它可以区别网络上数据的源端和目的端。与此类似，全世界每个蓝牙收发器都被惟一地分配了一个遵循IEEE 802标准的48位蓝牙设备地址。蓝牙设备地址的地址空间为232(约42．9亿个)。各个蓝牙设备制造商有权对自己生产的产品进行编号，由此可以认为全世界的蓝牙设备地址是惟一的，这就给汽车物联网用户无线识别提供了技术方案，如汽车定位，汽车身份鉴别，汽车信息查询，汽车不停车交费，汽车摇控车门及点火，汽车防盗等。

2 蓝牙在智能汽车方面的应用
2．1 基于蓝牙的汽车物联
    蓝牙技术出现十多年来受到多方关注。近年来，蓝牙技术在物联网智能交通领域的应用前景非常看好。车载电子系统正向智能化、信息化和网络化方向发展，汽车市场已经成为我国经济重要的增长点，无线通信技术在汽车等移动系统中有着广泛的应用前景。起初，蓝牙技术主要应用在汽车的电话通信方面。但随着研究和应用的不断深入，在汽车智能化方面将有更多的蓝牙应用：如远程车辆状况诊断，车辆安全系统，车对车通信，多媒体下载等。这些已是物联网智能汽车的初步概念了。汽车物联网是各个国家和我国极为重视的领域，欧盟在2010年10月份注资3亿欧元用于研究智能汽车，智能汽车要用很多传感器的技术，有的汽车会用200多个传感器，将来会越来越多，这些有传感器的汽车每一个部件，都需要跟网络联系起来，所以汽车在运行的时候可以通过后台告警，显示哪个地方会出现故障，同时可以减少汽车追尾、解决等待时间以及尾气排放等问题，这就是智能交通，也是“智慧”城市必不可少的一部分。而蓝牙完全可以承担起传感器角色，它的微型化，高度集成化，休眠功能，廉价性，开放性是传感器无线传输的基本特征。概括起来，目前蓝牙技术在汽车上的拓展应用场景集中体现在以下几个方面。
2．2 应用场景
    免提电话  当用户进入车内，车载系统会自动连接上用户手机。用户在驾车行驶过程中，无须用手操作就可以用声控完成拨号、接听、挂断和音量调节等功能，可通过车内麦克风和音响系统进行全双工免提通话，实际上就是与车内蓝牙设备完全构成车内微微网，实现信息交互。
    汽车遥控  用户可以在10 m范围内用附有蓝牙的手机控制车门和车中的各类开关，包括汽车的点火控制等。本应用实际是利用蓝牙鉴权“绑定”和蓝牙地址“惟一”的特点，强化无线摇控的可靠性和安全性。
    音乐下载  用户可以通过手机加蓝牙下载音乐到汽车音响中播放。其优点在于无线链接的智能化和高速传输。
    电子导航  用户可以通过手机加蓝牙下载电子地图等数据到车载GPS导航系统中，导航系统得到当前坐标参数由蓝牙再通过手机短信传回导航中心，实现实时车辆定位和导航。
    汽车自动故障诊断系统  车载系统可以通过手机加蓝牙将故障代码等信息发往维修中心，维修中心派人前来修理时可以按故障代码等信息准备好相应的配件和修理工具，现场排除故障。
    车辆定位  蓝牙地址惟一性特点，给车辆的身份确认和定位提供了技术解决方案。首先，汽车上的蓝牙可以通过周边附有蓝牙设备的固定物体，如路边指示牌、路灯、桥梁、大楼等作为参照，再由电子地图确认自身的准确位置。其次，以蓝牙微微网加移动通信构成的网络可以在需要时实时查找汽车位置信息。
    汽车拥堵  目前，汽车拥堵在大城市已是一个非常突出的问题，特别是在我国，已到了非治理不可的地步了，这其中除了车辆增长过快以外，没有一个智能化的信息平台也是一个重要的方面。蓝牙芯片价格便宜，又具有地址功能，所以用蓝牙在城市构成微微网，可以迅速组网，从而用最少的经费实现交通管理信息化的要求。一方面，交管部门可以通过附有蓝牙的汽车掌握流量信息并及时发布(而不是实况视频)实现智能管理，车载蓝牙实时系统可以提示驾驶员避开拥堵路段绕过行驶。
2．3 应用现状
    德尔福汽车系统公司已经开发出可以让驾乘人员用语音进行操控的车载蓝牙设备；丰田汽车、日本电装、NTTDOCOMO、松下电器产业、日产汽车和东芝等六家公司共同制订了利用蓝牙技术的车内无线免提规格——“CCAP”。利用该规格的技术方案，手机通过蓝牙技术无线连接车载音响等设备，在行车时可以构筑更加安全的通话系统。摩托罗拉公司还为汽车生产商推出了一种基于蓝牙的汽车工具包。有了它，用户操控手持蓝牙设备，就能够与汽车设备之间进行无线联系，比如无线遥控打开车门、摇控点火，与车内车辆检测系统无线交换数据库。采用蓝牙技术的车载装置将使人们很容易在车内通过英特网下载音乐、录像和发送电子邮件。
    然而到目前为止，汽车电子采用蓝牙技术的步伐仍然很缓慢，汽车物联网的实用阶段还远远没有形成，主要原因是汽车工业对可靠性的要求和面临的环境挑战远远高于其他情况下的器件运用，而蓝牙的初忠是为了解决诸如电脑的连线问题，没有过多考虑恶劣的使用环境。从用户心理考虑，至少花费了十多万购买的汽车，一般来说很难容忍一些小的设备故障，而对普通设备系统来说这些问题却可被接受。而现实是，汽车行驶时会遇到凹凸不平的路面，振动很强烈，有时灰尘也很大。同时，温度有可能也有很大的变化，不同的外部环境下，车内外的温度变化范围可能从-40～50℃，这对车载电子设备来说都是十分不利的。好在许多蓝牙芯片制造商顺应了蓝牙技术的拓展运用，研究开发了新版本的蓝牙芯片，使得蓝牙芯片的适应性更强，蓝牙技术的应用将更加广泛。如CSR公司已推出第六代BlueCore蓝牙芯片。BlueCore6可提供行业领先的无线电性能和低功耗，并完全支持最新版蓝牙技术规范(v2．1+EDR)。BlueCore 6包含了CSR公司的AuriStream技术，Auri Str-eam技术可提供更高的语音质量，与标准的蓝牙语音传输方式相比，BlueCore6-ROM功耗降低了40％。
    本研究从蓝牙在汽车车门摇控和汽车点火控制与闭锁人手，探索蓝牙的二次开发运用，应用的基本框架是：蓝牙摇控器作主设备，蓝牙从设备置于车门控制电路和点火开关电路之中，控制器可以发出两个指令，即车门开启和火点摇控闭锁。由于本次匹配采用“绑定”方式，接通速度大大提高，减少了误动作，增强了可靠性，一般很难截获无线信号，同时，蓝牙设备可与手机保持联络，构成报警系统。电路图如图1所示。

    本蓝牙芯片型号为：CSR BC4(v2．0+EDR)，8 MbFLASH，具有PIO0～PIO11，AIO0，A101，USB，PCM，UART及SPI接口，模块内置8 Mb FLASH，功能强大，用户可定制软件，适用于各种蓝牙应用。板载天线，便于嵌入式应用，蓝牙协议版本为v2．0，兼容v1．2，USB协议USB 1．1，兼容USB 2．0(全速模式)，其主要技术指标为：频率2．4 GHz(ISM band)；调制方式GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)；发射功率≤4 dBm，ClassⅡ；灵敏度≤-84 dBm@0．1％BER；通信速率Asynchronous：723．2 Kb／s，(Max)／57．6 Kb／sSynchronous：433．9 Kb／s／433．9 Kb／s；安全特性：Authentication and encryption；应用框架支持HFP 1．5，HFP 1．0，SPP等；供电电源为3．3 V；工作温度为-20～+55℃。

3 结语
    基于蓝牙技术的汽车物联网应用具有十分明显的优势，在国外已受到高度重视，应用也不断深入。而国内这方面的研究与应用进展比较缓慢，即使是蓝牙在汽车电子上的应用还只是停留在概念上的较多。汽车上的电子系统基本还是原有的解决方案，这就给蓝牙的技术应用提供了广阔空间。根据工信部的计划，汽车物联网项目已被列为我国重大专项，将获财政扶持资金，“十二五”期间，工信部将从产业规划、技术标准等多方面着手，加大对车载信息服务的支持力度，以推进汽车物联网产业的全面铺开。因此，通过吸纳国外同类产品的应用模式，探索蓝牙技术在汽车物联网中的应用场景，应用价值，应用环境，应用电路，功能实现等，具有前瞻性和实用性，必将取得良好的经济效益。利用“蓝牙技术+3G移动通信技术”来实现汽车物联网的“传感”、“识别”、“不停车交费”、“精确定位”、“故障诊断”、“微微网构成”、“信息传输”与“交互”等功能，与常规电子设备相比，具有集成化、智能化程度高，可靠性和抗干扰能力强，安全性好，实现方便，性价比高，便于今后网络化和智能化等多种优势。