肖廣兵，謝心怡

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

隨著車聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展與多場景應(yīng)用，對車載網(wǎng)絡(luò)的可靠性需求也隨之提高。為了保證更高的通信質(zhì)量，為車隊(duì)網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力，合理分配通信網(wǎng)絡(luò)中有限的帶寬資源[1]也就非常重要。目前，現(xiàn)有研究主要面向帶寬分配算法的理論問題，其中，對于動態(tài)帶寬分配展開了廣泛的研究[2]。但是，對于智能車隊(duì)的通信網(wǎng)絡(luò)而言，缺乏完整的硬件與軟件系統(tǒng)來進(jìn)行車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的管理。

本文設(shè)計(jì)基于STC89C52的智能車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，精確地對網(wǎng)絡(luò)中各端口的實(shí)際使用帶寬進(jìn)行監(jiān)測[3]，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果考慮到網(wǎng)絡(luò)中各車輛對帶寬的不同需求[4]，采取動態(tài)帶寬分配和上下行帶寬的控制，通過采集一定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)來定義正常的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并設(shè)定閾值，檢測帶寬攻擊等異常網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并發(fā)送警報。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，完成對車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的管理。系統(tǒng)采集車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時數(shù)據(jù)流量信息，經(jīng)過處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，定位網(wǎng)絡(luò)流量使用異常的車輛，對異常車輛開啟智能流量限制；同時，可由管理人員結(jié)合數(shù)據(jù)分析，對異常車輛采取相應(yīng)的人工帶寬限制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于STC89C52智能車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的硬件主要包括：供電模塊、主處理器模塊、無線通信模塊等。硬件設(shè)備以STC89C52主處理器模塊為核心，供電模塊為系統(tǒng)提供電力供應(yīng)，通過WIFI無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的管理。

2.1 供電模塊

系統(tǒng)中STC89C52主處理器模塊采用2.0~3.8V的直流電壓，無線通信模塊使用3.3V的直流電壓。供電模塊使用降壓轉(zhuǎn)換器TPS5420將濾波后的電源電壓降至5V，再利用TLV1117-33CDCY可調(diào)式低壓穩(wěn)壓器將電壓從5V降至3.3V[5]。

供電模塊[6]的輸入電壓為19～32V，并且具有防反接與濾波設(shè)計(jì)，輸出電壓為5V與3.3V。如圖2所示，24V電源輸入后連接SMD1812P110TF/33自恢復(fù)保險絲，進(jìn)行過壓過流保護(hù)，之后連接SMAJ36CA雙向的TVS瞬態(tài)抑制二極管來保證輸入電源的穩(wěn)定[7]。

圖2 供電模塊

選用的TPS5420降壓轉(zhuǎn)換器[8]，其內(nèi)部設(shè)置了慢啟動電路以限制浪涌電流，電壓前饋電路以改善瞬態(tài)響應(yīng)，為電源模塊提供了嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)精度。內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆答伝芈纷畲笙薅鹊販p少了外部零件的數(shù)量。同時，TPS5420降壓轉(zhuǎn)換器具有過壓保護(hù)、過流限制和熱關(guān)斷等功能，以實(shí)現(xiàn)高性能的電源設(shè)計(jì)。

2.2 處理器模塊

系統(tǒng)的核心硬件在于STC89C52處理器[9]，通過對各車輛傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量信息采集與分析處理，實(shí)現(xiàn)對車隊(duì)間網(wǎng)絡(luò)的流量與安全管理。

主處理器模塊[10]選用STC公司生產(chǎn)的具有低功耗高性能的CMOS8位微控制器STC89C52，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，同時做了很多改進(jìn)，使得芯片相比于傳統(tǒng)單片機(jī)具有更完善的功能，能夠滿足車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的流量統(tǒng)計(jì)與安全檢測的需求。如圖3所示，STC89C52單片機(jī)具有32個I/O口，P0是漏極開路輸出，P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口。在系統(tǒng)和應(yīng)用中可編程，無需專用編程器、專用仿真器，可通過串口P3.0與P3.1直接下載用戶程序，減少硬件數(shù)目的同時降低了開發(fā)成本[11]。

圖3 主處理器電路

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊選用的ESP8266-WiFi[12]具有高靈敏度，可以在2ms之內(nèi)喚醒、連接并傳遞數(shù)據(jù)包；耗能低，待機(jī)狀態(tài)消耗功率小于1.0Mw。其具有穩(wěn)定性好、高集成度、高效快捷等優(yōu)點(diǎn)。無線通信模塊電路如圖4所示。ESP8266串口WiFi模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口透傳、PWM調(diào)控和GPIO控制等功能，可滿足本系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸?shù)男枰?，適用于智能車隊(duì)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的通信。

圖4 無線通信模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)選用Visual Basic 6.0軟件，搭建十字路口車輛調(diào)度系統(tǒng)的界面。

軟件主界面如圖5所示。由設(shè)備管理、安全專區(qū)、系統(tǒng)監(jiān)控、接口設(shè)置、設(shè)置五個模塊組成，分別實(shí)現(xiàn)控制各車輛與網(wǎng)絡(luò)的連接，帶寬攻擊檢測[13]與安全檢測，軟件運(yùn)行相關(guān)參數(shù)信息的查詢與流量監(jiān)控，WLAN參數(shù)設(shè)置以及軟件界面的調(diào)整等功能。

圖5 軟件主界面

系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。軟件的核心在于流量監(jiān)控，成功登陸后，管理員可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接管理、數(shù)據(jù)流量監(jiān)控、帶寬攻擊檢測及安全檢測等操作。同時，管理員可以結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，對車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的各車輛進(jìn)行相應(yīng)的動態(tài)帶寬分配和帶寬限制。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

圖7為接入設(shè)備列表界面。通過該界面管理員可以查看目前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入的所有設(shè)備及設(shè)備的IP地址、頻段信道、協(xié)商速率等相關(guān)信息。同時，可以通過關(guān)鍵字過濾出需要查找的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)符合相關(guān)條件的車輛。

圖7 設(shè)備列表界面

圖8為接入控制界面。通過該界面管理員可以對車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有車輛進(jìn)行信道接入和并發(fā)通信的管理[14]，軟件對于車輛發(fā)送的鏈接請求進(jìn)行識別，若存在參數(shù)異常，將不可接受的參數(shù)列表和相應(yīng)的可用的修改設(shè)置即時反饋給車輛，車輛進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整后，重新發(fā)起鏈接請求接入網(wǎng)絡(luò)。同時，可以通過斷開數(shù)據(jù)傳輸異常的車輛與網(wǎng)絡(luò)的連接，來保證車聯(lián)網(wǎng)的通信質(zhì)量。

圖8 接入控制界面

圖9所示為流量監(jiān)控[15]界面。在該界面上方可選擇監(jiān)視端口，軟件通過統(tǒng)計(jì)一段時間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來定義一個網(wǎng)絡(luò)的正常狀態(tài)，以警報為目的建立低、中、高閾值。當(dāng)車輛通信網(wǎng)絡(luò)受到不良因素影響時，流量數(shù)據(jù)將出現(xiàn)異常高或者低的情況。流量一旦超過閾值，管理員就能收到電子郵件、電話或者其他方式的報警，從而采取相應(yīng)措施。

圖9 流量監(jiān)控界面

圖10為帶寬攻擊檢測界面。為了防止攻擊者對車隊(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行惡意的拒絕服務(wù)攻擊，以及防止車隊(duì)內(nèi)的異常車輛發(fā)送大量重復(fù)無效的請求，占用大量帶寬而造成服務(wù)器無法提供正常服務(wù)，管理員可對車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的車輛進(jìn)行帶寬攻擊檢測。在系統(tǒng)中，選擇需要進(jìn)行檢測的車隊(duì)，點(diǎn)擊“開始檢測”按鈕，待檢測進(jìn)度條達(dá)到100%時，頁面下方顯示檢測結(jié)束，點(diǎn)擊“查看檢測報告”，可查看檢測結(jié)果。

圖10 帶寬攻擊檢測界面

圖11為帶寬攻擊檢測報告。管理人員根據(jù)檢測報告中車輛異常原因的分析，對數(shù)據(jù)傳輸異常的車輛進(jìn)行帶寬限制[16]，同時可以選擇開啟智能帶寬分配，采取動態(tài)化帶寬分配來保證車隊(duì)中各車輛所需的數(shù)據(jù)傳輸量。

圖11 檢測報告界面

圖12為安全檢測界面。該界面包括三個模塊：信號強(qiáng)度檢測、安全檢測和網(wǎng)絡(luò)干擾檢測。通過信號強(qiáng)度檢測模塊可查看實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度；通過進(jìn)行安全檢測模塊[17]，可以檢測網(wǎng)絡(luò)中是否存在監(jiān)聽、帶寬攻擊與DNS遭受挾持等風(fēng)險，并實(shí)時檢測信道質(zhì)量，選擇信息傳輸?shù)淖罴研诺肋M(jìn)行信息傳輸；通過網(wǎng)絡(luò)干擾檢測模塊可以根據(jù)車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)傳送信息量的大小變化，實(shí)施對動靜信道比例自適應(yīng)調(diào)整的混合信道分配方案[18]。

圖12 安全檢測界面

4 結(jié)語

本文以STC89C52為核心，通過對車輛通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量傳輸?shù)谋O(jiān)控與信息采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后，定位異常車輛，通過無線通訊完成各設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，對車輛進(jìn)行動態(tài)帶寬分配及帶寬限制，最終完成對車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的管理。該設(shè)計(jì)方案提高了通信網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)效率，增強(qiáng)了車隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的高效性、安全性及穩(wěn)定性，具備實(shí)踐可行性。