基于車聯網的位置監(jiān)控系統(tǒng)

鄭蘭芳++袁月++陳飛++饒?zhí)鞆?/p>

摘 要：車聯網產業(yè)的快速發(fā)展在給人們生活帶來方便的同時，車輛的隱私安全被暴露等問題也日益凸顯?；谏鲜銮闆r，文中擬研發(fā)一套基于車聯網的位置監(jiān)控系統(tǒng)，包括Android通信App地圖定位，后臺監(jiān)控平臺實現車輛注冊，用戶管理和車輛監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)Android端使用集成4G與802.11p雙網卡的車載單元。通信過程將進行加密處理，保障系統(tǒng)的安全性，通過車載設備、路邊單元、后臺監(jiān)控系統(tǒng)與服務端緊密結合，為用戶提供更加便捷、安全的定位與監(jiān)控服務。

關鍵詞：車聯網；802.11p；4G；位置監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-04

0 引 言

隨著我國步入汽車社會，與汽車相關聯的社會問題和矛盾也隨之而來，其中汽車與環(huán)境、汽車與道路、汽車與行人、汽車與能源之間的矛盾亦不斷突出。這些現象都表明我國車聯網市場蘊含著極大的發(fā)展空間。與此同時，國家政府已明確規(guī)定了相關政策，大力支持車聯網產業(yè)發(fā)展。國家“十三五”規(guī)劃明確提出，將推進運輸工具、交通基礎設施等的互聯網化，加快構建車聯網，推進交通智能化。

車聯網產業(yè)蓬勃發(fā)展使得車輛運行效率大大提高的同時，其存在的安全隱患和隱私風險問題也不容忽視。汽車信息數據涵蓋汽車去過的地方，行駛的距離和時間，最近的泊車位置，輸入導航系統(tǒng)的目的地清單等大量相關汽車診斷數據，這些信息的收集、傳輸、存儲以及非法利用等都存在著極大的安全隱患。只有充分考慮保護信息安全的車聯網應用才會被用戶接受并得到大力推廣。

本文設計的基于車聯網的位置監(jiān)控系統(tǒng)的Android端使用WiFi+4G雙網卡，可同時通信。通信過程將進行加密處理，以保障系統(tǒng)的安全性，通過車載設備、路邊單元、后臺監(jiān)控系統(tǒng)與服務端的緊密結合，為用戶提供更加便捷、安全的定位與監(jiān)控服務。

1 預備知識

1.1 車聯網的概念

車聯網（VANETs）是由車輛位置、車輛速度和行駛路線等基本信息構成的巨大的以車輛為中心的交互網絡。通過RFID、GPS、傳感器、攝像頭及圖像處理等設備，車輛能夠完成對自身環(huán)境和自身狀態(tài)信息的采集工作；通過互聯網技術，系統(tǒng)中的所有車輛可將其信息傳輸到中央處理器；我們可以通過計算機技術分析并處理車輛信息，計算出系統(tǒng)中不同車輛的最佳路線等問題。本文設計的基于車聯網的位置監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的對車輛實施全程監(jiān)控，確保道路安全。

1.2 雙網卡車載單元介紹

當車輛周邊具有路邊單元組網時，車載單元可通過802.11p協議與路邊單元通信，通過路邊單元作為信息中轉從而與后臺監(jiān)控系統(tǒng)完成信息交流；當車輛行駛至偏僻路段，即無路邊單元組網時，車載單元通過移動網絡基站進行傳輸，并將信息存儲到服務器，后臺監(jiān)控系統(tǒng)通過訪問相關服務獲取傳輸至服務器的信息。

隨著車載單元技術的飛速發(fā)展，用戶對車載單元的通信功能提出了更高的要求。而現有的車載單元卻無法同時為用戶提供4G通信和車際用戶通信服務，無法滿足用戶對車載單元通信功能的要求。

現有的車載單元基本都采用一體化設備，在嵌入式開發(fā)板上以控制平臺為中心集成其他各模塊，形成車載單元。當前的車載單元主要分為兩類，一類是使用SIM進行4G通信，連接到Internet進行交互；另一類是在高速或園區(qū)管理中使用DSRC通信的車載單元進行管理，但無法實現車際通信。由上述描述可知，目前車載單元所使用的通信模塊較為單一，能夠實現的功能有限，無法滿足用戶對于多種通信方式的追求。

4G技術作為目前已發(fā)展成熟的通信技術，具有統(tǒng)一的通信協議標準且無需進行額外的基礎設施搭建，故采取4G通信模塊用于車輛與應用服務器和管理中心的通信更為便捷。

針對現有車載單元存在的問題，本文設計了一種集成4G與802.11p雙網卡通信的車載單元，以滿足用戶對車載單元通信功能的相關要求，為用戶提供4G通信服務和車際通信服務。系統(tǒng)采用一種集成4G與802.11p雙網卡的車載單元：4G通信模塊、車際通信網卡和控制平臺。其中車載單元的計算控制中心是控制平臺，控制平臺用于對各個模塊進行控制處理以及數據處理，控制平臺包括嵌入式Linux開發(fā)板、Android平板、Linux開發(fā)板集成串口、Mini-PCI 接口，Android平板集成4G通信模塊；車際通信網卡通過控制平臺的Mini-PCI 接口與控制平臺相連，以進行車輛間的車際通信；4G通信模塊集成在控制平臺中的Android平板中，可與應用服務器和管理中心通信。其工作模式如圖1所示。

圖1 工作模式圖

與現有車載單元相比，本文系統(tǒng)設計的集成4G與802.11p雙網卡的車載單元不僅可以實現車際之間的通信，還可以使用4G通信模塊與管理中心通信，從而獲取更多多元、豐富的服務，并能夠根據用戶的需要增加相應的服務功能，滿足用戶對車載單元通信功能的要求。

1.3 802.11p協議簡介

IEEE 802.11p協議是IEEE 802.11標準經擴充而來，主要作用在車載電子無線通信過程中，符合智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation Systems，ITS）的相關應用。應用層面有高速行駛的車輛間、車輛與ITS路邊基礎設施間相關數據的交換。IEEE 1609標準基于IEEE 802.11p通信協議的上層應用標準。

IEEE 802.11p協議是車載自組織網絡MAC和PHY規(guī)范。IEEE 802.11p 協議是對 IEEE 802.11協議的改進，以滿足車輛在高速行駛環(huán)境下的通信需求?？梢詫EEE 802.11a協議進行直接修改，將傳統(tǒng)的無線局域網技術用于車輛協同通信環(huán)境中。協議仍采用OFDM作為傳輸方案，但為了適應高速移動環(huán)境，IEEE 802.11p在數據鏈路層（MAC）和物理層都做了相應的改進。在數據鏈路層設置了不加入BSS的通信方式，以此來解決接入時延的問題。數據鏈路層中引入了IEEE802.11e中的相關增強型分布式信道接入機制來保障服務質量。物理層將相應的保護間隔擴大了一倍，為1 600 ns，以此來包容更大的多徑時延。endprint

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)概述

基于4G與802.11p的安全可追溯車聯網系統(tǒng)是將傳感技術、網絡技術、智能技術、通信技術、感知與控制技術等有機融合在車輛和交通道路管理體系中建成的一種實時、高效、智能的交通管理系統(tǒng)。它能很好的對車輛實施全程監(jiān)控和信息交互操作，實現車與路、車與車、車與人之間的聯系，確保道路安全與管理。車聯網設施架構如圖2所示。

圖2 車聯網設施架構圖

2.2 功能介紹

本系統(tǒng)分為車載設備、路邊單元、后臺管理系統(tǒng)和服務端四部分。系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框架圖

2.2.1 車載設備

車載設備包括Android端和車載通信單元兩個模塊。Android端擁有車與路邊單元通信、車車通信以及與服務端4G通信三項功能，車載通信單元主要用于GPS獲得車輛位置及信息的采集與轉發(fā)，用以同路邊單元進行信息交互。對Android端功能的具體描述如下：

（1）車車通信：智能移動終端能夠實現車車通信，互相了解信息，做好交通預警、車路協同等工作；

（2）車與路邊單元通信：路邊單元安裝在路側，采用專用短程通信技術，可與車載單元進行通訊，可實現車輛身份識別；

（3）與服務器端4G通信：通過現有移動網絡基站與服務端通信，完成位置信息的實時上傳及與其他車輛通信時的信息交換。

2.2.2 路邊單元

路邊單元（RSU）與車載通信單元（OBU）通過802.11p協議進行無線通信，路邊單元（RSU）與后臺管理系統(tǒng)也通過802.11p協議進行通信。即具有路邊單元與車量間通信、路邊單元與后臺通信功能。具體功能描述如下：

（1）路邊單元與系統(tǒng)中的車輛進行通信：路邊單元與系統(tǒng)中車輛安裝的車載設備上的車載通信單元通過802.11p協議進行通信，獲取車載通信單元所傳輸的車輛位置信息及車主用戶之間互發(fā)的消息，并將消息轉發(fā)至周邊車輛；

（2）路邊單元與后臺通信：路邊單元將接收到的車輛位置信息及車主用戶之間互發(fā)的消息傳輸至后臺管理系統(tǒng)，同時將后臺管理系統(tǒng)所發(fā)的公告等信息傳輸至周邊車輛。

2.2.3 后臺管理系統(tǒng)

后臺管理系統(tǒng)包括通信模塊、車輛管理模塊和實時監(jiān)控模塊。通信模塊包括后臺與路邊單元通信、消息廣播、與服務端通信等功能；車輛管理包括車輛的入網注冊、車輛查詢、用戶撤銷等功能；實時監(jiān)控包括對車輛位置監(jiān)控及車主間的消息監(jiān)控。具體功能描述如下：

（1）后臺與路邊單元通信：實時獲取車輛位置信息及車主用戶之間相互發(fā)送的消息，用于車輛的位置和消息監(jiān)控；

（2）消息廣播：將后臺管理系統(tǒng)所發(fā)布的公告等信息通過消息廣播的方式傳輸至各車輛；

（3）入網注冊：當車輛進入車聯網系統(tǒng)時，要先到后臺管理系統(tǒng)中完成相應的車輛注冊操作；

（4）車輛查詢：后臺管理系統(tǒng)可以從數據庫中查詢已注冊車輛的相關信息；

（5）用戶撤銷：根據實際需求，可對一些已注冊的車輛用戶進行身份撤銷的操作并核對信息，完成相應的撤銷任務；

（6）位置監(jiān)控：后臺管理系統(tǒng)通過接收并處理路邊單元轉發(fā)的車輛GPS消息以定位每一輛車的位置，并在地圖上顯示。對車輛道路進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現可能存在的問題，并在第一時間給出相應的解決方案，快速發(fā)現并解決問題；

（7）消息監(jiān)控：對車主用戶之間互發(fā)的消息進行監(jiān)控，防止用戶發(fā)布非法信息；

（8）消息追溯：后臺管理系統(tǒng)能夠對802.11p協議組網上的消息進行驗證，對消息的發(fā)送車輛進行真實身份的追溯。

2.2.4 服務端

服務端具有位置信息存儲及信息轉發(fā)功能，具體功能描述如下：

（1）位置信息存儲：將車輛通過4G網絡實時上傳的位置信息等數據進行存儲，用于后臺管理系統(tǒng)獲取車輛位置；

（2）信息轉發(fā)：轉發(fā)車輛位置信息及車主用戶間的聊天信息。

2.3 系統(tǒng)防護

本文系統(tǒng)提出了一種基于車聯網系統(tǒng)中匿名身份的消息認證方案，本文方案可以有效解決發(fā)生在車聯網系統(tǒng)中的安全通信、隱私保護等問題，能夠更好的適用于車聯網系統(tǒng)。

2.3.1 初始化

首先給每輛車配備一個防篡改設備，防篡改設備可在任何情況、任何形式的攻擊下保障其數據的安全性。車輛裝載了防篡改設備后，攻擊者便不能獲得存儲在該設備上的任何數據。

2.3.2 假名生成

為了實現隱私保護，我們通過使用由認證模塊，假名生成模塊，私鑰生成模塊組成的防篡改設備，由它負責生成隨機的偽標識，并相應生成基于身份加密的專用密鑰。

2.3.3 消息簽名

當車輛在道路上行駛時會定期廣播相關交通信息，可能會潛在地影響交通控制中心的決策和流量分布的優(yōu)化。為確保消息的完整性，車輛對發(fā)送的每一個消息都需要簽名，并在接收時進行驗證。

2.3.4 認證

基于系統(tǒng)網絡結構，當路邊單元從車輛接收到與交通有關的消息時，路邊單元必須驗證該消息的簽名，以確保對應車輛未模仿任何其它合法車輛或傳播虛假消息。

2.3.5 身份追溯

對于給定的假名，只有信任中心能夠通過私密鑰計算以確定、追蹤發(fā)送者的真實身份。一旦簽名有爭議，信任中心有能力從有爭議的消息中追蹤到這輛車，可追溯性可以很好的滿足車輛跟蹤的要求。

2.4 系統(tǒng)測試

軟件錯誤經常發(fā)生，軟件質量出現重大問題屢見不鮮。所以本文監(jiān)控系統(tǒng)必須經過嚴格測試，盡可能發(fā)現相關錯誤，減少系統(tǒng)內部各模塊間的功能與邏輯錯誤，保證每個模塊都能正確實現其預期的功能及操作，保證其性能可滿足用戶要求。endprint

分別對車載設備端和后臺管理系統(tǒng)進行性能測試。測試流程如圖4和圖5所示。

3 安全性分析

車聯網中的消息錯綜復雜，各種攻擊方式會對系統(tǒng)造成不同程度的破壞，因此為了確?；?G與802.11p的可追溯車聯網系統(tǒng)的安全性，從以下幾個方面進行分析：

（1）消息認證和完整性。這是車聯網遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)最為重要的安全目標，對消息進行認證可保證接收到的消息是否為發(fā)送者發(fā)送的消息，消息的完整性保證了消息是否被攻擊者修改過。系統(tǒng)對802.11p組網及4G網絡上的消息進行認證，確保所傳輸的信息真實、完整。

（2）不可抵賴性?？傻仲囆约窗l(fā)送者可以不承認該消息是其發(fā)送的，并且系統(tǒng)中沒有任何證據可以證明該消息由誰發(fā)送。不可抵賴性就是發(fā)送者對自己發(fā)送的消息負責，系統(tǒng)中留有證據，使消息發(fā)送者無法否認自己已發(fā)送的消息。消息的不可抵賴性在安全通信中意義重大，在調查道路交通事故時不可抵賴性的作用尤為突出，我們可以調查事故發(fā)生前當事人及相關人員發(fā)送或接收的消息，高度還原案發(fā)前的局勢，為案件的合理審判提供真實證據。

（3）條件隱私保護及可追責性。隱私保護是指系統(tǒng)可以保護用戶的隱私不被第三方非法竊取而采取的必要措施。授權機構在獲取用戶消息的同時，也能夠追溯消息的來源，即可追責性。

（4）實時高效性。由于移動節(jié)點——車輛是高速行駛的，而路邊單元的通信范圍有限，且通信過程中車輛間或車輛與路邊單元等發(fā)送或廣播的消息通常都具有時效性，所以對發(fā)送的消息需快速分析處理并做出相應的回復，即滿足實時高效性。

圖4 后臺管理系統(tǒng)測試流程

圖5 車載設備測試流程

4 結 語

本文設計的基于車聯網的位置監(jiān)控系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的基于車聯網的系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了4G和802.11p雙網卡通信的車載單元，解決了遠程監(jiān)控系統(tǒng)無法獲取未形成車聯網網絡車輛數據的問題，同時還可以滿足用戶在不同場景下的通信需求，順利度過車聯網初期階段，即使在車聯網完備階段，仍可作為補充通信方式。

（1）車載設備加入更多傳感器。通過車載設備中傳感器的增加，完成更多的車輛信息數據采集，如對車輛速度、車內空氣等進行監(jiān)測，可更全面、方便的查看車輛信息。

（2）增加路邊單元信息驗證功能。路邊單元對驗證未通過的信息可不轉發(fā)，減少了通信中非法用戶產生的垃圾信息，同時大大增加了路邊單元的信息負載能力。

（3）更加靈活、方便的車與車交流方式。系統(tǒng)增加了車車之間的私人聊天等功能，滿足了用戶點對點通信的需求。

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