5G物联网技术在货运物流安全监测中的应用

覃 喜

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

公路运输是我国物流运输行业的重要组成部分，2021年1～11月，我国公路货运量高达357.1亿t，载货汽车保有量达3 191万辆。在庞大的市场背后，同样也面临着居高不下的安全风险，极大地阻碍着我国公路运输效率的进一步提升[1]。

随着5G通信与各行各业相互融合渗透，物联网、工业互联网和车联网等新形态的产业生态不断完善，有力推动汽车、交通等行业智能化、信息化和网络化的发展，也衍生出交通数字化治理和智慧出行等新兴产业[2]。以数据驱动等管理手段有效地降低货运物流企业潜在的安全风险，通过智能终端和数字化技术实现“事前预防预备-事中监控处置-事后评估反馈”三大主动安全防御系统对安全风险闭环的管控与管理。本文将对货运物流的“事中监控处置”环节涉及的关键技术进行介绍，主要包含实时准确地识别车辆状态与道路情况，最终形成“车辆-道路-司机-环境”车载监控智能终端的方案，对公路货运安全建设起到一定的促进作用。

1 系统结构

如图1所示，车载监控智能终端包含：车辆即时技术状态监控、道路运行条件监控、综合处理及预警3个子模块，其核心在于依托“5G+物联网”技术和信息决策云平台实现硬件系统与软件系统的一体化和闭环管控。运用智能传感器、视频采集、CAN总线和激光雷达等技术获取车辆状态数据；通过路侧、车载的温湿度传感器和北斗定位系统获取车辆位置、路面条件和气候状况信息等；通过部署物联网边缘主机，将采集到的各个模块数据进行处理后再通过5G网络将数据传至云平台并存入数据库；依托云计算中心的强大处理性能，将接收到的数据进行分析与建模，通过与虚拟实体的连接，开展货运物流安全的推演，从虚拟映射现实，实现全生命周期管理。

图1 车载监控智能终端系统框图

2 系统硬件设计

2.1 车载监控智能终端主控

车载智能终端的核心主控为I.MX6ULL(MCIMX6Y2CVM08AB)，其主频为792 MHz，该款芯片是NXP公司针对HMI、IoT等领域的MPU出品，其内核为Cortex-A7，内部集成电源管理，RAM支持16位的LPDDR2、DDR3及DDR3L；Flash支持NAND Flash、NOR Flash、eMMC等；在本设计中，外拓512MB的DDR3L，以及8G的EMMC；该芯片外设资源丰富，支持UART、CAN、I2C、NET和USB等接口。

在本设计中，串口1用于日常的调试，串口2用于读取货仓智能传感器数据，串口4用于与定位模块进行连接；CAN总线用于读取车辆的状态信息；I2C总线则用于读取板载的温湿度传感器。在硬件的设计中使用GL850G将主控的USB OTG2扩展成了4路HOST接口，其中两路分别用于连接摄像头与5G通信模块。

2.2 CAN总线电路设计

CAN总线目前广泛应用于汽车电子领域，车上大量模块和传感器通过CAN总线连接；而一个完整的CAN节点则是由CAN控制器和CAN收发器构成。

本设计使用I.MX6ULL主控芯片内部自带的FlexCAN模块，FlexCAN完全符合CAN协议，支持CAN2.0B协议；支持0～8字节的数据长度，最高1 Mbit/S的编程速度；支持标准格式和拓展格式，最高支持8字节消息邮箱和64个消息缓冲；消息邮箱可配置为发送或接收，支持标准和扩展帧消息。消息邮箱具有独立的接收掩码寄存器，强大的先进先出的数据接收缓冲ID过滤[3]。

CAN收发器采用的是目前广泛应用于汽车电子中的TJA1050。该芯片对CAN协议完全兼容，且传输速率较高，其原理如图2所示。

图2 CAN原理图

由图2可知，CAN1_TX与CAN1_RX是连接到主控芯片FlexCAN模块的发送和接收引脚；主控芯片通过TJA1050接收CAN总线上的数据，R10则是120 Ω的匹配电阻。

2.3 定位模块电路设计

北斗定位的信号接收选择S1216F8-BD模块，该模块是一款高性能的GPS/BDS双模定位模块，双模定位模块可接收到更多数量的卫星信号，扩大了定位的范围，广泛应用于汽车电子行业。

S1216F8-BD模块兼容TTL电平，具有167通道，支持QZSS、WAAS、MSAS、EGNOS、GAGAN，2.5 m的水平精度，更新率1 Hz、2 Hz、4 Hz、5 Hz、8 Hz、10 Hz、20 Hz，支持NMEA-0183 V3.01，SkyTraq binary通信协议。该部分的原理如图3所示。

图3 定位模块部分原理图

S1216F8-BD模块使用3.3 V供电，BAT为备用电源，当主电源断电时可继续为片内维持0.5 h左右的星历数据的保存，以支持温启动或热启动，实现快速定位；GPS_RXD、GPS_TXD引脚分别接入主控芯片UART4_TXD、UART4_RXD引脚，与主控进行串口通信，而图中的PPS指示灯则是模块工作状态指示灯，指示灯常亮表示模块没定位成功，指示灯闪烁表示模块已经定位成功[4]。

2.4 5G模块电路设计

5G通信模块选用上海移远公司RM500U-CN，该模块采用PCIe M.2封装，同时支持5G 独立组网和非独立组网模式，支持双卡，内置多种网络协议，可广泛应用于智慧能源、车联网、工业物联网等垂直行业。

由于RM500U-CN模块集成通用的USB串行总线，并支持USB2.0的高速480 Mbqs模式和全速12 Mbps模式以及USB3.0的超高速5 Gbps模式。USB接口可用于发送AT命令、传输数据、调试软件以及升级固件。本设计中RM500U-CN模块连接在GL850G扩展的USB2接口上，从而保证了数据交换的速率。

3 系统软件设计

在本设计中，车载智能终端采用的NXP官方提供了移植好的Linux嵌入式操作系统，该系统可实现多任务的运行和调度。应用层软件部分可分为4个模块：CAN总线模块负责读取车辆的信息并进行解析；定位模块负责解析卫星定位数据；5G模块负责智能终端与云服务器端进行通信；程序监视模块则负责监视各个子系统是否正常运行，避免在任务执行过程中发生冲突，同时将采集到的数据进行打包整理。各模块都是独立的进程，通过嵌入式系统的内核管理协调任务之间的执行关系[5]。

3.1 CAN总线数据采集

I.MX6ULL主控CAN1_TX与CAN1_RX通过TJA1050与车辆的CAN总线物理连接，建立CAN总线的数据交换信息通道。通过程序设置CAN通信的相关参数，与车辆内部的ECU、ABS等模块建立通信连接，并对接收到的数据进行解析，最后将数据处理并打包上传到云端。CAN总线模块的程序流程图如图4所示。

图4 CAN程序流程图

CAN总线数据采集模块当中主要涉及CAN总线初始化、数据的接收与解析和数据打包发送等。

根据SAEJ1939商用汽车CAN总线通信标准物理层规定了数据通信速率为250 kbps，采用29位拓展帧格式的报文传输，每帧不超8字节的数据长度，若数据超过最大长度限制，则以不同帧发送。本设计中采集的ECU模拟器数据遵循SAEJ1939/71应用层标准中详细规定，实车的CAN总线协议遵循着基于SAEJ1939协议的厂家私有协议标准，其数据解析方法与标准SAEJ1939协议一致。通过编程获取车辆CAN总线报文对应数据帧中相应的参数值，解析出车辆实际的各项参数，便可将数据打包整理发送至云端。

3.2 定位模块信息获取

S1216F8-BD定位模块与I.MX6ULL主控通过UART4进行通信，通过设置UART4的串口的波特率、数据位及停止位，即可完成对定位模块的通信设置。通信设置完成后定位模块将通过UART4将数据发送至I.MX6ULL主控，数据格式遵循着NMEA 协议，数据包含经纬度信息、卫星格式、地面速度、定位精度等信息。其输出的数据格式如图5所示。

图5 定位模块实时数据格式示意图

本设计中，由于只需要设备的经纬度参数，而在图5中“$GPGLL”开头的字符包含经纬度信息，通过程序函数解析其中的经纬度数据并打包发送至云端。

3.3 5G数据传输

5G通信模块连接在GL850G扩展的USB2接口上，根据官方提供的开发文档往Linux内核驱动添加RM500U-CN模块厂家ID和产品ID；接着按照USB协议的要求，在代码中增加零包处理机制；为了防止主控进入休眠/暂停模式使USB断电或复位，从而导致USB通信异常，所以还需配置重置模块，至此，就完成了RM500U-CN模块Linux内核驱动程序修改。其配置路径如下：

[*]Device Drivers→

[*]USB Support →

[*]USB Serial Converter support →

[*]USB driver for GSM and CDMA modems

官方为RM500U-CN模块提供了GobiNet驱动源码，将源码拷贝至内核的USB目录下，修改内核配置，添加USB网络框架和修改Makefile文件，并编译内核即可。其配置路径如下：

[*]Device Drivers→

[*]Network device support →

[*]USB Network Adapters →

[*]Gobi USB Net driver for Quectel module

为实现5G模块的正常上网，还需使用quectel-CM网络管理工具，解压官方提供的软件压缩包，用make命令进行交叉编译，命令如下：

make CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

编译完成后将“quectel-CM”拷贝至根文件系统的/usr/bin目录下，完成后即可实现自动联网。

5G联网模块的底层驱动程序配置完成后，即可编写对应的应用模块程序，通过与云服务器建立TCP连接，将数据打包上传至云服务器。

4 测试与分析

在本设计中，为了验证车载智能终端的可行性和稳定性，在设计的过程中进行了大量模拟实验，反复验证程序的准确性及可靠性，并不断地进行优化改进。

CAN总线测试部分采用ECU模拟器进行测试，将模拟器的协议设置成SAEJ1939协议并将其连接至I.MX6ULL主控，同时将CAN协议分析仪连接到总线读取模拟器的原始报文信息，将主控解析的数据与原始数据进行比对。通过试验得知，模拟器发出的报文数据为拓展帧，数据长度为8个字节，通过调节ECU模拟器的旋钮，服务器端的信息跟随着变化，表明已经能够正确地读取数据及传输数据，因为每个汽车制造商的CAN总线消息定义不同于标准的SAEJ1939协议，所以在实车测试时需要修改相应的定义。定位模块的测试则将设备安装在车上进行实测，试验地点为广西南宁市，结果显示定位模块采集的数据准确，与车辆行驶的路线一致。

通过5G通信模块将车辆设备信息、位置信息实时传输到云服务器平台，平台服务器根据所上传的数据对车辆的状态进行判断，分析车辆司机运行轨迹、高峰驾驶时间、疲劳驾驶时间、深夜驾驶时间、车辆最高速度、车辆平均速度和急减速等信息。

5 结语

本文介绍了5G物联网技术在货运物流智能车载终端的应用设计，从车辆参数采集、车辆定位、数据传输3个方面阐述实施方案；将5G物联网技术引入物流安全管理业务，对货运车辆的状态进行实时监控，并借助云服务器平台，对车辆行驶过程中产生的危险行为进行记录和即时预警；通过设置对应的条件参数，形成每次驾驶的行为报告，管理者可以通过历史数据进行风险评估，进一步促进货运物流安全水平的提升。