任务 5.5：无线电车外通讯应用介绍-学生手册

任务5.5无线电车外通讯应用介绍项目五：车内与车外网络通信安全任务5.5：无线电车外通讯应用介绍【任务导入】无线电技术是现代车辆外通讯系统的核心，广泛应用于胎压监测系统（TPMS）、射频钥匙（RFKey）和近场通信（NFC）等领域。【学习目标】素质目标培养学生的全球科技责任感；增强学生的团队协作意识和能力；引导学生与不同文化背景的人有效沟通、协作，提升国际竞争力。知识目标能说明无线电信号的传输方式[K75]；能介绍无线电在车外通讯中的应用[K76]。能力目标能阐述无线电通讯的工作原理[A51]。【知识准备】无线电技术概述无线电的定义无线电，又称无线电波、射频电波，是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。由于它是由振荡电路的交变电流而产生的，可以通过天线发射和吸收故称之为无线电波。无线电波的频率范围通常在3Hz到300GHz之间，无线电波的波长越短、频率越高，相同时间内传输的信息就越多。无线电工作原理无线电的工作原理是基于电磁波的传播和接收。无线电通常使用调频或调幅技术将信息转化为电信号，利用天线将信号转化为电磁波并进行传输，然后通过接收器进行接收、解调和放大，最终将信号转化为原始信息。其工作原理如下（如REF_Ref174025152\h图5-5-1所示）：①信息转化：首先，声音、图像或其他形式的信息被转化为电信号。例如，通过麦克风将声音转化为模拟电信号，或通过摄像头将图像转化为模拟电信号。②调制和发送：电信号经过调频或调幅技术进行调制。调制后的信号通过天线转化为电磁波，发送出去，这些波可以在空间中传播。③接收：无线电接收器的天线接收到来自发射器的电磁波。然后，接收器将电磁波转化为电信号。④解调和放大：接收器解调和放大电信号。解调是恢复原始信息的过程，放大是增强信号强度。⑤信息转换：解调和放大后，电信号被转化为声音、图像或其他形式的原始信息。例如，通过扬声器播放声音，或通过显示器显示图像。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC1无线电工作原理无线电波的传播方式无线电波自发射地点到接收地点主要有天波、地波、空间直线波、空间散射波4种传播方式（如REF_Ref174025165\h图5-5-2所示）：地波：靠大气层中的电离层反射传播的电波，称为天波，又称电离层反射波。发射的电波是经距地面70—80公里以上的电离层反射后至接收地点，其传播距离较远，一般在1000公里以上。缺点是受电离层气候影响较大，传播信号很不稳定。短波频段是天波传播的最佳频段，渔业船舶配备的短波单边带电台，就是利用天波传播方式进行远距离通信的设备。天波：靠大气层中的电离层反射传播的电波，称为天波，又称电离层反射波。发射的电波是经距地面70—80公里以上的电离层反射后至接收地点，其传播距离较远，一般在1000公里以上。缺点是受电离层气候影响较大，传播信号很不稳定。短波频段是天波传播的最佳频段，渔业船舶配备的短波单边带电台，就是利用天波传播方式进行远距离通信的设备。空间直线波：在空间由发射地点向接收地点直线传播的电波，称空间直线电波，又称直线波或视距波。传播距离为视距范围，仅为数十公里。渔业船舶配备的对讲机和雷达均是利用空间波传播方式进行通信的设备。空间散射波：包括对流层散射、极区散射和流星散射等，适用于特定条件下的远距离通信。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC2无线电传播方式无线电调制解调技术调制调制是将信息信号（如声音、数据）叠加到载波信号上，以便通过无线电波传输（如REF_Ref174025183\h图5-5-3所示）。调制的主要目的是将信息信号的频率提升到适合无线电传输的频段。常见的调制方式有：振幅调制（AM）：载波信号的振幅随信息信号的变化而变化，而载波的频率和相位保持不变。频率调制（FM）：载波信号的频率随信息信号的变化而变化，而载波的振幅和相位保持不变。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC3无线电调制解调解调是从接收到的调制信号中提取原始信息信号的过程。解调的类型与调制方式相对应：AM解调：利用包络检波器或同步检波器将AM信号中的信息信号提取出来。FM解调：利用频率鉴频器（如斜率检波器或锁相环）将FM信号中的信息信号提取出来。胎压监测系统（TPMS）TPMS概述胎压侦测系统(Tire-pressuremonitoringsystem，TPMS)是一种用来侦测轮胎胎压的电子系统，它能够及时提醒驾驶轮胎状况是否异常，以提升行车安全，其主要功能包含轮胎漏气、轮胎压力和温度的异常提醒。TPMS通过传感器监测轮胎的气压，并将数据传输到车内的显示系统。如果轮胎气压低于或高于预设的安全范围，系统会发出警报，提醒驾驶员进行检查和调整。TPMS的组成胎压监测系统（TPMS）主要由以下三个主要部分组成：传感器、控制模块和显示器。传感器传感器安装在轮胎内部或气门嘴上，能够持续监测并记录轮胎的气压水平（如REF_Ref174025204\h图5-5-4所示）。这种实时监测对于预防轮胎过压或欠压至关重要，因为这两种情况都可能导致轮胎性能下降甚至发生爆胎。一些高级传感器除了监测气压外，还能检测轮胎的温度。温度信息可以提供更全面的轮胎状态评估，因为轮胎温度的异常升高可能是轮胎损伤或过载的迹象。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC4内置胎压监测传感器压力传感器通过感应轮胎内部的气压变化，将这些变化转化为电信号。这些电信号随后被用来计算轮胎的实时气压。如果TPMS系统同时具备了温度检测功能，温度传感器将感应轮胎内部的温度变化，并将这些温度值转换为电信号，以便于进一步分析。然后传感器收集到的压力和温度数据通过无线信号发送到车辆的控制模块。这种无线通信确保了数据的实时传输，使得驾驶员能够及时获得轮胎状态的更新。传感器的种类主要分为两种：内置传感器和外置传感器。内置传感器安装在轮胎的轮辋上，其优点在于安全稳定，不易受到外部环境的影响。然而，内置传感器的安装和更换过程相对复杂，需要专业的技术支持。外置传感器安装在气门嘴上，与内置传感器相比具有安装简便和易于更换的特点。但外置传感器更容易受到外界因素的损坏，甚至有被盗的风险。总体而言，轮胎压力监测系统通过其传感器网络，为驾驶员提供了一个全面而可靠的轮胎状态监测解决方案，从而增强了行车安全并延长了轮胎的使用寿命。控制模块胎压监测系统(TPMS)的控制模块在系统中起着至关重要的作用，其主要功能包括数据接收和处理，以及触发警报机制。当接收到来自传感器的数据时，控制模块会对这些数据进行解析和处理，以判断胎压是否正常。控制模块由无线接收器、微处理器、存储器和警报系统组成。无线接收器负责接收来自传感器的无线信号，微处理器则对接收到的数据进行处理和分析，以判断胎压是否正常。存储器用于存储检测到的胎压数据，供后续分析和参考。警报系统包括声音警报和灯光警报，用于提醒驾驶员注意胎压情况。控制模块首先通过无线接收器接收来自传感器的胎压数据；然后，微处理器对接收到的数据进行解析，判断胎压是否在正常范围内；最后，当胎压低于或高于设定的安全范围时，控制模块通过警报系统提醒驾驶员。显示器胎压监测系统(TPMS)中显示器的主要功能包括实时显示每个轮胎的胎压和温度信息（如有），以及在胎压异常时以图标或文字形式提示驾驶员注意（如REF_Ref174025223\h图5-5-5所示）。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC5胎压监测系统显示器显示器的种类包括独立显示器和车载显示器。独立显示器通常出现在后装TPMS系统中，可以放置在车内的任意位置；车载显示器则多见于原厂安装的TPMS系统，通常集成在车辆的仪表盘或中控屏上。显示器的工作原理是先从控制模块接收处理后的胎压数据，然后将每个轮胎的胎压和温度（如有）信息通过图像或数字形式展示在屏幕上。当检测到胎压异常时，显示器通过图标、文字或声音提醒驾驶员。显示器确保了驾驶员能够实时监控胎压状况，并在必要时及时采取行动，确保行车安全。TPMS的类型直接式TPMS直接式TPMS通过安装在轮胎内部的传感器，直接测量胎压并通过无线电波将数据传输到车载接收器。直接式TPMS的优点是可以监测到每个轮胎的具体气压，并且能够提供实时且精确的气压数据。但是由于需要在轮胎内部安装多个传感器，一旦传感器发生故障，维修和更换将相对繁琐，因此直接式TPMS的安装成本和维修成本更高。间接式TPMS间接式TPMS利用车辆的ABS（防抱死刹车系统）传感器和ESP（电子稳定程序）传感器，通过监测车轮的转速和其他车辆动态参数来推断轮胎气压变化。间接式TPMS因为不需要额外的压力传感器，因此维护简单，成本较低。但间接式TMPS不能提供具体的其他数值，只能检测到气压显著变化，且精度、灵敏度和实时性方面皆不如直接式TPMS。TPMS的传输方式胎压侦测系统的数据传输方式大致可分为以下两大类型：低功率无线电传感器通常会使用433MHz低功率无线电来传输侦测信息给接收器，而接收器可搭配原厂车载主机，抑或是使用独立的数字显示器。蓝牙侦测器透过蓝牙传输，将信息传递到手机，藉由手机App提醒驾驶。除了以上这两大类，其实也有低功率无线电和蓝牙的混合型产品，传输原理是先由传感器以低功率无线电的形式传递信息到接收器，而接受器再将信息以蓝牙方式传递到手机App进行汇整。射频钥匙（RFKey）射频钥匙概述射频钥匙（RadioFrequencyKey，RFKey），又称智能钥匙（SmartKey）或无钥匙进入系统（KeylessEntrySystem），是一种利用无线电波技术来控制车辆门锁和点火系统的电子设备（如REF_Ref174025234\h图5-5-6所示）。它通过发送和接收射频信号，使车主无需物理钥匙即可解锁车门和启动引擎。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC6射频钥匙射频钥匙的组成射频钥匙的组成包括发射器和接收器两部分。发射器（钥匙）主要由按钮、射频模块和电源组成。用户通过按压按钮发出特定命令，例如锁车、解锁和开后备箱。发射器内置的射频模块用于生成和发送无线电信号，而内置电池则为发射器提供电力，确保其正常工作。接收器（车辆）由天线、控制单元和执行机构组成。车辆内置多个天线，用于接收来自发射器的射频信号。中央控制单元（ECU）负责处理接收到的信号，并执行相应的操作，如控制车门锁、点火系统和警报器等设备的执行机构。当车主靠近车辆时，钥匙发射器发送无线电信号，车载接收器接收到信号后，通过验证身份确认后解锁车辆。同样，车主在车内按下启动按钮，系统再次验证身份后启动发动机。射频钥匙的功能射频钥匙的功能包括无钥匙进入、无钥匙启动、远程控制和防盗系统：无钥匙进入：车主无需掏出钥匙，只需靠近车辆即可自动解锁车门（如REF_Ref174025246\h图5-5-7所示）。无钥匙启动：允许车主进入车辆后，只需按下启动按钮或旋转开关即可启动引擎。远程控制：具有远程锁车、解锁和启动引擎的功能，方便车主在一定距离内控制车辆。防盗系统：射频钥匙通常集成了防盗功能，没有正确的射频钥匙，车辆无法启动，从而提高了安全性。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC7无钥匙进入功能射频钥匙系统采用加密技术，确保通信过程中的数据安全。现代RFKey系统还引入了滚动码技术，避免信号被拦截和复制，提高了系统的安全性。射频钥匙的优缺点射频钥匙具有多种优点和缺点。优点包括便利性、安全性和多功能性。射频钥匙无需反复掏出，操作更加简便快捷；通过加密技术进行身份验证，提高了防盗性能；并且集成了锁车、解锁、启动引擎等多种功能，增加了车辆使用的便捷性。然而，射频钥匙也有一些缺点。它们依赖电池供电，如果电池耗尽，可能无法正常使用；在某些情况下，射频信号可能受到其他无线设备的干扰，影响钥匙的正常使用；此外，相对于传统机械钥匙，射频钥匙的制造和维修成本较高。汽车NFC钥匙汽车NFC钥匙概述近场通信（NearFieldCommunication，简称NFC）是一种短距离无线通信技术，允许电子设备之间在短距离内进行数据交换。NFC的工作频率为13.56MHz，通信距离通常在几厘米范围内。NFC技术具有低功耗、快速连接的特点。汽车NFC钥匙是一种利用近场通信（NFC）技术来控制车辆的电子设备，提供无钥匙进入和启动功能（如REF_Ref174025271\h图5-5-8所示）。它通过将智能手机或专用NFC钥匙卡与车辆进行近距离无线通信，实现车辆的解锁、上锁和启动等功能，也属于射频钥匙范畴。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC8汽车NFC钥匙汽车NFC钥匙的组成汽车NFC钥匙通过在智能手机或专用NFC卡上内置NFC芯片，与车辆的NFC接收器进行通信。当NFC设备靠近车辆时，车载NFC接收器检测到信号并进行身份验证。如果验证通过，车辆会执行相应的操作，如解锁车门或启动引擎。汽车NFC钥匙由以下三个部分组成（如REF_Ref174025282\h图5-5-9所示）：NFC设备：通常是智能手机或专用的NFC钥匙卡，内置NFC芯片，用于发送和接收NFC信号。车载NFC接收器：安装在车辆内部的NFC接收器，用于接收NFC设备的信号并进行处理。车载控制单元（ECU）：负责处理NFC接收器传来的信号，执行解锁、上锁、启动等指令。图5-5-SEQ图_5-5-\*ARABIC9汽车NFC钥匙的组成NFC通过电磁感应实现数据传输，设备之间无需物理接触即可完成