Ble組網TBOX控制系統

近年來隨著智能手機的普及和基礎4G CAT1 通信網絡全覆蓋，電動車智能化有了堅實的技術基礎[2]。傳統的兩輪電動車基本沒有智能化體驗，同質化比較嚴重，智能化作為提高用戶體驗的重要一環也是電動車發展的一個突破口。新能源汽車越來越受到消費者的歡迎，普通客戶對兩輪電動車智能化需求也在增大，兩輪電動車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 無線通信模塊，支持最大下行速率10 Mbit/s 和最大上行速率5 Mbit/s，支持opencpu 開發依托4G 網絡可以和服務器進行數據通信，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主從連接進行無線組網通信。

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 會周期性輸出NEMA 數據給CAT1，CAT1 解析后上報給服務器。用戶可以通過App查看實時定位功能和車輛行駛軌跡信息^[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模組簡介

L76K 模塊電壓范圍為2.7~3.4 V，典型值3.3 V。L76K 可實現高靈敏度、高精度定位以及對定位信號的快速跟蹤和捕獲。支持有源天線檢測和短路保護。通過NMEA 語句輸出顯示，便于及時、便捷地查詢天線狀態。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會（National Marine Electronics Association ）為全球定位系統制定的一套標準通訊協議^[5]。NMEA 語句結構如圖3 所示。

圖3 NMEA語句結構

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 會對L76K 進行參數配置。配置語句采用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 語句輸出類型設置為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 初始化上電時發送給L76K 完成設置。

2.4 L76K AGNSS流程

實際應用場景中TBOX會隨車推到地下室或者室內無法定位的場景，在無效定位場景的時間超過2 個小時，L76K 內部存儲的星歷數據會失效丟失，這時重新推到室外相當于冷啟動，定位時間會在2 min左右。為了解決該問題引入L76K AGNSS 功能，它在實際應用場景中可以有效降低模組定位時間，提高用戶體驗^[6]。L76K 的AGNSS 功能需要CAT1 發送AIN-INI數據，它包含輔助經緯度、GPS 周內秒等數據，然后CAT1需要從FTP 服務器下載星歷數據發送到L76K。模塊收到衛星數據后會將數據存儲到RAM 中，輔助實現快速定位。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主要功能簡介

TBOX 的主控是CAT1 模組EC600U， 它可以通過串口Uart 設置L76K 參數，接收定位信息，從FTP服務器下載輔助定位的星歷數據, 并通過Uart 發送給L76K 完成設置；通過TCP/IP 網絡可以主動上報車輛狀態信息、接收回復服務器控制命令；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和服務器通信

TBOX 的網絡通道接收、上報的數據內容包括兩部分：服務器直接和TBOX 通信數據，服務器通過TBOX透傳給Ble 報警器的數據。本文重點說明TBOX 本身和服務器的交互內容。TBOX 和服務器的交互信息主要包含基礎信息、位置信息、報警器連接狀態信息。第一次初始化上電TBOX 需要入網鑒權，上報基礎設備信息包括ICCID、MAC(Ble)、固件版本號等信息；位置信息通過獲取到報警器電門狀態來改變上報頻率，啟動狀態為8 s/ 次，熄火狀態10 min/ 次；Ble 報警器和TBOX 的連接狀態會根據連接狀態變化實時上報服務器。TBOX 服務器協議內容如表2 所示。

TBOX 協議內容是TBOX 和服務器直接的數據通信，協議內容以外的命令數據TBOX 會直接透傳給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程

EC600U 內部集成了藍牙模塊，Opencpu 開發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掃描TBOX 的二維碼獲取其MAC 地址并發送給報警器，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行數據鑒權確認雙方身份合法性。鑒權過程可分為4 步，①報警器發送數據開始鑒權，② TBOX 生成隨機數發送鑒權數據，③報警器解密得到隨機數取非后按照協議返回，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( 數據十六進制)：

ALARM 發05 05；

TBOX 發AA 11 11 11 11 EE 88；

ALARM 發BB EE EE EE EE 73 88；

TBOX 發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入應用數據交互的過程。鑒權過程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}。

經過以上步驟TBOX 和藍牙報警器完成了連接并可以正常通信。用戶通過手機App 可以遠程控制報警器，實時查看報警器和TBOX 的狀態信息。TBOX 和藍牙組網后通信框圖如圖8 所示。

圖8 TBOX組網后通信框圖

5 結束語

Ble 組網TBOX 只要給設備供電就可以工作，給配套藍牙報警器添加網絡控制通道，遠程查看軌跡定位。設備支持后裝，客戶可以自由選擇是否安裝，可為兩輪電動車用戶進一步提高智能化體驗。

參考文獻：

[1] 王邵龍,姜帆,谷原野,等.基于Tbox測試的車聯網測試研究[J].汽車電器,2018(10):31-32.

[2] 鄒渝.以智能化、國際化發展突破電動自行車行業困境[J].新能源科技,2016(10):5-7.

[3] 游顯,鋒王磊,樊婧婧.淺談新國標下電動自行車發展趨勢[J].摩托車技術,2021(3):27-29.

[4] 孔祥杰.北汽新能源汽車TBOX軟件設計與實現[D].大連:大連理工大學,2017.

[5] 魏榮瀛,張坤軍.海洋測繪常用NMEA 0183數據協議格式解析[J].浙江水利科技,2020(1):64-65+69.

[6] 劉虹江,馮強,項博.淺談基于GPS與AGPS的雙重定位[J].電腦知識與技術:(學術版),2014(3):1579-1581

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年5月期）