车联网系统架构及其关键技术研究

单位代码： 10293 密 级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 论文题目： 车联网系统架构及其关键技术研究 G090901012 顾振飞 张登银 博导/研究员 工程硕士 申请 全日制 在职 申请 电子与通信工程 学号 姓名 导师 专业学位类别 类型 专业（领域） 论文提交日期 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电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。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_导师签名：_ 日期：_ 南京邮电大学 工程硕士学位论文摘要 学科、专业：工科、电子与通信工程 研究方向：车联网系统 作者：2009 级研究生：顾振飞 指导教师：张登银 博导/研究员 题目：车联网系统架构及其关键技术研究 英文题目：Vehicle Networking System Architecture and its Core Technologies 关键词：车联网 系统架构 终端设备模型 硬件设计 软件开发 keywords：Vehicle Networking, Framework Design, Terminal model, Hardware Design, Implementation Development 论文选题来源： 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 摘 要 I 摘摘 要要 随着社会经济的发展和工业化进程的加快，很多国家进入了汽车化社会的时代。而汽 车化社会带来的诸如交通阻塞、交通事故、能源消费和环境污染等社会问题正在日趋恶化。 在探索既维护汽车化社会，又缓解其所带来的问题的过程中，借助现代化科技改善交通状 况以达到“保障安全，提高效率、改善环境、节约能源”为目的的“智能交通系统” （ITS） 概念便逐步形成，而车联网正是实现智能交通的一个重要技术手段。 本文首先对当前的车联网发展做了背景阐述，对现有国内外车载服务系统进行了分析、 研究。在上述工作中发现，现有的车载服务系统在网络结构、服务模式以及技术层次上存 在很多的改进空间，无法满足日益增长的客观需求。所以需要一个改进的车联网系统来实 现在网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，以及根据不 同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。 为实现以上目的，本文在分析、总结了当前车载服务系统存在的问题的基础上，对目 前车联网领域的一些相关前沿技术做了分析、研究。最后基于以上所有工作，本文提出了 一个改进的车联网系统架构，以期实现车与路、车与车主、车主与车主、车主与第三方服 务商的有效连接，从而构成实际意义上的车联网。然后，对该车联网系统框架中所应用的 相关技术做了总结，并重点对其中的一些关键技术提出解决方案。 然后，对于本文提出的车联网系统框架中配套的车载车联网终端设备，给出了一个具 体的终端模型硬件设计。该终端模型硬件设计基于美国德州仪器（TI）推出的开放式多媒 体应用平台（Open Multimedia Application Platform）架构，使用低功耗的 ARM 处理器，特 别适合于移动式终端。 最后， 本文阐述了如何采用 Android 开放源码操作系统对该终端模型进行软件开发。 主 要包括系统操作软件的分层开发以及通信管理软件、图像处理软件、视频处理软件、电源 管理软件、数据安全相关软件和应用软件的开发。 关键词：车联网 系统架构 终端设备模型 硬件设计 软件开发 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT With the development of economic and industrialization, many countries entered the era of the automobile society. Automobile society brought about lots of social problems such as traffic congestion, accidents, energy consumption and environmental pollution. How to maintain automobile society, but also can tackle the problems they bring, intelligent transportation system (ITS) concept will be a solution. Vehicle networking are now be concerned to be one new domain of the internet of things while applications services and products in this domain tend to aroused general interest. A substantial of effort has been invested to design this vehicle networking framework. During the work described above, a lot of room for improvement has been found in the existing vehicle service system.Especially in the network structure, service mode and technology.Through the integrated use of various types of communication technology we addressed an new advanced vehicle networking system architecture to meet the demand.The new vehicle networking system support vehicle a real-time access to the internet which means with this framework vehicles users and the services platform supposed not to be isolated anymore but connected in a networking.Through extraction and effective use of the attribute information for all vehicles static and dynamic information on the network platform, we can meet different functional requirements with this system. To design this proposed vehicle networking framework which addressed in this paper,this article considered the current research in this domain,analyzed the general require in this domain summed up the problems of the current vehicle service system.Based on all of the above work, this paper proposed a new vehicle networking system architecture,which can connect vehicles and roads, vehicles and vehicle owners, vehicle owners and vehicle owners, owners and service providers.Then, this paper summarized related technologies in the systems and some of the key technology solution. A new terminal model in this framework is addressed in this paper and the implementation which use android operation system. Hardware design of the terminal model is based on the Texas 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 ABSTRACT III Instruments (TI) Open Multimedia Application Platform(OMAP). This paper also described how to develop softwear for this terminal useing Android operating system. Include the development of the system operating software,communications management software, image processing software, video processing software, power management software, data security software and application software. Keywords: Vehicle Networking, Framework Design, Terminal model, Hardware Design, Implementation Development 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 目录 IV 目录目录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目录 . IV 第一章 绪 论 . 1 1.1 论文背景 . 1 1.2 研究目标 . 2 1.3 论文的主要工作和结构安排 . 3 第二章 车联网系统需求分析 . 6 2.1 车联网产品分析 . 6 2.1.1 国外车联网产品分析 . 6 2.1.2 国内车联网产品分析 . 7 2.1.3 当前车联网系统存在的问题 . 8 2.2 车联网系统技术分析 . 10 2.2.1 Telematics 技术分析 . 10 2.2.2 数据格式及协议标准化 . 11 2.2.3 无线通信技术分析 . 13 2.3 需求分析 . 14 2.4 本章小结 . 15 第三章 车联网系统架构设计 . 16 3.1 车联网系统服务分类 . 16 3.2 车联网系统网络结构 . 19 3.2.1 车辆自组网 . 20 3.2.2 接入移动通信网 . 22 3.2.3 接入无线局域网 . 23 3.2.4 基于互联网的车联网服务 . 23 3.3 车联网系统硬件结构 . 25 3.4 基于车联网系统的服务流程 . 27 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 V 3.5 本章小结 . 29 第四章 车载车联网终端硬件设计 . 30 4.1 ARM Cortex-A8 . 30 4.2 车载车联网终端硬件平台设计 . 32 4.3 子模块设计 . 35 4.3.1 信号接收模块设计 . 35 4.3.2 复位模块设计 . 36 4.3.3 时钟模块设计 . 36 4.3.4 外存储器模块设计 . 36 4.3.5 OBD 接口模块设计 . 37 4.4 本章小结 . 38 第五章 软件开发 . 39 5.1 OMAP 平台软件开发 . 39 5.2 基于 Android 操作系统的软件分层 . 40 5.2.1 应用程序层 . 41 5.2.2 应用管理层 . 42 5.2.3 中间架构层 . 42 5.2.4 硬件抽像层 . 43 5.2.5 核心层 . 43 5.3 关键软件开发 . 43 5.3.1 通信管理软件开发 . 44 5.3.2 图像、图形、视频处理软件开发 . 45 5.3.3 电源管理软件开发 . 46 5.3.4 数据安全相关软件开发 . 47 5.3.5 应用软件软件开发 . 47 5.4 本章小结 . 48 总结与展望 . 49 致 谢 . 50 参考文献 . 51 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 1.1 论文背景论文背景 随着经济发展汽车数量飞速增长，导致交通阻塞、能源消耗以及大气污染等问题日 益严重，这使得即便道路设施十分发达的美国、日本等国家也不得不从以往只靠供给来 满足需求的思维模式转向采取供、 需两方面共同管理的技术和方法来改善日益尖锐的交 通问题。在此过程中， “智能交通系统” （ITS）的概念便逐步形成，而车联网正是实现 智能交通的一个重要技术手段。 在我国， 目前车联网发展的基本目标是实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信 息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态 进行有效的监管和提供综合服务的一种无线网络。所以，随着车载通信技术和相关应用 的研究有了长足进展，汽车再也不独立于通信网络以外。得益于无线通信技术的发展， 现在可以做到以车辆作为一个终端，将终端与服务端互相连接起来组成网络，这样的网 络就称之为车联网。 与此同时，车辆驾乘人员对于车载服务的需求也在飞速增长，相关分析数据显示， 车联网服务需求主要包括：语音服务通信服务、定位服务、导航服务、车辆服务中心连 接服务（Telematics 1 Service Provider） 、移动互联网接入、车辆第三方信息管理服 务、 车辆紧急救援、 车辆数据和管理服务、 车载娱乐服务等。 如果能有效实现以上服务， 就可以一定程度上解决包括交通安全、 交通堵塞及环境污染在内的当今交通领域的三大 难题。 另外我国政府各级政府及主管部门都制定了相关扶持政策， 鼓励车联网企业积极参 与政府组织的道路运输信息化建设，发展智能交通，构建和谐社会。作为真正能够将国 家相关法规政策落到实处的技术载体，车联网技术的发展迎来了机遇，车联网技术必将 在国家的宏观政策下取得长足发展。 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 2 1.2 1.2 研究目标研究目标 本文的课题目标是： 研究车联网技术的新发展，对现有的车联网应用产品进行分析 并总结当中存在的问题，对车联网现有的及即将应用的车联网服务进行分析，对现有的 通信技术在车辆系统中的综合应用可能性进行分析。最后，在此基础上设计一个改进的 车联网系统架构及其配套的车辆终端模型。研究内容包括： 1、国内外车联网产品分析 开展这项工作的主要目的是为了进行需求分析， 首先对国内外现有车联网产品进行 分析总结，从中发现现有的车联网产品存在一定的改进空间。主要是，在通信技术飞速 发展的技术背景下，特别是 3G 通信网络在全国范围内大规模铺设，存在了综合利用已 经存在的各类通信网络，将车辆连接成一个网络的可能性。但是，如何实现这一设想， 目前并没有一个整体的架构。本文尝试对上述问题提出一个改进方案。 2、车联网领域前沿技术分析 开展这一工作的主要目的是为了在技术层面上探讨如何实现上文提及的 “综合利用 已经存在的各类通信网络，将车辆连接成一个网络”这一设想。本文在第二章中跟进并 分析了国际上相关的前沿技术，并对如何将相关技术在车联网领域进行应用，进行了阐 述。 3、改进车联网系统架构 基于以上所有工作，本文在第三章中提出了一个改进的车联网系统架构，以期实现 车与路、车与车主、车主与车主、车主与第三方服务商的有效连接，从而构成实际意义 上的车联网。该架构主要由作为节点的车辆、无线通信网、互联网、服务提供商等部分 组成。 4、车载终端设备硬件设计 配套的车载车联网终端设备，是车联网系统框架中的一个重要组成部分。本文在第 四章中给出了一个具体的终端模型硬件设计。在综合权衡了 CPU 的速度、尺寸、以及耗 电量等诸多因素以后，ARM 核心的系列 CPU 成为车载车联网终端的 CPU 的主要选择。本 文中终端模型硬件设计，是基于美国德州仪器（TI）所推出的开放式多媒体应用平台 （Open Multimedia Application Platform）架构。 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 3 5、应用软件开发 OMAP 处理器支持多种操作系统，如 Android、 Window Phone 等。其中 Android 是 目前移动设备广泛使用的一种的开放源码操作系统，以 Linux 为基础。本文将在第五章 中详细阐述如何基于 Android 对车联网车载终端设备进行软件开发，包括通信管理软 件，图像、图形、视频处理软件，电源管理软件，数据安全相关软件，应用软件及服务 平台。 1.31.3 论文论文的主要工作和结构安排的主要工作和结构安排 目前，国际上对于车联网的基本共识是：以车辆、服务平台作为终端，依托无线通 信技术，通过实现车与路、车与车主、车主与车主、车主与第三方服务商的有效连接， 从而为车辆提供多种服务以及对车辆的有效监控，及提供有效服务。车联网系统作为一 个各种技术的综合体，特别是综合应用了各种通信技术，提供了包括车辆信息管理、定 位、导航、紧急救援、娱乐等各种服务，涉及到包含车辆制造企业、车辆维修服务提供 商，驾乘人员，交通管理部门等在内的多个机构和个人。 车联网应用主要应该包括：语音服务通信服务、定位服务、导航服务、移动互联网 接入、车辆第三方信息管理服务、车辆紧急救援、车辆数据和管理服务、车载娱乐服务 等。如果仔细分析以上服务需求，就会发现为了实现以上服务，通信手段的选择上单纯 使用 RFID 技术是不够的。而实际上，依托无线通信技术的进步，目前车联网可以使用 的通信技术手段还可以包括：卫星通信、移动通信、短距离无线通信等。 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 4 本文的重点是在我国 3G 通信网络已经建成的背景下，综合利用已经存在的各类通 信网络，设计一个车联网系统架构，以实现车与路、车与车主、车主与车主、车主与第 三方服务商的有效连接。 以及针对如何实现本文提出的车联网系统框架中配套的车载车 联网终端设备，给出了一个具体的终端模型硬件设计及软件开发。在这其中，本文还将 对相关关键技术如：组网技术、路由算法、异构网技术、数据标准化、协议标准化等进 行阐述。图 1-1 就是本文的研究技术路线。 图 1-1 本文研究技术路线 本文共包括六个部分，论文的结构安排如下： 第一章 绪论 介绍课题的背景及意义、研究内容、本文的主要工作以及论文的结构。 第二章 车联网系统需求分析 对车联网现有产品进行分析，总结了现有产品的特点与缺陷。同时，也对当前车联 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第一章 绪 论 5 网系统技术进行阐述，分析了相关技术的特点以及在车联网系统中的应用。最后总结了 车联网系统的需求分析。 第三章 车联网系统架构 提出一个车联网系统架构，从网络结构、硬件结构两个角度对该车联网系统进行阐 述。最后给出了一个基于该车联网系统的服务流程 第四章 车载车联网终端硬件设计 本章阐述对上述车联网系统的核心部件，车载终端的硬件设计。该终端基于美国德 州仪器（TI）推出的开放式多媒体应用平台（Open Multimedia Application Platform）架 构，使用低功耗的 ARM 处理器。 第五章 软件开发 本章阐述如何采用 Android 开放源码操作系统对该终端模型进行软件开发。主要包 括系统操作软件的分层开发以及通信管理软件、图像处理软件、视频处理软件、电源管 理软件、数据安全相关软件和应用软件的开发。 结论与展望 回顾全文，对文中所作的工作进行分析与总结，对文中车联网系统架构的不足之处 进行分析，并给出了下一步的研究重点。 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 车联网系统需求分析 6 第二章第二章 车联网系统需求分析车联网系统需求分析 本章首先对现有国内外车联网产品进行了分析总结， 以找出当前车联网相关应用中 存在的问题。然后，为解决以上问题，本文对目前车联网领域的一些相关前沿技术做了 分析、研究。特别是在通信技术飞速发展的背景下，本文着重分析了如何综合利用已有 的各类通信网络，将车辆连接成一个网络的可能性。最后，在以上研究的基础上总结出 当前车联网系统的需求分析。 2.1 2.1 车联网产品分析车联网产品分析 因为国内外对于车联网系统的研究开始时间差异， 所以在相关应用上存在着明显的 差异，本文将分别对国外和国内车联网应用展开分析。即使一些国家相继建成了较为完 善的公路系统，但随着车辆的飞速增加，各国路网通行能力依旧无法满足交通需求。所 以相关国家都在借助通信、控制、信息等先进技术打造智能交通系统，希望能够大幅提 高本国交通系统运输效率和交通安全。 2.1.1 国外车联网产品分析 国外主要车辆制造、 服务企业对车联网系统的开发应用起步较早， 随着技术的进步， 很多已经达到了实际应用的阶段。目前主流的有福特的 SYNC 2、通用的 OnStar3、丰 田的 G-Book4以及日产的 CarWings+智行。 本文以丰田的 G-Book 系统为例，对车联网现有应用产品进行具体分析。丰田公司 建立的 G-Book 服务系统，使用车载终端机来提供服务。但是，是不是 G-Book 就是成 熟的车联网系统架构呢？经过分析， 可以发现 G-Book 存在以下几个问题。 第一， G-Book 系统的拓扑结构具有局限性，所有的车载终端都只能与 G-Book 服务中心连接，一旦服 务中心中断连接，则无法称之为一个“网络” ，更加谈不上是一个智能交通平台了；第 二，G-Book 在通信技术手段的选择上覆盖面比较窄，且层次比较低，这就限制了其所 能提供的应用种类。而且，由于提供的通信手段比较少，其中的任意一个通信失效都会 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 车联网系统需求分析 7 严重影响其网络的牢固度；第三，G-Book 的系统架构决定了所能为这个网络提供服务 的第三方平台将受到丰田公司的限制， 只有得到丰田公司授权才能为该系统开发应用或 提供服务平台。以上所提到的问题，同样也出现在通用公司的 OnStar 产品中。 2.1.2 国内车联网产品分析 目前国内比较成熟的车联网应用，大部分是基于射频识别5（Radio Frequency Identification，RFID）技术的。车载 RFID 应用系统如图 2-1 所示。 图 2-1 车载 RFID 应用系统示意图 RFID 系统构成如下：阅读器、电子标签及管理系统。其工作原理是阅读器发送特 定信号给电子标签，电子标签感应到相关信号后发送内部数据给阅读器，阅读器接收相 关数据后再解读数据，最后传送给管理系统进行处理。以 RFID 卡片阅读器及电子标签 之间的通信及能量感应方式来看大致上可以分成： 感应耦合(Inductive Coupling) 及后向 散射耦合(Backscatter Coupling)两种。 但是，需要指出的是 RFID 并不能完全满足车联网应用的所有需求，当今车联网应 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 车联网系统需求分析 8 用的发展趋势主要是依靠通过无线传感技术、无线通信技术、云处理技术、云存储技术 等以实现功能集成化、数据海量化、通信高速化。 2.1.3 当前车联网系统存在的问题 基于以上分析结果和研究成果， 并结合对基于车联网的应用服务分析和现有的可以 提供给车联网体系使用的各种通信手段的分析， 提出的一个改进的车联网系统架构及其 配套的车辆终端模型，以期提供一个更加完善的方案。为实现以上目标，从技术层面需 要解决以下 6 个方面的问题6。 1、传感网及相关数据通信 车联网中的多媒体传感网技术应用主要分为两部分， 第一部分指的是车载传感器网 及相关数据通信。 第二部分指的是道路传感器网， 负责道路传感器组网及相关交通信息、 车辆相关数据等的数据通信。在第一部分中，车载传感器网络又可进一步分为车内传感 器网络和车外传感器网络。 车辆驾乘人员可以通过相关设备连接车内传感器网络获取车 辆相关数据信息，主要是车辆的车辆的属性信息和静、动态信息。为车辆救援、智能监 控等车联网应用服务提供底层数据信息。 而车外传感器网络指的是用于感应车外环境状 况的传感器网络， 通过与车外的传感网络进行数据交换可以获取提高行驶安全方面和提 供辅助驾驶的相关信息。道路传感器网络是指由架设于道路上的传感器构成的网络，通 过这些道路上的传感器来获取交通状况动态数据，如车辆分布、通行速度、道路天气状 态等数据， 通过将上述数据传输至道路传感器网络， 可以使车载系统获取相关动态数据。 车载传感器和网道路传感器网，互联互通相互协作，实现了车内、车外相关状态数据通 信和道路环境的感知。可以为车联网系统获取关键的底层数据，再经过进一步整合相关 数据，可以为车联网系统相关应用的开展提供巨大帮助。 2、开源的的车载终端系统开发平台 当前的车载服务系统架构决定了， 各品牌的车载服务系统只能为该品牌终端的用户 提供服务，而不能实现跨平台服务。如上文所述，G-book 系统只可以为丰田品牌的用 户提供服务，而且即使 G-book 系统外的其他车载服务商希望为丰田用户提供服务也是 不可能的，或者很大程度上将受到丰田公司的限制，而这样的封闭式的系统平台是很难 为用户提供全方位的更好的车载服务的。 究其原因就是当前车载服务系统的核心是采用 南京邮电大学工程硕士研究生学位论文 第二章 车联网系统需求分析 9 了非开放的、非智能的终端系统平台。因为其封闭性，其服务层次很难有进一步发展的 空间，而且因为其他开发者无法参与所以应用质量也大打折扣，可以说服务方提供什么 服务，用户就必须接受什么服务。 3、车联网终端的语音控制 目前车载终端采用的触摸控制无论多好， 驾车者行车过程中触摸操作终端系统也是 非常危险的，因此语音控制技术在车联网系统中显得尤为重要。而事实上，苹果公司开 发的语音助手（Siri）已经在新一代的苹果产品开展具有服务了，说明语音控制已经不 再遥不可及，完全可以应用在车联网系统中。理想的的语音控制可以实现让车辆驾乘人 员通过语音来对车载终端发送控制命令， 这是最适合车辆这样天然具备移动特性的使用 环境的应用体验。通过对成熟的语音控制技术如苹果公司开发的语音助手（Siri）的分 析，可以发现语音控制依赖于强大的网络数据库库及云计算技术，所以车载语音控制技 术的发展依赖于无线通信技术在车联网系统中的合理应用。 4、智能交通平台建设和服务中心的整合 车联网的主要目的之一就是实现真正意义上的智能交通， 交通参与者通过车载车联 网终端设备，向智能交通平台提供各地的实时交通信息。当智能交通平台获得相关数据 并进行相关处理后，可以实时向驾乘人员提供路况信息、气象信息等相关服务信息。 目前已经投入使用的各汽车厂商的服务中心如目前主流的有福特的 SYNC、 通用的 OnStar、丰田的 G-Book 以及日产的 CarWings+智行，但是这些服务中心只能是给特定 交通管理者使用的，互相之间没有互联互通。实际上，这些服务中心的大部分功能是非 常类似的，彼此可以整合在一起。同时，在涉及道路、车辆的这些功能大部分也是与智 能交通平台之间也是重复的。通过服务整合