陈善文

【摘 要】本文梳理了当前几种典型特种车辆通信与管理控制系统存在的安全隐患，分析了可见光无线通信的特点，提出并设计了利用白光LED的特种车辆无线通信方案，以解决目前特种车辆通信与管控中存在的多种安全风险，最后给出了一款基于白光LED的油罐车无线通信与管控系统实践样例。

【关键词】可见光通信；白光LED；特种车辆；无线通信；油罐车

中图分类号： TN929.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0062-002

Design and Realization of Special Vehicle Control Device Based on White LED Wireless Communication

CHEN Shan-wen

（Experimental College of Shandong Province，Jinan Shandong 250000，China）

【Abstract】This paper combs the current security risks of several typical special vehicle communication and management control systems，analyzes the characteristics of visible wireless communication，and designs and designs a special vehicle wireless communication scheme using white LED to solve the current special vehicle communication and control The existence of a variety of security risks，and finally gives a white LED based tanker wireless communication and control system practice examples.

【Key words】Visible light communication；White LED；Special vehicle；Wireless communication

1 特种车辆管控系统现状

随着电子信息技术发展应用，出现了专业为油罐车、危险化学品运输车、120急救车等特种行业开发的监控管理调度平台，建立起了特种车辆与监控中心之间的信息传递链路，监控中心可以随时掌握车辆狀态，迅速下达调度命令。本文以油罐车为例展开讨论，系统一般会综合采用无线通信，电子铅封、危险品状态信息采集、卫星定位、视频监控等多种技术手段，实现对油罐车的综合管理，其中无线通信部分主要包括两个方面，一是用于近距离车辆通信，用于车辆门禁、任务信息、油罐液面信息等数据的交换，一般通过蓝牙、WIFI，车载无线电台等通信方式实现；二是实现车辆的位置、车辆运行状态、运输品的状态信息和现场视频的实时交互，主要基于移动公司通信网络和车载无线电台的方式实现的远程通信。目前，基本所有的特种车辆都安装了类似系统。

2 传统的特种车辆管控系统存在的安全风险

现实环境中，使用大功率的通信设备需要向无线电管理单位申请相应的信道，使用过程中有较大的无线电辐射，对人和周围的环境影响较大，出于安全考虑，有些地方禁止使用无线射频通信，比如加油站、油库等有易燃物的附近地域；还有一类应用，通过无线电进行明话通联时，就有可能泄露该车活动规律和行动路线和停靠时间节点，易被攻击不法份子攻击，比如银行运钞车、校车等。这就造成了特种车辆管理系统无法及时有效的进行数据交互，无法满足日常工作需要。

本文试图提供一种在禁止使用无线射频通信的特殊场合可使用的无线数据通信装置解决方案，通过改装车辆的照明灯实现基于白光LED可见光通信，代替原有基于蓝牙、无线局域网和无线电台等无线通信方式，杜绝电磁辐射造成的事故隐患、环境污染和信息泄露等的安全问题。

3 白光LED的特种车辆无线通信方案设计

本文提供的无线通信装置提供基于LED可见光双工通信，分为上行链路和下行链路两个模块，上下行链路组成都是由供电及通信接口单元、数据收发处理单元、LED驱动电路和光电接收单元组成，分别安装特种车辆上和固定监控点。他们构成了完整的基于LED的可见光通信链路。整体框图如图1所示。

下行链路中，依托固定点原有的管理系统，替换其中的无线射频通信模块，将原系统数据发送接口与本装置连接，通过设置接口标准实现数据交换，需要发送的数据经过差分曼切斯特编码，将编码后的信号加载到LED的驱动模块，驱动LED照明灯，LED照明灯发出的调制信号经过透镜聚焦到接收端的光电探测器上，将光信号转换为电信号，经过光电接收模块将信号放大，均衡最后恢复出发射信号。完成系统到终端的数据的发送。

上行链路的工作原理大致相似。由于上行链路安装在特种汽车上，采用改装或加装日行灯或车载照明灯的方式，车辆行驶到预设位置可以实现光线的准直照射，下行链路的接收端安装球面透镜可以将各角度光线都汇聚到光电探测器上，经过相应的电路处理，恢复出终端发射给系统的数据。

在硬件设计上采用适用于小数据量数据交换的强度调制/直接检测（IM/DD）方式，提高通信效率。根据各单元的功能分别进行电路设计。

2.1 供电电路

上下行链路设备的分别安装与不同位置，供电方式也不一样，下行链路采用固定方式安装，有稳定的市电接入，选择现有的稳定开关电源作为系统电源，车载供电方式，油罐车一般采用双铅酸电池供电，供电电压24V，电池采用现有直流降压稳压集成电路实现车载端上行链路模块供电。endprint

2.2 接口转换电路

本设计中提供的接口转换电路有两种，分别是以太网接口转换和RS232串行通信口的转换功能，串口信号可以直接发送到编码电路，支持将以太网双极性三电平的MLT-3编码转换为到单极性码。同样将来自光接收器的单极性码通过转换电路变换成适合双绞线传输的双极性三电平的MLT-3编码。另外，还有时钟提取、信号判决再生和数据转发等功能。以太网介质转换模块的工作方式是存储转发，并不对4B5B编码进行编码和解码处理。这种处理方式忽略所有的误码，但可以通过牺牲纠错性能来换取数据传输的最小时延。

2.3 发射端电路

发射电路由编码器和驱动器组成，信号经由编码器进行曼切斯特编码处理，其中编码器采用单片机，这样可以根据实际需要来实现不同的编码。但是由于单片机的输出电流太小，不足以驱动LED灯，通过设计驱动电路，本装置采用恒流源方式驱动LED，采用串并联相结合的方式连接，保证LED的发光效率。

2.4 接收端电路

光接收电路由以下几个部分组成：光电探测器、前置放大电路、主放大电路、自动增益控制电路（APC）、均衡器、时钟提取及判决电路。光电探测器位于光接收电路的最前端，完成光脉冲信号转变为电脉冲信号。前置放大电路与光电探测器合理设计，可以增大变换后的电信号信噪比。主放大电路无失真的放大经过前置放大器的输出电信号，输出信号的电平幅度稳定由自动增益控制电路实现，最后经过均衡器、时钟提取电路及判决电路取得再生的数字信号。接收电路原理框图如下图3所示。

4 实践样例

利用本文设计的装置方案，构建一款油罐车由加油站返回油库，加油、送油作业实例，以展示油罐车通过改装的基于白光LED通信装置实现车辆识别、门禁道闸开启、通过门禁以及加油后放行的过程。本装置在门禁管理中应用配置示意图如下图4所示。

（1）车辆到达油库门口，通过车载光电探测器，接收到下行链路发射器发出的光信号，通过数据转换接口，提交给车载终端，车载终端识别处理发现一个可以接入的无线网络，返回给上行链路模块一个接入网络的请求信息。

（2）上行链路模块，通过数据转换向发射器传递一组数据，由车头LED日行灯发射到空中，LED日行灯基本直射下行模块的光电探测器，由此下行链路的服务器端接收入网到请求，实现一次数据交互。

（3）下行链路的也就是管理系统服务器端通过判断请求信息，反馈给车辆同意入网或其他信息。

（4）同意入网后，根据管理系统信息向车辆发送通知或者运油任务等信息，车辆进入油库后，依托建立的LED路灯网络，可以一直监控车辆状态，到达加油点后，可以根据车辆任务和车辆油罐油量，控制加油机加油量。

（5）加完油后，监控车辆离开油库，执行送油任务。

通過该装置实现了不适用射频通信的场合的无线数据通信，在整个过程中不需要人工干预，提高了工作效率。

5 总结

该设计及实践样例，采用基于白光LED的无线光通信技术，具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰、无电磁辐射等优点，能较好地解决加油站、油库、机场、医院等特殊场合禁止使用无线射频通信的问题。采用本案进行特种车辆无线通信与管控，可让管理人员实时了解特种车辆的运行信息、车辆载货信息，还可以远程控制车辆在危险环境下实施装卸货物作业，有效提高车辆调度与综合管理水平。endprint