基于STC89C52的智能车队通信网络管理系统设计

肖广兵，谢心怡

（南京林业大学 汽车与交通工程学院，南京 210037）

0 引言

随着车联网的不断发展与多场景应用，对车载网络的可靠性需求也随之提高。为了保证更高的通信质量，为车队网络通信提供更好的服务能力，合理分配通信网络中有限的带宽资源[1]也就非常重要。目前，现有研究主要面向带宽分配算法的理论问题，其中，对于动态带宽分配展开了广泛的研究[2]。但是，对于智能车队的通信网络而言，缺乏完整的硬件与软件系统来进行车队通信网络的管理。

本文设计基于STC89C52的智能车队通信网络管理系统，精确地对网络中各端口的实际使用带宽进行监测[3]，根据监测结果考虑到网络中各车辆对带宽的不同需求[4]，采取动态带宽分配和上下行带宽的控制，通过采集一定时间内的数据来定义正常的网络状态并设定阈值，检测带宽攻击等异常网络状态并发送警报。

1 系统设计

系统以STC89C52单片机为核心，完成对车队通信网络的管理。系统采集车队通信网络实时数据流量信息，经过处理器对数据进行分析处理后，定位网络流量使用异常的车辆，对异常车辆开启智能流量限制；同时，可由管理人员结合数据分析，对异常车辆采取相应的人工带宽限制。系统设计图见图1。

图1 系统设计图

2 硬件电路设计

基于STC89C52智能车队通信网络管理系统的硬件主要包括：供电模块、主处理器模块、无线通信模块等。硬件设备以STC89C52主处理器模块为核心，供电模块为系统提供电力供应，通过WIFI无线通信模块进行数据传输，实现对车队通信网络的管理。

2.1 供电模块

系统中STC89C52主处理器模块采用2.0~3.8V的直流电压，无线通信模块使用3.3V的直流电压。供电模块使用降压转换器TPS5420将滤波后的电源电压降至5V，再利用TLV1117-33CDCY可调式低压稳压器将电压从5V降至3.3V[5]。

供电模块[6]的输入电压为19～32V，并且具有防反接与滤波设计，输出电压为5V与3.3V。如图2所示，24V电源输入后连接SMD1812P110TF/33自恢复保险丝，进行过压过流保护，之后连接SMAJ36CA双向的TVS瞬态抑制二极管来保证输入电源的稳定[7]。

图2 供电模块

选用的TPS5420降压转换器[8]，其内部设置了慢启动电路以限制浪涌电流，电压前馈电路以改善瞬态响应，为电源模块提供了严格的电压调节精度。内部补偿的反馈回路最大限度地减少了外部零件的数量。同时，TPS5420降压转换器具有过压保护、过流限制和热关断等功能，以实现高性能的电源设计。

2.2 处理器模块

系统的核心硬件在于STC89C52处理器[9]，通过对各车辆传输的数据流量信息采集与分析处理，实现对车队间网络的流量与安全管理。

主处理器模块[10]选用STC公司生产的具有低功耗高性能的CMOS8位微控制器STC89C52，使用经典的MCS-51内核，同时做了很多改进，使得芯片相比于传统单片机具有更完善的功能，能够满足车队通信网络的流量统计与安全检测的需求。如图3所示，STC89C52单片机具有32个I/O口，P0是漏极开路输出，P1/P2/P3是准双向口。在系统和应用中可编程，无需专用编程器、专用仿真器，可通过串口P3.0与P3.1直接下载用户程序，减少硬件数目的同时降低了开发成本[11]。

图3 主处理器电路

2.3 无线通信模块

无线通信模块选用的ESP8266-WiFi[12]具有高灵敏度，可以在2ms之内唤醒、连接并传递数据包；耗能低，待机状态消耗功率小于1.0Mw。其具有稳定性好、高集成度、高效快捷等优点。无线通信模块电路如图4所示。ESP8266串口WiFi模块能够实现串口透传、PWM调控和GPIO控制等功能，可满足本系统内信息传输的需要，适用于智能车队网络领域的通信。

图4 无线通信模块电路

3 系统软件设计

软件设计选用Visual Basic 6.0软件，搭建十字路口车辆调度系统的界面。

软件主界面如图5所示。由设备管理、安全专区、系统监控、接口设置、设置五个模块组成，分别实现控制各车辆与网络的连接，带宽攻击检测[13]与安全检测，软件运行相关参数信息的查询与流量监控，WLAN参数设置以及软件界面的调整等功能。

图5 软件主界面

系统软件流程如图6所示。软件的核心在于流量监控，成功登陆后，管理员可以进行网络连接管理、数据流量监控、带宽攻击检测及安全检测等操作。同时，管理员可以结合系统的数据分析，对车队通信网络中的各车辆进行相应的动态带宽分配和带宽限制。

图6 系统软件流程图

图7为接入设备列表界面。通过该界面管理员可以查看目前网络内接入的所有设备及设备的IP地址、频段信道、协商速率等相关信息。同时，可以通过关键字过滤出需要查找的网络内符合相关条件的车辆。

图7 设备列表界面

图8为接入控制界面。通过该界面管理员可以对车队通信网络内的所有车辆进行信道接入和并发通信的管理[14]，软件对于车辆发送的链接请求进行识别，若存在参数异常，将不可接受的参数列表和相应的可用的修改设置即时反馈给车辆，车辆进行相应的调整后，重新发起链接请求接入网络。同时，可以通过断开数据传输异常的车辆与网络的连接，来保证车联网的通信质量。

图8 接入控制界面

图9所示为流量监控[15]界面。在该界面上方可选择监视端口，软件通过统计一段时间内的网络数据来定义一个网络的正常状态，以警报为目的建立低、中、高阈值。当车辆通信网络受到不良因素影响时，流量数据将出现异常高或者低的情况。流量一旦超过阈值，管理员就能收到电子邮件、电话或者其他方式的报警，从而采取相应措施。

图9 流量监控界面

图10为带宽攻击检测界面。为了防止攻击者对车队网络进行恶意的拒绝服务攻击，以及防止车队内的异常车辆发送大量重复无效的请求，占用大量带宽而造成服务器无法提供正常服务，管理员可对车队通信网络内的车辆进行带宽攻击检测。在系统中，选择需要进行检测的车队，点击“开始检测”按钮，待检测进度条达到100%时，页面下方显示检测结束，点击“查看检测报告”，可查看检测结果。

图10 带宽攻击检测界面

图11为带宽攻击检测报告。管理人员根据检测报告中车辆异常原因的分析，对数据传输异常的车辆进行带宽限制[16]，同时可以选择开启智能带宽分配，采取动态化带宽分配来保证车队中各车辆所需的数据传输量。

图11 检测报告界面

图12为安全检测界面。该界面包括三个模块：信号强度检测、安全检测和网络干扰检测。通过信号强度检测模块可查看实时的网络信号强度；通过进行安全检测模块[17]，可以检测网络中是否存在监听、带宽攻击与DNS遭受挟持等风险，并实时检测信道质量，选择信息传输的最佳信道进行信息传输；通过网络干扰检测模块可以根据车队通信网络传送信息量的大小变化，实施对动静信道比例自适应调整的混合信道分配方案[18]。

图12 安全检测界面

4 结语

本文以STC89C52为核心，通过对车辆通信网络数据流量传输的监控与信息采集，经数据处理分析后，定位异常车辆，通过无线通讯完成各设备间的数据传输，对车辆进行动态带宽分配及带宽限制，最终完成对车队通信网络的管理。该设计方案提高了通信网络的管理维护效率，增强了车队通信网络的高效性、安全性及稳定性，具备实践可行性。