车联网系统关键技术剖析

2014-04-04王冬张菲菲

物联网技术 2014年3期

王冬+张菲菲

摘要：车联网技术是物联网技术在交通领域的延伸及应用，是中国“十二五”规划的重点应用领域之一。文章首先介绍了车联网的基本概念，接着对车联网中的RFID、传感器、无线传输、信息安全、标准化、数据融合、异构网络融合、大数据处理、云计算、移动计算等关键技术进行了剖析。与此同时，也对部分关键技术的发展趋势进行了总结和展望。

关键词：车联网；RFID；传感技术；大数据；移动计算

中图分类号：TN915.03 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0000-03

0 引言

2009年，中国成为世界最大的汽车销售市场和汽车生产国，交通拥阻情况日渐加剧，交通事故达每年几十万起，死亡人数连年增加，汽车保有量的增加也加速了环境污染及燃料浪费。在此背景下，车联网技术得到我国政府的大力支持，并被确立为“十二五”规划的重点应用领域之一，目前已有超过300多家科研机构和公司企业参与该技术的研究及开发，部分成果已得到初步推广。本文主要剖析了车联网系统中需要大力研发和推广的技术，如：RFID、传感器、无线传输、信息安全、标准化、数据融合、异构网络融合、大数据处理、云计算、移动计算等关键技术。

车联网（Connected Vehicles）是由车辆行驶速度、行驶路线及所处位置等构成的信息交互网络，是一种向安全、节能、环保、信息通信等方向发展的车—网联合技术[1]。通过RFID、GPS、高清摄像头、传感器及图像处理等电子设备，实现对车辆、交通环境、道路等信息的采集；按照一定的通信协议和标准，在车—人—路—环境—网—基础设施之间进行无线通信或信息交换；云计算中心采用计算机技术处理车辆数据信息，从而及时汇报路况，计算出不同车辆的最佳路线并安排信号灯周期，实现对车、人、路进行智能调度、监控和管理。车联网是人类社会进入信息时代和汽车时代的必然结果，是物联网技术在交通领域的延伸及应用[1-5]。

1 RFID技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）。又称无线射频识别，是一种可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据而无需接触的通信技术。RFID读写器可分固定式和移动式，其典型应用有图书借阅、门禁系统等。RFID由读写器、应答器两部分组成。读写器由耦合元件、天线及芯片组成，主要用来读取/写入标签信息，分为固定式和移动式两种。应答器也是由耦合元件、天线以及芯片组成，应答器常见为标签，每个标签都有自身的唯一的序列号，附着在物体上用以唯一标识目标对象。

RFID主要优点：它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，容易实现在联网结点间数据的高效率、远距离传输，识别工作无须人工干预，能穿透尘垢、雾、冰、雪、涂料和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签。RFID在性能方面，具有体积小、抗污染、可重复使用、数据存储量大、安全、可穿透性等特点。

当标签靠近到读写器和天线组成的感应范围时，标签会凭借感应电流将存储在芯片里的数据（如产品信息）发送给读写器或者由标签主动发送某一频率的信号，读写器读取信息并解码后会将数据上传至中央信息系统进行相关处理。

RFID技术作为车联网发展的关键技术，市场潜力十分巨大；另外，不断完善的超高频技术和统一的RFID技术标准都是未来车联网的发展趋势。

2 传感技术

传感技术与计算机技术、通信技术并称信息技术三大支柱。车联网系统依靠各类传感器获取信息，如车辆胎压、车速、加速度以及有关车辆当前的状态、性能、安全等相关数据，然后通过处理将其转为有用数据。一般来说，传感器由敏感元件和变换元件（有时又称为变换器）两部分组成：敏感元件指能够灵敏地直接感受被测变量并做出响应的元件；变换器能将感受到的非电量变换为电量。

传感器的功能与品质高低决定了传感系统获取的信息量和信息质量。传感器呈现出微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等发展趋势。

3 无线传输技术

车联网系统需要对大量的图像数据进行传输与处理，其工作原理如图1所示。

图1 无线传输技术工作原理

无线传输技术的发展趋势主要有两点：一是ZigBee技术为无线智能家居提供了技术支持，促进了行业的普及式发展；其二则是4G技术，该技术正在向着保密性高、省电、传输距离远等方向发展。

4 云计算技术

云计算（cloud computing）是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息（如网络、服务、应用、存储等）可以按需求提供给计算机和其他设备。其工作原理如图2所示。

图2 云计算技术工作原理

云计算的发展趋势有：

（1）元计算产业链将会越发完善；

（2）对云计算的服务需求快速增长；

（3）云计算服务潜在的安全性、稳定性问题会严重制约云计算的发展，因而需要找出解决方案以保证数据的可靠性。

5 移动计算

移动计算（Mobile Computing），顾名思义是一种即使被移动也能使用的计算设备，涉及移动通信、移动硬件和手机软件。移动计算使终端设备通过无线网络的连接实现了数据的传输及其资源共享，是计算技术研究中的热点领域，是当前计算机技术研究的热点领域。其工作原理如图3所示。

图3 移动计算技术工作原理

6 异构网络融合技术

异构网络融合是一个崭新的概念，指的是尽可能将各种类型的网络融合起来，在一个通用的网络平台上提供多种业务。异构网络融合必须充分利用不同网络间的互补特性，解决多种不同类型网络的有机融合问题。具体来讲，异构网络融合就是采用通用的、开放的技术实现不同网络或网元的互联、互通和集成，涉及到接入网融合、核心网融合、终端融合、业务融合和运营管理融合等方面。其发展趋势为：朝着无线异构网络中的安全路由协议、接入认证技术、入侵检测技术、加解密技术、节点间协作通信等安全技术方向进行研究，以提高无线异构网络的安全保障能力。是未来移动网络通信的发展趋势[6]。

7 大数据处理技术

“大数据”指数据容量特别大，数据类别特别多的数据集，并且这样的数据集无法用传统数据库工具对其内容进行抓取、管理和处理。大数据处理技术能处理各种类型的海量数据，无论是微博、文章、电子邮件、文档、音频、视频，还是其它形态的数据。它正在改变传统的计算机运行模式，利用大数据技术，我们可以从各种类型的数据中，快速获得有价值信息，如：Google搜索引擎。

在大数据处理技术发展趋势中，存在以下几个问题值得关注[7]：

（1）如何在容错的同时进行高效数据传输；

（2）如何在处理金融、医疗等数据时确保数据的安全；

（3）如何降低大数据处理的成本以及灵活性；

（4）如何使分布式数据处理平台更好地支持复杂算法。

8 信息安全技术、标准化、数据融合技术

信息安全技术是指保证己方正常获取、传递、处理和利用信息，而不被无权享用的他方获取和利用己方信息的一系列技术的统称，主要由信息保密技术，信息确认技术和网络控制作用3部分组成。构建安全、可靠的车联网应用系统是当前研究的热点及难点技术。车联网的开放性、匿名性带来了一些不可避免的安全问题，如网络攻击。如何借助信息安全技术来抵御网络攻击、保证数据的真实性与完整性、保护个人的隐私将决定着车联网的应用和普及程度。分层密钥管理和身份认证技术是现阶段车联网解决信息安全的重要突破口之一。

标准化（Standardization）是制定和实施技术标准的过程。标准是科学、技术和实践经验的总结，一般是一份文件。标准化有助于商品化的独立性、兼容性、互操作性、安全性、可重复性及质量保证。目前，车联网产业起步比较早的一些国家已都有自己的一套标准。其发展趋势为：标准运行过程规范，更加重视程序管理，标准制修订程序更加公开、公正、公平、透明[8]。

数据融合技术，又称多传感器融合技术，是信息科学领域的一项重要分支，是新一代智能信息技术的重要基础。它是研究多种信息的获取、分析和处理的基本方法或技术以及信息的表示和内在联系的一门技术。数据融合技术有容错性、互补性、经济性、实时性、可靠性等特点。数据融合技术的应用范围非常广，特别是在一些高端领域中应用很广，但在技术尚不成熟，尚未形成基本理论框架。

9 结语

车联网技术在保障安全行车、环境保护、快捷出行等方面已取得了巨大的进步。本文针对新兴的车联网应用系统，剖析其关键技术，如：RFID、传感器、无线传输、信息安全、标准化、数据融合、异构网络融合、大数据处理、云计算、移动计算等，并对部分技术的发展趋势进行总结及展望。未来，V2R（车与路）、V2P（车与人）、V2V（车与车）和V2I（车与基础设施）的信息交互必将不断完善，人们将逐步告别红绿灯、交通事故及环境污染。

参考文献

[1]刘小洋，伍民友.车联网：物联网在城市交通网络中的应用[J].计算机应用，2012，32（4）：900-904.

[2] U.S Department of Transportation Research and Innovative Technology Administration. ITS strategic plan [EB/OL]. [2013-11-01]. http：//www.its.dot.gov/strategicplan/strategic_plan_2015.htm.

[3]中国智能交通协会. USDOT.ITS Strategic Research Plan 2010-2014[EB/OL]. [2010-04-28].http：//www.itschina.org/ UserFiles/2010-4/28/2010428132015236.pdf.

[4] SCHAGRIN M. Connected vehicle safety pilot program [EB/OL]. [2013-11-02]. http：//www.its.dot.gov/factsheets/pdf/ SafetyPilot_final.pdf.

[5] POL James. 2015_ITS_StrategicPlan2015-2019 [EB/OL]. [2013-11-02]. http：//www.its.dot.gov/strategicplan/pdf/ 2015_ITS_StrategicPlan2015-2019.pdf.

[6] SCHULZE Matthias. International initiatives Europe in comparison to USA and Japan [R]. Stuttgart： Vehicle IT and Services Research， 2006.

[7] RITA. Website of Cooperative Intersection Collision Avoidance Systems（CICAS） project [EB/OL]. [2013-11-03].http：//www.its.dot.gov/cicas/index.htm.

[8] ORSE. Official website of Electronic Toll Collection（ETC） project[EB/OL]. [2013-11-03]. http：//www.orse.or.jp/english/index.html.

[9] ETC portal site. Easy learning ETC[EB/OL]. [2013-11-03]. http：//www.go-etc.jp/english.

Analysis on Key Technologies of Internet of vehicles

WANG Dong， ZHANG Fei-fei

（School of Electronic Information Engineering， Qiongzhou University， Sanya 572022， China）

Abstract： Internet of vehicles is the application and extension of IOT in the field of traffic， which is one of the key applications in the “12th Five-Year Plan”. The basic concept of internet of vehicles is introduced， and then the key technologies are analyzed， such as RFID， sensor， wireless transmission， information security， standardization， data integration， heterogeneous network convergence， big data processing， cloud computing， and mobile computing technologies. Meanwhile， the development trend of the key technologies is summarized and prospected.

Keywords： internet of vehicles； RFID； sensor technology ； big data ； mobile computing