1、电动自行车无线外设规范的意义

电动自行车是一个常见的交通工具&＃xff0c;多年发展下来&＃xff0c;形成了多个较为标准的零部件&＃xff0c;通过组装这些零部件&＃xff0c;即可拼装成&＃xff0c;常见的电动车零部件包括&＃xff1a;
机械类&＃xff1a;车架&＃xff0c;轮胎&＃xff0c;刹车系统
电气类&＃xff1a;电池&＃xff0c;电机&＃xff0c;电机控制器&＃xff0c;灯光
辅助类&＃xff1a;仪表&＃xff0c;报警器

可以看到各部件各司其职&＃xff0c;没有中央处理单元对整车进行控制&＃xff0c;也没有整车总线来协调各外设部件。

到了智能电动车时代&＃xff0c;需要增加一个中央处理单元获取整车各个部件的信息&＃xff0c;也能同时对整车的部件进行一定的控制与设置。这就需要在电动车上增加总线。
总线在汽车领域很常见&＃xff0c;比如CAN总线&＃xff0c;但CAN总线模块是比较贵的&＃xff0c;对于电动车这类价格只有汽车几十分之一的产品&＃xff0c;使用CAN总线很难普及。
同时电动车体型等原因&＃xff0c;走线也是一个考量点。
另外&＃xff0c;对于广大的后装市场&＃xff0c;总线走有线方式&＃xff0c;安装会非常费力。

基于此&＃xff0c;我们提出了用无线技术来打造一条适合电动车的总线方案&＃xff0c;可以方便的扩展出各类外设。

 

2、无线方案的选取

无线技术众多&＃xff0c;WI-FI&＃xff0c;蓝牙&＃xff0c;Zigbee&＃xff0c;lora&＃xff0c;4G等等&＃xff0c;从本地总线的需求出发&＃xff0c;4G等广域网技术不考虑&＃xff0c;局域网方案&＃xff0c;我们从如下角度来考虑使用的无线方案

技术	成本	功耗	带宽	网络可扩展性	可交互性
WI-FI	中	高	高	低	中
BLE蓝牙	低	低	中	中	高
Zigbee	低	低	低	高	低
lora	中	中	低	高	低
433	低	低	低	低	低

从表项中可以看出蓝牙方案与zigbee方案是比较好的选择&＃xff0c;考虑电动车的外设部件不会很多&＃xff0c;网络可扩展性要求不高&＃xff0c;zigbee网络支持的65536的优势不明显&＃xff0c;而手机没有zigbee模块&＃xff0c;与外设单独的可交互性较差。

选取BLE蓝牙技术作为我们的技术方案。

 

3、无线外设总线网络架构

标准的BLE蓝牙是一个点对点的技术&＃xff0c;基于点对点技术形成网络的话&＃xff0c;对中央节点连接能力的要求会比较高&＃xff0c;且中央节点必须可靠&＃xff0c;否则整个网络瘫痪。
对此&＃xff0c;我们设计了一套无连接的总线网络架构&＃xff0c;网络根据寻址类型的不同可以形成星型网络与网状网络2种类型。

此架构的协议分为4层&＃xff0c;即应用层&＃xff0c;传输层&＃xff0c;网络层&＃xff0c;物理层

 

3.1、物理层

物理层使用BLE蓝牙的广播与扫描能力&＃xff0c;BLE广播可以携带一定的数据&＃xff0c;用BLE广播交互低频数据是没有问题的。

3.2、网络层

网络层保证消息的可达性&＃xff0c;涉及寻址与路由&＃xff0c;同时也决定了网络的结构。

3.2.1、网络地址

我们定义了3类地址。
 

单播地址
单播地址范围0x01-0x7F&＃xff0c;共计127个&＃xff0c;在外设设备入网时分配&＃xff0c;单播地址用于无线外设与智能中控的交互&＃xff0c;智能中控默认的单播地址是0x00。
寻址时&＃xff0c;中控接收所有非0地址的网络封包&＃xff0c;设备仅接收平台分配地址的网络封包。

组播地址
组播地址范围0x80-0xFE&＃xff0c;共计127个&＃xff0c;组播地址无需分配&＃xff0c;由品类ID决定。
组播地址采用订阅发布模式&＃xff0c;设备产生了满足某个品类ID的某个操作码后&＃xff0c;就在网络中发布此操作码消息&＃xff0c;消息地址为此品类的组播地址&＃xff0c;对此类品类ID的操作码感兴趣的其他设备可订阅此消息并解析。比如&＃xff0c;网络中的钥匙可以在钥匙按钮变化时发布消息&＃xff0c;消息的组播地址为钥匙的品类ID&＃xff0c;消息的操作码按键操作码。对此此类消息感兴趣&＃xff08;订阅了此组播地址&＃xff09;的外设&＃xff0c;比如车厢锁就可以接收并解析消息&＃xff0c;看看消息内容是否是锁定/解锁车厢锁&＃xff0c;然后执行相应动作。

广播地址
广播地址范围0xFF&＃xff0c;广播地址所有设备都需要接收&＃xff0c;功能预留。

3.2.2、网络结构

根据地址类型的不同&＃xff0c;整个网络可以组成星型和网格2种类型。

星型网络
当使用单播地址时&＃xff0c;整个网络呈现星型结构&＃xff0c;中心设备为智能中控&＃xff0c;智能中控与智能外设之间通过单播地址寻址交互。

网格网络
当使用组播地址时&＃xff0c;整个网络呈现网格结构&＃xff0c;智能中控不工作时&＃xff0c;整个网络仍可工作&＃xff0c;设备间通过组播地址订阅发布模式寻址交互。

3.3.3、网络路由

为降低网络的复杂度&＃xff0c;网络消息不提供多跳路由能力&＃xff0c;外设设备无需转发消息。

3.3、传输层

传输层用于保证数据的可靠性与完整性&＃xff0c;考虑本地网络并不复杂&＃xff0c;且应用层无大数据传输&＃xff0c;我们设计的传输层不分包&＃xff0c;也无应答。由物理层的重传机制来保证可靠性。
为保证网络的安全性&＃xff0c;应用数据在传输层传输时需要加密&＃xff0c;加密密钥在设备入网时分配。
加密算法采用AES-CCM&＃xff0c;防止被破解被篡改。

3.4、应用层

应用层和应用有关&＃xff0c;输出型外设可根据应用类型发布消息&＃xff0c;输入型外设可根据应用订阅消息。
以智能胎压监测器&＃xff0c;智能头盔&＃xff0c;智能仪表为例。
智能胎压监测器定时输出胎压消息&＃xff0c;智能仪表订阅此消息&＃xff0c;并显示在仪表上。
当智能胎压监测器发现胎压异常&＃xff0c;则发出胎压异常消息&＃xff0c;智能仪表和智能头盔都订阅此消息&＃xff0c;智能仪表显示胎压异常的告警&＃xff0c;同时智能头盔语音提醒用户胎压异常。

4、智能外设的入网

外设要进入入网流程才能加入网络&＃xff0c;设备入网通过手机APP或者小程序进行。
智能外设入网的流程如下图所示&＃xff1a;

为便于操作&＃xff0c;我们使用了扫码入网的方式&＃xff0c;通过一个简单的扫码动作&＃xff0c;就完成了上线一系列复杂的交互。

 

5、未来展望

在电动车智能化的趋势下&＃xff0c;未来电动车的传感器与执行器会越来越多&＃xff0c;在提升用户驾驶感受与安全的同时&＃xff0c;也给了用户更多舒适性的配置。通过无线总线扩展的方式&＃xff0c;对于前装还是后装市场&＃xff0c;都更为方便的满足用户的需求。
我们也在寻求更多的智能化能力&＃xff0c;为电动车的智能化添砖加瓦。

 

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