一种可信车联网车载终端设计

王出航，沈玮娜

(1.长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130032；2.长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012)



一种可信车联网车载终端设计

王出航1，沈玮娜2

(1.长春师范大学计算机科学与技术学院，吉林长春 130032；2.长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012)

本文针对车联网车载终端存在的安全问题，设计一种可信车联网车载终端，并对终端的主控模块、CAN接口模块以及无线通信模块和TCM可信模块进行了详细设计。车载终端的实现为车载终端之间以及车载终端与其它设备之间的数据安全传输提供了基本保障。

车联网车载终端；CAN；Zigbee；TCM可信模块

随着智能交通系统的发展，车联网成为研究热点，其能实现车与路、车与车、车与人之间的数据交流[1]。车载终端作为车联网的基本构件，是对车辆行驶速度、时间、里程、发动机转速等有关车辆行驶的多源信息进行完整准确地记录、处理、存储并可通过接口实现数据输出的嵌入式终端产品。车联网车载终端性能的好坏直接关系到整个智能交通系统性能的优劣，发挥着举足轻重的作用[2]。然而车联网车载终端各种无线应用固有的安全隐患和相应程序自身的漏洞给基于嵌入式操作系统的车载平台带来很大威胁，也提供了木马、蠕虫等病毒侵入的途径，导致车载终端数据安全问题变得越来越重要[3]。

针对以上问题，本文设计一种可信车联网车载终端，该终端能采集车内参数，由主控模块进行数据处理，并经TCM可信芯片进行加密，然后通过Zigbee传输实现车间或车路间的通信，从而保证车载终端信息的可靠性和安全性。

1 框架设计

可信车联网车载终端采用模块化设计，一方面方便对程序进行调试、修改和移植，同时也有利于日后进行终端性能维护以及功能扩展升级。终端主要由四部分组成：主控模块、CAN总线模块、Zigbee无线通信模块、TCM可信模块。结构框图如图1所示。

主控采用STM32F103ZET6，并通过片上资源分别与各个功能模块之间进行连接。主控模块通过CAN总线获取车辆参数，如行驶速度、时间、里程、发动机转速等，并通过TCM可信模块对相关处理过的数据进行加密，然后通过Zigbee无线通信模块将数据传送给其它车载终端或路边设备，实现数据的安全通信。

2 详细设计

2.1 主控模块

主控模块采用意法半导体公司的STM32F103ZET6，其内核为ARM 32位CORTEXTM-M3 CPU,最高72MHz工作频率，在存储器等待周期访问时可达1.25 DMips/MHz[4]。该芯片具有丰富的片上资源，包括512K片内FLASH(支持在线编程)，64K片内RAM；80个I/O接口，4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3路SPI接口，2路I2C接口，5路USART，1个USB从设备接口，1个CAN接口；12通道DMA控制器以及3个12位模数转换器，2通道12位D/A转换器等。主控模块分别通过I2C与可信模块、CAN接口与CAN总线模块以及USART与无线通信模块的方式进行通信，实现相关数据的获取、传输和处理。其原理框图如图2所示。

图2 主控模块原理框图

2.2 CAN总线模块

CAN总线是一种串行通信协议，它使分布于车内不同位置的各个监控设备之间的数据交换更为灵活和直接[5]。该模块由STM32F103ZET6片内的CAN协议控制器和PHILIPS公司的CAN收发器PCA82C250及隔离电路组成。CAN控制器兼容规范2.0A和2.0B，可以接收和发送11位标识符的标准帧，也可以接收和发送29位标识符的扩展帧，具有专用接收和发送存储器，3级14个可调节的滤波器。隔离电路由电源隔离模块和光耦电路组成，其中电源隔离模块采用广州致远公司的ZY0505FS，光耦采用TLP113。CAN接口实现框图如图3所示。

图3 CAN接口原理框图

2.3 Zigbee无线通信模块

Zigbee无线通信模块采用TI公司的CC2530F256芯片，该芯片是一款采用IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE的一个真正的片上系统(SoC)解决方案[6]。CC2530集成领先的RF收发器、业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8KB RAM以及许多其它的强大功能。主控和CC2530通过串口连接，用于发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备事件的顺序。其原理框图如图4所示。

图4 无线通信模块原理框图

图4中无线收发部分通过电容C1、C2、C3、C4、C5和电感L1、L2构成的不平衡变压器连接单级50Ω天线，R1为内部偏置电阻，R2和C6构成复位电路。

2.4 TCM可信模块

TCM可信模块为终端提供加密引擎，完成终端数据的安全存储和传输[7]。为了节省主控I/O，降低成本，采用瑞达公司的加密芯片J3210，其具有丰富的片上资源，包括32位SPARC CPU，24KB内部指令RAM，9KB内部数据RAM，128KB FLASH存储器，LPC、I2C、SPI、UART等接口，以及1024、2048位RSA密码引擎，192、224、256、384位的ECC密码引擎，中国商用对称密码SMS4引擎等，其内部结构如图5所示。通过I2C与主控STM32F103ZET6进行连接，I2C的数据线和时钟线进行上拉，电路原理框图如图6所示。

图5 加密芯片内部架构

图6 TCM可信模块原理框图

3 结语

本文设计了一个采用STM32F103ZET6为主控的可信车联网车载终端，充分利用其提供的丰富片上资源，扩展了CAN、Zigbee无线通信以及TCM可信模块，并对各个模块进行了详细描述。车载终端的实现能有效地实现车载终端之间以及车载终端与其它设备之间的数据安全传输，具有广阔的发展前景。

[1]Maram B Y,Azzedine B.Intelligent traffic light controlling algorithms using vehicular networks[J].IEEE Transaction on Vehicular Technology,2016(8):5887-5899.

[2]高文彬.TCM在车联网移动终端中的应用[D].长春:吉林大学,2011.

[3]张焕国,李晶,潘丹铃.嵌入式系统可信平台模块研究[J].计算机研究与发展,2011(7):1269-1278.

[4]王鑫.基于嵌入式技术的开放式数控系统的设计和研究[D].天津:天津工业大学,2012.

[5]王义,何立仁.CAN总线时延网络控制系统稳定性研究[J].中北大学学报:自然科学版,2014(2):132-135,172.

[6]Li H,Xu D,Zhang J,et al.Design of a state monitoring system for equipment based on the Zigbee wireless sensor network[J].International Journal of Online Engineering,2016(6):20-23.

[7]郭颖,毛军捷,张翀斌,等.基于可信平台控制模块的主动度量方法[J].清华大学学报:自然科学版,2012(10):1465-1473.

Design of a Trusted Vehicle Terminal in Vehicle Networks

WANG Chu-hang1, SHEN Wei-na2

(1.College of Computer Science and Technology, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China; 2.College of Computer Science and Engineering,Changchun University of Technology, Changchun Jilin 130012, China)

To solve the problems as network safety in vehicle teminals, a new trusted teminal for vehicular networks is proposed. And the controller, CAN, TCM and wireless communication modules are designed in detail. Moreover, function simulation based on Proteus is provided, and the results show that the data can be transmitted safely.

terminal for vehicular networks; CAN; Zigbee; TCM trusted module

2016-09-03

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目“车联网关键技术及其终端研究与设计”(吉教科合字[2014]第264号)。

王出航(1976- )，女，副教授，从事无线传感器网络、嵌入式系统研究。

TP309

A

2095-7602(2016)12-0014-04