（通信与信息系统专业论文）车辆管控无线通信子系统关键技术的研究和设备的研制.pdf

摘要 社会经济的发展带来车辆数量的迅速增加，从而给道路交通和车辆调度带来 极大的压力。如何对车辆实施有效的管理和监控，提高车辆的使用效率，降低运 营的成本，保证道路的通畅，成了全社会都非常关注的问题。信息技术的迅猛发 展，为车辆管控系统的信息化、自动化提供了有力的技术支持，而信息的安全问 题无疑是信息技术中一个非常重要的课题。本学位论文主要研究基于蓝牙技术的 车辆管控系统，研究了蓝牙系统中的若干关键技术，特别是将数据加密技术应用 于蓝牙设备的数据传输，开发出了邮政车辆管控系统。 论文共分6 章，各章内容简介如下。 第一章首先介绍了课题背景和车辆管控系统的现状，接着阐述了蓝牙技术的 基本特征并给出了本论文的结构。 第二章对车辆管控系统作了全面的讨论，介绍了智能停车管理系统、智能交 通管理系统和智能公交管理系统等，给出了它们的结构、工作流程和功能特点。 这些智能车辆管控系统均使用蓝牙技术来实现无线数据传输。 第三章对蓝牙的几个关键技术作了分析，包括安全保密、跳频以及组网技术 等，它们是蓝牙系统有别于其他无线通信技术的标志，是后面各章研究开发工作 的基础。 第四章主要对数据流加密技术进行了研究，剖析了分组密码、序列流密码、 公开密钥密码以及p g p 标准等几种数据流冉b 密的加密算法，其中公开密钥密码 中的r s a 加密算法将应用于第五章的数据加密传输。 第五章是蓝牙数据传输的应用，介绍了在蓝牙数据传输系统中应用的软件、 硬件环境以及系统流程，分析了蓝牙技术的安全机制，提出了将r s a 数据流加 密技术应用其中的方案。 第六章详细介绍了自s 政车辆管控系统的实现，首先介绍了系统结构和工作漉 程，然后给出了智能车载卡和局端蓝牙通信嚣的硬件实现。 论文最后对全文和课题工作进行了总结。 关键词：蓝牙，加密，r s a ，密码学，车辆管控 a b s t r a c t t h eq u a n t i t yo fv e h i c l ei si n c r e a s i n gq u i c k l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ys o t h a tt h e r ea r em o r ea n dm o r ed i m c u l d c sf o rr o a dt r a f f i ca n dv e h i c l em a n a g e m e n t h o wt om a n a g ee f f e c t i v e l yt h ev e h i c l e st oe n h a n c et h ee f f e c t i v e n e s sa n dd e c r e a s e e x p e n d i t u r eb e c o m e sv c r yi m p o r t a n t o nt h e o t h e rh a n d c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ed e v e l o p i n gv e r yq u i c k l y i ti sp o s s i b l en o wt ob r i n gu pa n e wa n dp o w e r f u lv e h i c l em a n a g e m e n ta n ds u r v e i l l a n c es y s t e mw i t hi n f o r m a t i o na n d a u t o m a t i o n t h es e c u r i t yi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e ss ot h e m a i nt a s ko ft h et h e s i si st or e s e a r c ht h es e c u r i t ym e c h a n i s ma n dt l l ev e h i c l e m a n a g e m e n ts y s t e m sb a s e do nb l u e t 0 0 t ht e c h n o l o g y a sa r e s u l to ft h er e s e a r c hw o r k ， t h ev e h i c l em a n a g e m e n ts v s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e dt op o s tv e h i c l e i n t e l l i g e n c em a n a g e m e n ts y s t e m t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h et h e s i sa sf o l l o w s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c ti si n t r o d u c e da n dt h ef e a t u r e s o ft h ev e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e m sa r ed e s c r i b e d t h e nt h ec o n f i g u r a t i o no ft h i s t h e s i si sg i v e n s o m ei n t e l l i g e n c ev e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e m ss u c ha sp a r k i n ga n dt r a f f i ca r e d i s c u s s e di nc h a p t e r2 t h es t r u c t u r e s ，w o r k i n gf l o wa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e ma r e g i v e n t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n sa r eb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y i nc h a p t e r3 ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gs e c u r i t y , f r e q u e n c yh o p p i n g ，p i c o n e t a n ds c a t t e r n e ta r ed i s c u s s e d t h e ya r et h em a i nf l a g sd i f f e r i n gf r o mo t h e rw i r e l e s s t e c h n o l o g ya n d t h ef o u n d a t i o n sf o rn e x tc h a p t e r s t h es t r e a ma l g o r i t h m sa r es t u d i e di nc h a p t e r4 t h e e n c r y p t i o ns y s t e mt od e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ) ，r s ao fp u b l i ck e yc r y p t o s y s t e ma n dp g ps t a n d a r da r e a n n y z e di nd e t m l t h ea n a l y s i si nt h i sc h a p t e rw i l lb et h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h e a p p l i c a t i o ni nt h en e x tc h a p t e r t h ea p p l i c a t i o nf o rd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nb l u e t o o t hi se m p h a s i z e di n c h a p t e r5 t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u tt h i sa p p l i c a t i o na r ed e v e l o p e d t h e s e c u r i t ym e c h a n i s mf o rb l u e t o o t hi sa n n y z e d t h ed a t ae n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e d o nr s ai sp r e s e n t e d t h er e a l i z a t i o no ft h ep o s tv e h i c l em a n a g e m e n ta n ds u r v e i l l a n c es y s t e mi s p r o p o s e di nc h a p t e r6 f i r s t ，t h ec o n f i g u r a t i o na n df l o w c h a r to fs y s t e ma r ed e s i g n e d a n dt h e nt h ed e v e l o p m e n to f h a r d w a r ea b o u tv e h i c l ec a r da n ds t a t i o nb o xi sg i v e n i nt h ee n d ，t h er e s u l t so f t h ep r o j e c ta n dt h e s i sa r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，e n c r y p t i o n r s a ，c r y p t o s y s t e m ，v e h i c l em a n a g e m e n ta n d s u r v e i l l a n c es y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 奎，庭 日 期：塑啦 玎 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：盔廑导师签名： 第一章绪言 第一章绪言 信息化是当今世界发展的重要主题，2 0 世纪8 0 年以来，信息产业一直是发 展最快的产业。随着i n t e m e t 爆炸性的应用和发展，与移动通信的结合成为当前 最热点的研究课题。移动通信的兴起与应用的日益普及，许多新技术蜂拥而出， 如：通用分组无线服务( g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 、无线应用协议 ( w a p w i r e l e s s a p p l i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 及蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 等使人耳目一新”l 。 随着社会的进步和人们生活水平的提高，车辆的数目日渐增多，如何对车辆 进行有效的管理和监控以提高车辆的使用效率，已经成为一个非常突出的问题。 以前简单的、手工的管理方式已经不能适应现代社会发展的需要。而信息技术的 迅猛发展，为车辆管控的信息化、自动化、高效化和适时化提供了强有力的技术 支持。特别是无线通信网络的发展，使我们可以随时随地对车辆进行随心所欲的 管控，充分享受到信息技术给我们的生活和工作带来的便利。蓝牙技术就是一种 非常优秀的近距离的无线通信技术。 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 是一种小范围的无线通信标准，通过它可以使各种通 信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器用无线方法连 接起来。蓝牙技术有可能成为小范围无线多媒体通信的国际标准。在技术上它采 用2 4 g h z1 s m 频段、g f s k 频率调制技术、前向纠错( f e cf o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ) 及自动重发请求( a r qa u t o m a t i er e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 、t d d 、 基带协议为电路交换与分组交换相结合。蓝牙技术的一个时隙为0 6 2 5 u s ，基带 符号速率为1 m b i f f s 、适时话音传输速率为6 4 k b i t s 。语音编码为对数p c m 和连 续可变斜率增量调制。发射功率有l m w 、2 5 m w 和1 0 0 m w 三个等级。传输距 离为1 0 - l o o m 。蓝牙的组网原则为主从网络，通过时分多址( t d m at i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术，一个主站( m a s t e r ) 可同时和七个从站( s l a v e ) 进行通信，所有设备的地位都是平等的，是一种标准的a dh o c 网络。蓝牙系统 使用全球统一的4 8 比特的蓝牙地址。蓝牙芯片的微型化与低成本化将使其应用 前景更为宽阔”i 。 本学位论文的主要任务是研究车辆管控无线通信子系统一蓝牙技术的关键 技术及一些相关应用，包括两大部分内容：一是研究了蓝牙技术的一些关键技术， 特别对蓝牙安全机制作了深入的分析，指出了蓝牙技术的安全漏洞，并提出了一 些解决方案。二是基于蓝牙技术的信息管理系统。在此基础上论文作者完成了蓝 牙加密数据传输系统、邮政车辆管控系统开发和研制。 本学位论文共分六章，现分别介绍如下： 第一章绪言。介绍课题背景、课题内容以及本论文章节的安排。 第二章车辆管控系统的研究。本章从智能停车管理系统、智能交通管理系 统和智能公交管理系统等三个方面智能车辆管理系统进行了阐述。介绍每个系统 j 东南大学硕上学位论文 的结构组成、工作原理和功能特点。 第三章 蓝牙关键技术的研究。蓝牙技术作为一种新的近距离无线通信技 术，使用了一些关键技术。本章首先介绍了蓝牙协议栈，然后从安全保密技术、 跳频技术、组网技术等对蓝牙关键技术进行了更进一步的研究。指出了蓝牙安全 机制的漏洞，提出了加强安全的一些方法。 第四章加密技术的研究。为了加强蓝牙数据传输的安全性，特意启动了蓝 牙应用层的加密机制，即对数据流进行了加密。本章主要介绍了分组密码、序列 流密码、公开密钥密码以及p g p 标准等几种数据流加密的加密算法。 第五章加密技术在蓝牙数据传输中的应用。本章主要介绍数据流加密算法 r s a 在蓝牙数据传输中的实现，介绍了在该系统中所用到的软件平台、硬件平 台以及实现过程。 第六章邮政车辆管控系统的研究和设备的研制。本章主要分为两个部分， 主要介绍蓝牙技术在车辆管控系统中的实现原理以及硬件实现。 第二章智能车辆管控末绩介绍 第二章智能车辆管控系统介绍 随着信息技术的迅猛发展，信息技术深入到社会生活的各个角落，信息技术 深刻地改变着人们的生活和工作方式。在这种情况下，各种自动化信息管理系统 应运丽生，基于蓝牙技术的智能车辆管控系统就是其中的种。 车辆管控是一个很大的范畴，随着车辆的出现，车辆管控就应运而生，特 别是现在，随着社会的进步和人们生活水平的提高，车辆越来越多，如何时车辆 进行有效的管控，成为人们非常关注的问题。车辆管控可以分为以下几类：由交 警实施的道路交通管控；由车辆拥有单位实施的车辆使用管控；由服务提供单位 实施的计费管控：由车辆拥有个人实施的安全管控等。 道路交通管控由交通警察负责实施，主要包括车流引导标识的设置与执行情 况的监督。当前的道路交通管理主要还是靠人工执行，但也已经引入了一部分电 子化辅助手段，典型的有拍摄闯红灯车辆的“电子警察”，各主要十字路口以及 出入城路口实时拍摄录像的数字监控，显示路况信息的l e d 电子显示屏等。电 子警察能全天候监视司机是否闯红灯，对司机是一种威慑。但电子警察拍摄的照 片需要人工识别，效率不离，并且可识别率也不是缦高。路口的数字监控也需要 人工查看，当车速较高时很难准确识别出车牌号码。 车辆使用管控是指企事业单位公有车辆的管理与控制。大中型企业以及运输 类企业动辄拥有几十、数百辆汽车。如何管理好这些汽车，使企业花费最小的成 本获得最大的收益是这些企业的车辆管理部门最关心的事情。企业车辆管理里面 包括合理分派调度，控制油料供给，防止私自出车，减少交通事故等几个主要方 面。现行管理办法中一般使嗣人工书面登记的方式来实现前3 个方面，能起到 定的效果，但管理效率低下并且容易受人为因素的干扰。而在减少交通事故方面 完全靠司机自己把握。 计费管理是指有关部门收取过桥过路费，营业性停车场收取停车费的管理行 为。当前在计费管理领域传统的手工计费与i c 卡计费并存，并且在国外已经开 始使用射频身份卡( r f i d r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 来对进入赢速公路的 车辆可以实施不停车收费，提高通车效率。 安全管理主要指车辆的防盗。当前私家车一般都安装震动传感报警器。处于 停泊状态的车辆一旦发生震动，报警器就会发出响亮的警报。报警器的遥控装置 分为两种，种是单向通信的，只能使用遥控器控制车辆：另一种能双向通信， 当车载报警器报警时，遥控器也会发出报警声。这种防盗装置效果明显，受到许 多有车族的青睐，并且已经成为了一部分中高档车辆的出厂标配。但是当前犯 罪分子的作案手段越来越高明，所以车辆的安全防盗手段还有待提高。 蓝牙技术作为一种全新的近距离传输手段，给智能车辆管控系统提供了一种 无线数据传输平台。使得基于蓝牙技术的车辆综合管控系统成为种高度自动 化、智能化、能有效提高管理水平的科学管理手段，解决了一些原先难以解决的 问题，强化了原先还不够完善的地方，并提出了些全新的管理思路和具体方法。 本章主要从智能停车管理系统、智能交通管理系统、智能交通管理系统等三个方 面对智能车辆管控系统进行了研究。 2 1 智能停车管理系统 随着城市交通的不断发展，许多大中型大厦都面临着数百辆车的日常保安管 理工作。由于地面空间的限制，对常驻车辆和临时车辆的便捷管理成为各个大厦、 公寓追切需要解决的难题。近几年，将人性化的管理思想与科学精确的管理手段 相结合的智能停车场管理系统引起了众多业主和物业管理机构的重视，并已成为 智能建筑中的重要组成部分。 2 1 1 工作原理 蓝牙智能停车管理系统，采用目前国际上最先进的蓝牙无线识别技术，通过 计算机网络和高度自动化设备，并结合客户在停车管理方面的特定需求来完成 的。这种系统可以同时为车辆使用者和物业管理者提供方便、高效的服务，防止 人为因素给停车场管理带来的破坏和干扰，控制费用流失，提高运营效率，确保 车辆安全，从而提高整个停车场的管理水平和使用效率。其适用范围包括各种住 宅小区，大型企事业单位，酒店，写字楼的停车场及大门出入处。 蓝牙智能停车管理系统由三个子系统构成：管理中心、门禁工作站、蓝牙车 载卡，如图2 1 所示。 管控中心门监系统 魉国l - 圜 带蓝牙车载卡的汽车 图2 1 蓝牙智能停车管理系统构成 蓝牙车载卡安装在车辆内或由车主携带，其中记录了车辆的车牌号、通行证 号、车主个人资料、车辆型号以及车主的实际缴费情况和当前余额等信息。门禁 工作站的读写器时刻查询有效范围内的所有蓝牙车载卡，并通过网络将查询信息 传送给信息中一心的服务器，同时根据实际情况启动读写器上的自动计费程序进行 相应的收费或进行一些响应的动作，如：拒绝进入或放行等，实际使用场景如图 2 2 所示。 第二一章智能车辆管拄系统介绍 停车厂 入口门监 图2 2 系统实际使用示意图 蓝牙车载卡是目前国际上最先进的智能卡，代表着一种崭新的信息处理手 段，具有防水、防磁、抗静电、无磨损、信息储存量大、使用寿命长等特点，可 根据顾客需求分别定制。在本系统中，蓝牙车载卡具有以下特点： 信息储存量大，它可以存储比磁卡和智能i c 卡大2 0 0 倍以上的信息量，可 以携带车辆私车主的详缅验证信息。 使用寿命长，据有关试验证明，质量好的磁卡最多使用次数可达2 0 0 0 次， 而蓝牙车载卡的使用次数在理论上没有限制，从寿命上看蓝牙车载卡为磁卡的数 百倍，而价格只是磁卡的几十倍。 安全性能好，本系统具有逻辑判断功能，蓝牙车载卡在第一次带车进场之后， 系统便认定该卡己入场，屙时不再允许其再入场，除非该卡经读卡出场之后才能 再入。另外还有两种防盗功能，a ) 对车牌，即蓝牙无线卡编入的车牌与实际用 车的车牌是否一致，若不一致会作保安处理，这工作在出入口处完成；b ) 蓝牙 无线卡挂失，若车主的蓝牙车载卡丢失或被盗，应立即与车场联系，予以作废， 防止有人用被盗的蓝牙车载卡偷盗该卡所用的车。 2 1 2 配套系统 本系统还有些可选的配套系统，加上这些配套系统，可以是该系统更加智 能化、信息化，下面分别加以介绍。 摄像机复合系统。摄像机复合系统由两台摄像机，一个双路视频捕捉卡及管理 软件组成。当车辆驶入时，如果认证不通过( 如余额不足等) ，入口摄像机拍摄 张进入车辆的照片，并将该车辆卡号及进入时间与图像同时存入计算机硬盘，计算 机屏幕会自动显示出该车照片及进入时间和退出时间，将认证结果无线发送给蓝牙 车载卡通知车主并同时传送给服务器。 车位显示系统。车位显示系统由车位探测器、供电器、控制器、l e d 金属模 东南大学砸土学位娩_ 立= 拟图扳组成。车位探测器安装在车位上方，当有车辆进入时探测器发出有车信号， 控制器将金属模拟图板z f t o j 该车位的l e d 发光二二极管发出的绿色变为红色。车主 根据门岗传送的空余车位信息，了解车位并选择停车位。 车辆引导系统。车辆引导系统由条型l e d 显示屏、灯光引导指示牌组成。每 个灯光弓 导指示牌由两组灯光组成，一组显示有车位，一组显示请直行。灯光引 导指示牌受车位控制，当每组车位停满时，控制器会发出信号熄灭灯光引导指示 牌的有车位指示灯，进入地下停车场的驾驶员会根据灯光引导指示牌的有车位指 示灯寻找车位。条型l e d 显示屏安装在地下二层停车场入口处的金属模拟图板上 方，中文滚动显示，时间及停车方式及注意事项。 2 1 3 系统特点 本系统具有以下特点：高安防性能，自动识别、验证、收费并放行，避免人 为因索带来的安全失误：绿色环保，低功耗，无污染；人性化服务，无线不停车 识别，缩短车辆进出停车场时间，让业主充分享受高科技的优质物业服务；科学 精确的管理，系统可为管理部门自动提供车辆出入记录、缴费情况；整体有机结 合，管理系统、放行、结算系统互相关联，实现智能化管理。 2 2 智能交通管理系统 城市智能交通管理系统主要用于城市交警的道路交通管理，目的是实现交通 管理的现代化，实时化和信息化。其突出功能主要有：实时采集道路交通信息； 及时准确地确定交警岗位；对紧急事务做出迅速反应；移动检测道路车辆情况。 2 2 1 系统结构 本系统采用三层结构的形式，能很好地完成数据的采集、信息的处理和及时 的监控，下面分别予以介绍。 数据采集层，由数据采集嚣构成，固定在道路两侧。应用了蓝牙技术、g p r s 技术和嵌入式处理器等技术。其主要功能是采集原始的道路、车辆等交通数据， 如车辆走向情况、车流量大小、路面堵塞情况、路口车辆分布、车速等，能进行 数据的初步分析和根据信息中心的指令进行相应的操作。硬件包括蓝牙模块( 工 作范围1 0 0 m ) ，g p r s 模块，8 m 或1 6 m 的d o c 存储器等。软件包括蓝牙协议 栈、g p r s 通信软件、应用软件等。 信息中心层，由p c 服务器构成。可靠性高，能长时间连续工作，并有纠错 措施；支持通用大型数据库，如s q l 、o r a c l e 等；软件兼容性好，并支持多种传 输协议；能与i n t e r n e t 互联，可提供互联网的应用；支持s n m p 网络管理协议。 其主要功能为存储数据采集层和移动存储层提交的数据，并对其进行统计、分析 第二章智能车辆管控系统介绍 和处理；接受交通事故、车辆故障等报警信息并采取处理措施； 提供终端及远 程数据检索功能，引导查询：控制数据采集层的各个“接入点”的动作及其工作模 式，控制移动检测器的定位及调度；管理整个信息系统的数据：负责交通监管及 调度。 移动检测层，由交警携带的手持设备构成，可以进行定位和无线通信等。其 主要功能有：通过g p s 和g p r s 模块，与信息中心保持实时联系，接受其指令 或发送报告；可以传输语音、文字、图象和视频等数据，是真正的多媒体终端； 可以与其他交警随时保持联系和配合；可以通过“接入点”下载所需的信息；通过 蓝牙技术，可以随时检测附近车辆( 必须装有蓝牙车载卡) 的身份信息；控制路 口的交通信号灯并切换控制方式( 手动自动) 。硬件包括蓝牙模块( 工作范围 1 0 0 m ) 、g p r s 模块、液晶显示屏、小键盘和8 m 或1 6 m 的d o c 存储器等。软 件包括蓝牙协议栈、g p r s 通信软件和应用软件等。 2 。2 2 系统功能 本系统主要有如下功能： 公路信息采集和交通数据分析，安装在路边的“接入点”可以采集过往的车辆 数据，包括车载卡号码、该车辆经过时间等。对路口车流量进行统计。分板车辆 走向；关键路段可以进行车速分析及超速行驶报告。并能定期通过g p r s 网络将 信息发送到交管部门的信息中心。 移动检测、数据下载，移动检测器可与路边的“接入点”建立通信连接，通过 “接入点”接受信息中心的各种信息或向其传送采集到的数据或查询指令。移动检 测器还可控制各个路口的交通信号灯。移动检测器可配g p s 全球定位系统，定 时向信息中心报告本身位置。交警手持式移动检测器，可以查询工作范围内的所 有车辆信息。 交通事故处理，针对交通肇事逃逸情况，可以记录肇事车辆的有关信息。 车辆管理，对于本地车辆，可以存储车辆历史记录；交警存储违章信息；信 息中心统计违章记录：协助管理车辆违章和车辆保险。与汽车维修系统进行联网； 组建车辆档案；协助年检和车辆报废审查；抵制走私车的私自销售。而对于临时 车辆可以采用发放临时车载卡的形式进行管理，l 晦时车载卡可以重复使用。 由于本系统在应用过程中要求所有的车辆必须安装蓝牙车载卡，因此目前使 用还有一定的困难，不过随着蓝牙技术的发展和成本的降低，该智能交通管理系 统一定会大有作为的。 东南入学坝l 学位论卫 2 3 智能公交管理系统 在城市的日常生活中，交通是一件非常重要的事，交通问题处理不好，整个 城市的运转将受到极大的影响。而公共交通更是重中之重。在城市公共交通里， 最重要的是以下几个方面：停车场或枢纽的调度管理：候车站牌建设；车辆及人 员调度。 对于公交公司，该系统可以告诉调度中心：公司的车辆这个时刻在什么位置， 停车场里还有多少车，哪个线路虽繁忙，如何把不繁忙线路的车辆或临时机动车 辆投入到繁忙的线路去。通过该系统，调度中心可以对线路上正在运营的车辆发 出一些信息( 如：繁忙路段情况等) ，同时，调度中心还能控制公交车辆的广告 播放，采用信息化的方式对员工进行考勤、考核，实现路单电子化，而目前只能 通过人工或计算机打印路单。对于乘车人，该系统还可以告诉每个人：如何选择 换乘最少辆车、路程最短的公交线路，自己希望的公交车何时到达等。 2 3 1 系统结构 该系统的结构如图2 3 所示，主要分为；公交中心调度显示子系统、停车场及 枢纽调度管理子系统、候车电子站牌子系统、公交智能终端子系统等四部分，下 面对各个子系统分别加以介绍。 公交车 公交车公交车 圈2 ：3 公交车辆调度系统结构图 对于公交中心调度显示子系统，其主要功能如下： 车辆动态显示j 通过大屏幕和电子地图方式动态地显示任意一辆公交车辆所 处的位置，以便给调度人员及各级指挥人员提供直观判断信息。 重要通知下发。可方便地对所有公交车辆或部分公交车辆下发一些重要通 知。 第二章智能车辆管控系统介绍 广告播放调度。通过中心广告调度，可随时对所有公交车辆或部分公交车辆 的电子广告进行调度控制，以达到广告投放的最大效果，同时获取最大收益。 核心调度管理。可随时对所有公交车辆进行调度，以达到车辆使用的合理化。 对于停车场及枢纽调度管理子系统，其主要功能如下： 自动识别进出场区的车辆信息，包括车牌号码，线路，到站时间等。 自动识别车辆上乘务人员信息，包括司机信息，售票员信息等。 对进入车场的车辆预先发出发车指令，使司机知道自己的发车时间。 可随时调度车辆的发车线路，如假如1 路公交车线路由于堵车车辆已全部发 出，而处于同一车场的2 路车还有空闲车辆，调度系统可发出指令让一些2 路车 更改成1 路车投入使用，这样可大大加强公交车辆的使用效率。 系统自动记录车辆的到站时间，发车时间和乘务人员信息，这样可方便精确 地形成考核信息，并且是权威信息。 可为进出的每一辆车分配停车位置，如车道或停车位等。 对于候车电子站牌子系统，其主要功能如下： 到站预告。通过l e d 显示屏方便地显示离本站最近的公交车辆的预计到达 时问或距离。 电子站牌。通过l e d 显示屏显示线路停靠站。 接收中心发出的信息并显示。 接收中心发出的信息并显示。由于中心的信息来源是最多的，中心可随时向 电子站牌推送信息，如堵车信息等等，使候车人时时刻刻感受到公交公司的周到 服务。甚至可以发送天气预报等公益性信号。 可以在间隙时间插搔广告。 对于公交智能终端子系统，其主要功能如下： 可方便地通过i c 卡或键盘方式，把乘务人员信息输入到公交智能终端。 可随时通过加密方式把车辆及乘务人员信息发送到调度中心。 可随时接收调度中心或调度系统发出的信息，并通过l c d 显示屏显示。 可通过串口方便地提供一个高速数据传输通道，为数据传输提供方便等。 可通过串口控制线路显示，广告系统控制等。 争 东南大学顼l 学位论文 2 3 2 系统特点 本智能公交调度系统由于采用了蓝牙技术、g p r s 技术和数据库技术，使得 公交调度实现了信息化、自动化和电子化，它具有以下特点： 全面实现了公交公司、乘务人员、乘客之间的信息采集，信息发送，和信息 共享。 通过这些服务可大大提升公交公司在市民中的地位，使城市的公共交通管理 迈上新的台阶。 可大大提高公交公司的车辆的运营效率。 通过广告的随时随地的控制播放，可增加公交公司的收入。 本系统采用的无线技术( b l u e t o o t h 、g p r s ) 均为信息产业部无须申报的频 段，因此没有申请频点等繁杂手续。 本系统均采用无线技术，因此不需布线工程，市政施工简单易行。 本系统车辆与车场或站牌之间采用b l u e t o o t h 进行认证及通信，而车场或站 牌与中心之间通信采用g p r s ，这样可大大节约成本支出。 系统通过对公交乘务人员的管理，可把考勤，调度，奖励结合在一起，提高 公交系统的透明度。 如城市交通已经上“交通一卡通”工程的，还可通过本系统方便地进行无线数 据采集。 虽然本系统具有以上的许多优点，但仍然有一些难以克服的缺点。比如在大 城市里由于高楼林立，公交车在一些拐弯处容易形成通信死角，如果这时正好发 生堵车或超车，则这时的候车电子站牌不能正确显示公交车的行驶信息。 2 4 本章小节 本章分别介绍了基于蓝牙技术的智能停车管理系统、智能交通管理系统和智 能公交管理系统等车辆管控系统等。虽然目前基于蓝牙技术的车辆管控系统的应 用并不是很普及，但是随着蓝牙技术的发展和成本的降低，蓝牙技术在车辆管控 系统的应用中一定会大有作为的。另外，在车辆管控系统中均以无线通信系统作 为数据传输的媒介，因此在下面的章节将对车辆管控系统中的无线通信子系统的 关键技术一蓝牙技术进行研究。 1 0 第三章蓝牙关键技术的研究 第三章蓝牙关键技术的研究 蓝牙技术大约在2 0 世纪9 0 年代晚期发端于爱立信公司，目前该技术处于蓝 牙特殊利益集团( s i gs p e c i a l i n t e r e s t g r o u p ) 的领导之下，该机构由爱立信、 诺基亚、i b m 、东芝、i n t e l 、3 c o m 、摩托罗拉、朗讯和微软等大公司所组成。 今天的蓝牙专业组已经拥有了超过1 4 0 0 个成员，是增长最快的专业组织之。 蓝牙技术本质就是一种实现多种设备之间无线连接的协议，这些设备的范围 可以涉及得很广泛，从p d a 、手机、笔记本电脑到家用微波炉、电冰箱和空调 设备等等，其种类可谓花样繁多，不一而足；蓝牙还是一种环境，在这样的环境 里，每一种设备都相互连接了起来，这些设备可以“思考”而且可以自己管理自己。 蓝牙更是一种随处可见的连接手段，通过它，不管你身处何处，你那随时通信的 笔记本电脑或者p d a 都会给你带来无穷无尽的便利。 3 1 蓝牙协议介绍 与同o s i 一样，蓝牙协议栈也使用了分层的办法。分层的耳的是为了使应 用程序能够做到互操作。如果远端设备的应用程序在同一协议栈上运行，那么就 可以实现互操作。不同的应用程序使用不同的协议栈。但是不管是什么样的应用 程序，蓝牙协议栈都必须使用通用的蓝牙数据链路层和物理层协议，蓝牙协议的 分层结构如图3 1 所示。 广、厨丽犷_ i。，。，。，、。一一。，。，_j 图3 。1 蓝牙协议栈层次结构图 完整的蓝牙协议栈由蓝牙技术特有的协议( 如：l m p 和l 2 c a p ) 以及可运行 东南大学硕= 学位论丈 在其它许多平台上的对象交换协议、数据用户报协议和无线应用协议等协议共同 组成。在设计协议栈的时候，一般是尽量利用现有的高层协议，而不是去重复创 造协议。这样不仅加快了蓝牙技术的开发，而且促进了将现有的技术程序应用于 蓝牙技术，提高蓝牙技术的可兼容性，有助于保证应用程序的互操作性。 蓝牙协议栈可以分为四层，每一层及相应的协议如表3 1 所示。 蓝牙协议层协议栈部分 蓝牙核心协议- 基带协议 链路管理协议( l m p ) _ 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) - 业务发现协议( s d p ) 电缆替代协议一射频通信协议( r f c o m i v l ) 电话控制协议- 二进制电话控制协议( t c sb i n ) 选用的协议一a t 命令集 点到点协议( p p p ) - 用户数据报协议( u d p ) 传输控制协议( t c p ) 网际协议 ( 1 p ) - 对象交换协议( 0 b e x ) - 无线应用协议( w a p ) v c a r d v c a l e n d a r - 红外移动通信( i r m c ) 一无线应用环境( w a e ) 表3 1 蓝牙协议栈的结构及相应的协议 3 。l 。1 蓝牙核心协议 蓝牙核心协议是蓝牙技术标准所特有的协议，由s i g 开发制定。所有蓝牙 设备都必须支持蓝牙核心协议以及蓝牙无线接口协议，而其他的协议可甑根据需 要来选用。 基带协议。基带协议负责建立微微网内各单元之间的物理射频链路。 链路管理协议( l m p ) 。链路管理协议负责蓝牙设备问的链路的建立和控制， 包括控制和协商基带分组的大小。 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 。逻辑链路控制与适配协议支持高层协 议的复用，分组的分段和重组，以及业务质量( q o s ) 控制。 服务发现协议( s d p ) 。服务发现协议在蓝牙技术框架中起者致关重要的作 用，它是所有用户模型的基础。 第三章蕊牙关键技术的研究 3 1 2 电缆替代协议( r f c o m m ) r f c o m m 协议是基于欧洲电信标准| 办会的技术标准( e t s it s ) 0 7 1 0 的_ 一 个串口仿真协议，0 7 1 0 也用于全球移动通信系统( g s m ) 的通信设备。r f c o m m 协议提供了在l 2 c a p 上对r s 2 3 2 串口的仿真，这一“电缆替代协议”是在蓝 牙基带上仿真了r s 2 3 2 串口的控制和数据信号，为使用串行线路作为传输媒介 的一些上层协议( 如：o b e x ) 提供了传输功能【7 1 。 r f c o m m 协议支持使用设备串曰的应用。在最简单的情况下，两个设备都 具有蓝牙接口，直接建立蓝牙链路来替代r s 2 3 2 串口的有线数据传输，如图3 2 所示。还可以在设备的一端使用蓝牙无线通信，而在另一端提供一个有线接口， 提供类似于调制解调器的功能。 凰童骂固 撼糊 蓝牙设备a 监才砹备6 3 1 3 电话控制协议 二进制电话控制协议( t c sb i n ) 是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间 建立语音和数据呼叫的控制信令，还定义了处理蓝牙电话控制规范( t c s ) 设备 群的移动管理进程。t c sb i n 基于国际电联( i t u - t ) 颁布的q 9 3 1 建议，q 9 3 1 建议是国际电联为i s d n ( 综合业务数字网) 基本呼叫控制制定的标准。 3 1 4 可选用的协议 a t 命令集。是蓝牙s i g 定义的套用于在多用户模式下控制移动电话和调 制解调器的命令集。 点到点协议( p p p ) 。该协议是由 e t f ( i n t e r n e t 工程任务组) 开发的，它定 义了如何在串行点到点链路上传输1 p 数据包。 u d p t c p i p 协议。该协议也是由i e t f ( n t e r n e t 工程任务组) 开发的，它 定义了在i n t e m e t 上通信时的通信协议，目前广泛应用于电脑以及p d a 、移动电 话甚至打印机上。 对象交换协议( o b e x ) 。o b e x 本来是由红外数据协会( i r d a ) 开发的会 话层协议，即i r o b e x ( 红外对象交换) 协议，它支持以简单和自发的方式交换 对象。 无线应用协议( w a p ) 。无线应用协议是为在小型无线没备，如装育文本显 示器的移动电话上发送和阅读互联网上的内容和消息而制定的一种协议规范。 v c a r d 是由v e r s i t 协会提出，由i m c ( 互联网邮件协会) 管理，并由i e f t 进一步开发的电子名片规范，它与传输和操作平台无关。广泛应用于互联网的电 子邮件、网页浏览器、p i m ( 个人信息管理器) 、p d a 及智能卡等。 v c a l e n d a r 是由v e r s i t 协会提出，由i m c ( 互联网自口件协会) 管理，并由l e f t 进一步开发的电子名片规范，它与传输和操作平台无关。能简单、自动、一致地 交换日程和时间表信息。 无线应用环境( w a e ) 。无线应用环境是为w a p 提供的开发环境，它遵守 网页内容的传输模式，增加了些网关函数。 红外移动通信( i r m c ) 。主要用于终端之问的数据交换，包括通讯簿、电子 邮件及备忘录等应用数据。 3 2 蓝牙关键技术的研究 蓝牙技术作为一种新的短距离无线通信技术，它采用了一些关键技术，这些 关键技术使得蓝牙技术有别于其他的无线通信技术，它们包括安全保密技术、跳 频技术、组网技术以及射频技术等，下面分别加以分析【7 】o 3 2 1 安全保密技术 由于蓝牙技术采用的是无线传输技术，因此，在安全方面需要特别注意。蓝 牙技术标准包含了许多安全措施，除了有限的通信距离范霞和跳频使得现场截获 信号异常困难外，蓝牙还采用链路级的鉴权和加密措施。鉴权可以防止关键数据 和服务被非法访问，也可以防止黑客试图伪装成授权用户进行欺骗。加密技术把 传送中的数据进行扰乱，可以保持链路的机密性，防止他人窃听。另外，蓝牙技 术还具有会话密钥生成功能，这个密钥可以随时改变，可以减少黑客长期停留的 可能性。 根据应用，蓝牙技术定义了三种安全模式： 模式1 ，不采用安全机制，当设备传输非重要的数据或语音时使用。在这种 模式中，设备屏蔽链路级的安全功能，适于不敏感信息数据库的访问。如：自动 交换名片和日历( v c a r d 和v c a l e n d a t ) 。 模式2 ，提供业务级的安全机制， 程序又有不同的安全要求。 模式3 ，提供链路级的安全机制， 用程序提供的一种安全机制。 适合二 。一些并行运行的程序，扁列每种 它以强制的方式，对所有的建立连接的应 第三章蓝牙关键技术的讨睁t 在链路数据层，蓝牙系统使用了四个参数来保证安全：每个用户全球唯一的 4 8 比特蓝牙地址，用户的1 2 8 比特链路密钥，用户的8 1 2 8 比特加密密钥和蓝牙 设备产生的1 2 8 比特随机数r a n d 。蓝牙系统共定义了四种链路密钥以适应不问 阶段的应用，它们是：联合密钥杨小设备密钥肠、主设备密钥