Ble組網(wǎng)TBOX控制系統

近年來(lái)隨著(zhù)智能手機的普及和基礎4G CAT1 通信網(wǎng)絡(luò )全覆蓋，電動(dòng)車(chē)智能化有了堅實(shí)的技術(shù)基礎[2]。傳統的兩輪電動(dòng)車(chē)基本沒(méi)有智能化體驗，同質(zhì)化比較嚴重，智能化作為提高用戶(hù)體驗的重要一環(huán)也是電動(dòng)車(chē)發(fā)展的一個(gè)突破口。新能源汽車(chē)越來(lái)越受到消費者的歡迎，普通客戶(hù)對兩輪電動(dòng)車(chē)智能化需求也在增大，兩輪電動(dòng)車(chē)的智能化升級同樣勢在必行^[3]。

1 整體設計

1.1 系統整體設計概述

TBOX 的核心組件EC600U CAT1 模組和L76K 定位模組。EC600U-CN 是LTE Cat 1 無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)依托4G 網(wǎng)絡(luò )可以和服務(wù)器進(jìn)行數據通信，它內部集成了Ble 模塊可設置為從機和主機藍牙報警器通過(guò)主從連接進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信。

L76K 是一款支持多衛星系統（GPS、BeiDou、GLONASS、QZSS）的定位模組，可多系統聯(lián)合定位和單系統獨立定位，支持AGNSS 功能、內置低噪聲放大器和聲表面濾波器。L76K 會(huì )周期性輸出NEMA 數據給CAT1，CAT1 解析后上報給服務(wù)器。用戶(hù)可以通過(guò)App查看實(shí)時(shí)定位功能和車(chē)輛行駛軌跡信息^[4]。TBOX 系統框圖如圖1 所示。

圖1 TBOX系統框圖

2 定位模塊

2.1 L76K模組簡(jiǎn)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(xiàn)檢測和短路保護。通過(guò)NMEA 語(yǔ)句輸出顯示，便于及時(shí)、便捷地查詢(xún)天線(xiàn)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數據

NMEA 0183 是美國國家海洋電子協(xié)會(huì )（National Marine Electronics Association ）為全球定位系統制定的一套標準通訊協(xié)議^[5]。NMEA 語(yǔ)句結構如圖3 所示。

圖3 NMEA語(yǔ)句結構

GNSS（Global Navigation Satellite System）全球導航衛星系統包含中國的北斗衛星導航系統（BDS）、美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）和歐盟的伽利略衛星導航系統（GALILEO）。L76K 支持BDS、GPS、GLONASS 星系，GNSS 的默認配置為BDS+GPS.

2.3 L76K參數配置

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

波特率設置9 600：N 取值01,D 取值1 對應波特率9 600，示例：$PCAS01,1*1D。D 字段對應的波特率如表1 所示。

如同波特率設置方法，L76K 的NMEA 語(yǔ)句輸出類(lèi)型設置為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 數據為：$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 完成設置。

2.4 L76K AGNSS流程

實(shí)際應用場(chǎng)景中TBOX會(huì )隨車(chē)推到地下室或者室內無(wú)法定位的場(chǎng)景，在無(wú)效定位場(chǎng)景的時(shí)間超過(guò)2 個(gè)小時(shí)，L76K 內部存儲的星歷數據會(huì )失效丟失，這時(shí)重新推到室外相當于冷啟動(dòng)，定位時(shí)間會(huì )在2 min左右。為了解決該問(wèn)題引入L76K AGNSS 功能，它在實(shí)際應用場(chǎng)景中可以有效降低模組定位時(shí)間，提高用戶(hù)體驗^[6]。L76K 的AGNSS 功能需要CAT1 發(fā)送AIN-INI數據，它包含輔助經(jīng)緯度、GPS 周內秒等數據，然后CAT1需要從FTP 服務(wù)器下載星歷數據發(fā)送到L76K。模塊收到衛星數據后會(huì )將數據存儲到RAM 中，輔助實(shí)現快速定位。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(jiǎn)介

TBOX 的主控是CAT1 模組EC600U， 它可以通過(guò)串口Uart 設置L76K 參數，接收定位信息，從FTP服務(wù)器下載輔助定位的星歷數據, 并通過(guò)Uart 發(fā)送給L76K 完成設置；通過(guò)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )可以主動(dòng)上報車(chē)輛狀態(tài)信息、接收回復服務(wù)器控制命令；內部集成的Ble 模塊作為從機可以和Ble 報警器連接通信實(shí)現報警器的信息和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、上報的數據內容包括兩部分：服務(wù)器直接和TBOX 通信數據，服務(wù)器通過(guò)TBOX透傳給Ble 報警器的數據。本文重點(diǎn)說(shuō)明TBOX 本身和服務(wù)器的交互內容。TBOX 和服務(wù)器的交互信息主要包含基礎信息、位置信息、報警器連接狀態(tài)信息。第一次初始化上電TBOX 需要入網(wǎng)鑒權，上報基礎設備信息包括ICCID、MAC(Ble)、固件版本號等信息；位置信息通過(guò)獲取到報警器電門(mén)狀態(tài)來(lái)改變上報頻率，啟動(dòng)狀態(tài)為8 s/ 次，熄火狀態(tài)10 min/ 次；Ble 報警器和TBOX 的連接狀態(tài)會(huì )根據連接狀態(tài)變化實(shí)時(shí)上報服務(wù)器。TBOX 服務(wù)器協(xié)議內容如表2 所示。

TBOX 協(xié)議內容是TBOX 和服務(wù)器直接的數據通信，協(xié)議內容以外的命令數據TBOX 會(huì )直接透傳給Ble藍牙報警器。TBOX 數據通信流程圖如圖6 所示。

圖6 TBOX數據通信流程圖

4 CAT1和藍牙通信

4.1 CAT1和藍牙報警器連接過(guò)程

EC600U 內部集成了藍牙模塊，Opencpu 開(kāi)發(fā)設置藍牙為從機模式，藍牙報警器作為主機。手機App 和藍牙報警器連接后可以通過(guò)掃描TBOX 的二維碼獲取其MAC 地址并發(fā)送給報警器，報警器存儲接收到的MAC并掃描匹配附近設備的MAC 連接對應TBOX。

4.2 數據鑒權

藍牙報警器和TBOX 藍牙連接成功后需要進(jìn)行數據鑒權確認雙方身份合法性。鑒權過(guò)程可分為4 步，①報警器發(fā)送數據開(kāi)始鑒權，② TBOX 生成隨機數發(fā)送鑒權數據，③報警器解密得到隨機數取非后按照協(xié)議返回，④ TBOX 接收數據判斷返回隨機數是否和生成的隨機數取非一致，返回配對結果。

成功配對舉例( 數據十六進(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 / / 隨機數11 11 11 11 取非為EEEE EE EE，配對成功。

數據鑒權流程圖如圖7 所示。

圖7 TBOX數據鑒權流程圖

4.3 應用數據交互

TBOX 和藍牙報警器鑒權成功之后就可以進(jìn)入應用數據交互的過(guò)程。鑒權過(guò)程TBOX 生成的隨機數作為應用數據交互加密解密的密鑰。應用數據和隨機數的最低字節進(jìn)行異或加密和解密。異或原函數：

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

從機隨機數是0x11223344, 那么異或用低字節0x44，發(fā)送數據如下。

原始數據：data[5]={0x11,0x11,0x11,0x11,0x11} 。

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

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

接收數據如下。

接收到加密數據：rece[5]={ 0x39,0x39,0x39,0x39,0x39}。

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

解密后數據：rece[5]={0x11,0x11,0x11,0x11,0x11}。

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

圖8 TBOX組網(wǎng)后通信框圖

5 結束語(yǔ)

Ble 組網(wǎng)TBOX 只要給設備供電就可以工作，給配套藍牙報警器添加網(wǎng)絡(luò )控制通道，遠程查看軌跡定位。設備支持后裝，客戶(hù)可以自由選擇是否安裝，可為兩輪電動(dòng)車(chē)用戶(hù)進(jìn)一步提高智能化體驗。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）