一种车联网体系结构的设计

摘要：随着物联网技术的迅猛发展，作为物联网在智能交通领域的具体应用，车联网是继互联网、物联网之后，成为未来智慧城市的一个重要标志。针对目前交通信息采集方式落后，交通管理、车辆管理数字化、信息化、智能化程度不高的现状，该文设计了一个基于RFID技术的车联网构架体系，该体系以RFID信息采集为基础，集交通控制、交通诱导、车辆管理、交通信息服务等跨行业、跨部门的综合车辆信息应用平台，以促进公安、交通、税务、保险、银行等系统涉车信息的平台化、服务化为目标，实现涉车信息资源的共享和互通，提供丰富的智能交通综合服务，提升车辆管理的数字化、智能化水平。

关键词： 车联网；RFID；体系结构

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）02-0387-04

面对汽车保有量不断增大、道路交通堵塞现象加剧以及涉车信息管理难度加大等种种挑战，如何有效对车辆、道路等资源进行有效监管，提升智能化管理水平，推进智能交通建设已迫在眉睫。随着物联网技术的蓬勃发展和日益成熟，作为物联网技术在智能交通领域中的具体应用，车联网全面实时感知车辆运行和交通路况，消除监管真空地带，提供丰富的智能交通综合服务，是继互联网、物联网之后，“车联网”又成为未来智慧城市的一个重要标志和新一代智能交通的核心。

目前的交通体系主要是采用感应线圈、视频监控、地磁检测等手段来采集交通信息，手段和方式都比较落后，不能满足要求。一来由于容易受到天气等因素的干扰，缺乏全天候实时采集交通数据的能力，及时性，真实性、稳定性有待提高。二来采集上来的数据非常单一，只能感知车辆的通过情况和路网的监控画面等属性单一的、难以提取和加工的原始数据，无法获取道路交通、道路车辆等涉车涉路具体的、详细的、可进一步加工处理的数字信息，也就无法对交通和车辆进行真正意义上的数字化、信息化、智能化管理。

因此，交通信息采集是实现智能化交通控制系统的基础，传统交通数据采集方式已不适应智能交通发展的要求，迫切需要采用新的技术手段来解决问题。作为车联网核心技术之一，RFID技术能够很好地解决交通信息采集问题。它具有很高的抗干扰能力、抗污染能力，在遇到恶劣天气时，RFID都能稳定工作，不受天气等因素的干扰，稳定地进行交通数据采集。除此之外还具有读取距离远、传输速度快，批量读取等优点。其原理是在车辆上安装RFID电子标签，俗称电子车牌，将车辆基础信息及相关数据存储于其中，不可复制和伪造。通过道路上的基站设备，可使车辆高速通过时自动识别并获取行驶车辆的动态信息。RFID弥补传统交通信息采集的很多不足，实现了车辆信息识别和采集的智能化，这是高效智能交通的第一步，是实现智能化交通控制系统的基础。

相对于以前以环形线圈和视频为主要手段的车流量检测及依此进行的被动式交通控制，车联网时代的智能交通，全面涵盖了信息采集、动态诱导、智能管控等环节。通过对机动车辆信息和路况信息的实时感知和反馈，在GPS、RFID、 GIS等技术的集成应用和有机整合的平台下，实现了车辆从物理空间到信息空间的唯一性双向交互式映射，通过对信息空间的虚拟化车辆的智能管控，实现对真实物理空间的车辆和路网的“可视化”管控。[1]

1 车联网的基本概念

1.1 车联网的基本定义

车联网是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，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车联网可以实现车与车之间车与建筑物之间，以及车与基础设施之间的信息交换，它甚至可以帮助实现汽车和行人汽车和非机动车之间的对话就像互联网把每个单台的电脑连接起来，车联网能够把独立的汽车联结在一起。[2]

车联网是一个技术多元的新兴领域，涉及到射频识别（RFID）技术、传感器技术、定位技术、网络技术、无线通信技术、中间件技术、大数据技术、云处理技术、信息等关键技术。车联网通过有机整合这些技术，建立一个跨部门、跨行业实时的、智能的的交通运输综合管理和控制系统。

车联网具有多样性、实时性和智能性3个特点。所谓多样性，一是指车联网所涉及的管理对象数量众多、类型多样，包括车辆、传感器、基站、通信网络、后台数据服务器等，由于设备数量众多，类型各异，导致设备设施之间的接口协议也是多样的，标准不一。二是指信息类型多样，相对于目前只能感知车辆的通过情况和路网的监控画面等信息单一性弊端，车联网通过RFID阅读器，还可以采集各种车辆的自身信息。

实时性是指车联网能够综合RFID（射频识别），视频识别、线圈感应等多种类型的交通信息采集手段和广泛分布的网络实时的、准确的、高效的获取交通数据信息，并能在此信息基础上实现自动识别、定位、监控等功能，实现增值服务。

智能性指车联网通过各种方式获取车辆和路况信息，实现交通智能化管理，例如交通诱导管理、不停车收费系统、智能公交定位管理和信号优先等。

随着车联网技术的蓬勃发展，许多发达和一些发展中国家为了摆脱日益严重的交通困境，相继提出了车联网发展战略，也尝试开始了应用，特别是在交通监管、海关物流等领域逐步成功推广。

1.2 RFID技术与车联网

早在二战结束后就奠定了RFID（Radio Frequency Identification ，无线射频识别）技术理论基础，但直到上世纪八九十年代，射频识别技术才蓬勃兴起，各种规模应用开始出现。RFID技术是一种非接触式自动识别技术，利用无线射频信号自动识别移动或静止目标对象并获取与之相关的数据信息，可在各种恶劣环境下稳定工作，在识别过程中无须人工干预。

一套完整的RFID系统组成并不复杂，主要由电子标签（Tag），阅读器（Reader）和天线（Antenna）三部分构成。RFID系统最重要的部分是电子标签，它在整个RFID系统中扮演着数据载体的角色。电子标签附着在被标识物体上用来标识目标对象，每个标签都具有唯一的电子编码和数据存储区。

阅读器就是一个射频收发器，通过天线发射一定频率的射频信号，一旦标签进入到阅读器磁场感应范围之内时，标签凭借感应电流所获取的能量而被激活，将自身电子编码和存储在标签内的相关信息通过内置天线发送出去。阅读器接受由标签反射会的射频信号并读取信息，并送至计算机主机应用系统进行有关数据处理，工作原理图如图1所示：

RFID技术作为一种具有革命性的自动识别技术，具有传统识别技术所不可比拟的优势，主要体现在：

1）识别效率高，RFID阅读器具有超强的群采能力，即可以同时识别和读取多个快速移动中的RFID标签。在RFID系统内部通过防碰撞算法（ALOHA、TREE等算法）实现多目标同时识别达到批量识别处理，大大提高识别处理效率。

2）识别速度快，只要RFID标签进入到阅读器有效识别范围内，不到100毫秒内阅读器即可识别标签并读取数据。

3）识别距离远，RFID最大的特点是非接触识别，阅读器不需要直接接触标签，穿透性能力强，有效识别距离长，最大有效识别距离可达到30米以上。

4）识别信息量大，RFID标签记忆容量和信息存储量很大，RFID最大的容量能达到数兆字节，而且因此标签能够携带非常丰富的的信息供阅读器读取。在一定条件下，RFID标签内容可以通过编程器更新和修改。

5）识别可靠性高，RFID标签使用寿命长，能适应各种恶劣环境，标签内容可经由密码保护，不易伪造，具有很好的安全性能。

RFID应用于车联网的主要优势是该技术实现了车辆信息采集和识别的智能化，是车辆和路网信息进入车联网的关键。RFID 感知技术在车联网领域得到了巨大应用。近期公安部已经推出一种识别率在 99.9%以上的专用电子标签，可安装在汽车挡风玻璃上，形成对车辆身份和位置信息的唯一标识。国家发改委正在大力推进基于无线射频技术的车辆电子牌照试点工程，重点解决车辆自动识别、动态监控、车牌套用与防伪的问题。而在南京、重庆、厦门、兰州等政府部门主导的车联网项目中，主要都是通过 RFID 来采集车辆信息，并进而开展交通、环保等管理工作。[3]

2 车联网的体系结构

从我国目前情况来看，车联网在全国各地如火如荼地建设，但对应的许多系统都缺乏一个稳定的、标准的和可扩展的体系结构，特别是基于RFID的车联网系统，涉及到多个行业、多个部门和多种技术，没有一个标准体系，基本上都是相关部门各自为政，各管一摊，导致各自系统自成体系，缺乏信息互通共享，难以相互协调，交通监管水平和效率低下。

随着车联网的快速发展，必然要求车联网向着系统化、一体化方向发展，防止行业和地区之间的差异。因此，对基于RFID的车联网选择稳定的体系结构和可扩展的平台显得非常必要。，将车联网中各类孤立的、单一的系统整合成一个统一的综合交通系统，实现信息共享机制。鉴于车联网是一个非常庞大且复杂的系统，因此车联网采用比较成熟的分层体系结构，有利用车联网系统的开放性、可用性和伸缩性。根据物联网的网络体系结构和车联网自身的提点，一般车联网体系结构分为感知层、网络层，数据层、集成层和应用层，如图2所示：

2.1 采集层

采集层处于车联网最底层，但它是最核心的，如同人体的感知器官，上层所有的应用都依赖于采集层所采集的信息。采集层是车联网信息采集端，对车联网网络中的节点进行感知、识别和采集。它通过电子车牌（RFID标签等）、摄像头、GPS、各种物理和化学等传感器（感知温度、湿度、浓度、速度等信息）、各种读写器（交通一卡通、手持式阅读器、车载移动式基站、固定基站等）等大量具有感知识别功能的信息采集设备采集车辆身份、车辆运行信息、交通流量、天气状况等相关信息。

在采集层中，电子车牌是整个系统最基础、最重要的设备。它其实是一个RFID电子标签，采用超高频UHF工作频段。一般选用陶瓷标签作为电子车牌安装在挡风玻璃上，具有防拆功能。电子车牌提供车辆的相关信息，包括车牌号、车主资料、车辆出厂资料、年审资料、车辆现行资料、违章记录、缴费记录、绑定银行账户、车辆维修记录等，所有的应用都是基于此信息。

采集层的主体是车辆和各种路侧感应、检测设备，采集层系统通过路侧感应检测设备检测车辆信息。比较常见的路侧检测设备包括有固定式基站，手持式基站和车载式基站。由于采集设备数量众多、类型各异、接口协议标准不一，导致每种设备提供的数据通讯和数据处理方法都不同，因此还需要通过各种中间件技术来屏蔽这些设备的差异性。中间件是负责对读卡器所采集到的标签中的信息进行简单的预处理，然后将信息传送到网络层或应用层的数据接口。[4]它支持不同厂商和通信协议的读写器设备，针对不同的硬件设备，提供具有标准的程序接口和协议。符合多种接口和协议规范LLRP标准接口对应基站和ALE标准接口对应网络层，彻底摆脱读写器非标准化协议，带来的开发、维护和扩展的限制。

2.2 网络层

网络层是车联网系统内部的数据联系纽带，主要是将采集层所采集的数据接入到车联网网络中，进行远距离、大范围地传输采集数据。网络层是实现车联网网络互联的重要基础设施，如同人体的经络和血管，实现了各种数据的交互传递、信息的交换与共享。

车联网系统需要为各种类型的车辆提供实时的、立体的、无缝的网络接入，由于底层设备接入到车联网中涉及到无线局域网络（蓝牙技术、ZigBee技术、WiFi技术、WiMAX等）、移动互联网（GPRS/CDMA、3G、4G等）和有线互联网（光纤网、以太网等）多种异构网络，在接入过程中需要进行协议转换，实现方便快捷地接入各种不同类型的网络，使得数据能够互通。这种网络架构要求一种专有的协同通信架构和协议栈，可将不同底层数据整合，并对应用层隐藏不同接入方式间差别，实现信息交互。[5] 由于传统的TCP/IP 参考模型未被车联网采用，因此需要开发全新的、标准的、适用于车联网的网络协议栈。

2.3 数据层

数据层是车联网体系系统中的数据中心，专注于将采集的信息进行存储管理、分析、加工处理以及根据请求的业务服务操作数据。它为各种车联网的应用提供包括车辆本身信息、车辆运行信息、车辆事件信息、交通流量信息、设备信息等基础业务数据。

由于车联网相对于传统的智能交通管理系统，具有采集数据量大、数据种类多、数据处理实时性高的特点，非常适合采用物联网关键支撑技术之一的云计算技术对数据进行处理。

通过这项技术，车联网以云计算中心作为一个统一的数据平台，基于此平台对获取的数据进行综合加工分析处理，提供各类服务。各部门通过网络都可以快速地从云计算中心获得所需的车辆信息、车辆状况、交通信息、天气信息等一系列的信息，满足车联网各种类型的用户对所获取信息种类和服务效率的要求。

另外，不同部门所需要重点掌握的信息类型不尽相同，对所采集的数据关注点和兴趣点也不一样。例如，公安和交通管理部门主要对实时采集到的车辆动态数据和交通流量信息更为关注，实施道路监控、研判分析、交通预警、违章处理、布控管理、统计分析等服务，而交通规费征收、运政、保险、银行等部门则对车辆本身数据更为关注，例如，黑车、年检、交强险履保、黄绿标等管理功能。因此，根据这些不同需求，需要定义不同类型的数据结构和多个不同功能的数据库并对这些数据库进行有效管理和维护。为了解决各部门的分项数据导致数据之间的割裂，无法产生数据的深度价值等问题，需要通过大数据技术，借助计算机软件分析数据得出一些规律，能完全反映出数据之间的关联性，进而为交通管理部门预判、决策等提供有力支持。

GIS支撑平台，作为整个交通监控应用软件的支撑平台，提供路径分析服务、空间查询服务、地图、地理编码与反编码、地理分析等服务。GIS平台与GIS引擎相连接，处理与地理信息相关的操作与查询，如渲染地图、查询图元、查询位置范围等。GIS模块主要设计目的是屏蔽对GIS系统访问的复杂性，以及为车联网应用提供特定的业务对象、完成POL查询、地图匹配、地图查询、路径搜索、位置检索和为移动终端生成地图等功能。[6]

2.4 集成层

集成层是整个车联网系统的核心组成部分，负责与下层数据层的交互以及外部系统的通信，专注于对各种涉车信息进行数据挖掘和公共处理功能，对外部应用提供标准化的开发接口。

该层集成了各种公共服务，系统管理主要负责对车联网系统运行过程中的操作维护，监控各种系统参数值，起到保护系统的作用，包括设备管理、配置管理、拓扑管理等。安全管理负责用户、角色等创建、维护以及会话的创建、维护及终止，同时还提供日志管理用来记录系统操作的详细信息。业务管理包括电子车牌管理、车辆管理、计费管理、一卡通管理等，在进行业务管理时，需要通过安全管理进行身份验证和操作鉴权。对外接口提供一系列的开放的、标准的接口，便于应用系统专注于自己业务逻辑，快速的开发应用系统。

2.5 应用层

应用层向包括公安、交通、保险等部门提供各种业务服务，专注于业务逻辑和界面呈现，是车辆、交通等有关的信息表现层。公安、交通、保险、专营公司、银行等部门通过集成层获取可靠、准确的信息，都可以在应用层上建立各种不同的具体应用系统，例如交通综合管理系统、交通信息系统和交通行业应用系统等。

交通综合管理系统主要对路网中行驶的车辆实时全方面、前天侯、立体监控，使用先进的多源信息融合算法，分析准确的路网使用情况，车辆通行情况，交通拥堵程度等重要信息，为交管部门提供可视的、精准的数据化管理，达到可控、可防、可治，最大限度地发挥路网通行能力。交通综合管理系统可以包括不停车收费系统、交通诱导系统、套牌、肇事车追查、交通信号控制系统、交通监控系统等子系统。

交通信息系统通过LED屏、交通网站、交通热线、手机短信、广播电台、可变情报板，车载终端等多种信息方式、公安、交通、环保、城规等政府管理部门和保险公司、银行等相关机构及时公开交通诱导信息、违章违法信息、交通预警信息、交通管制信息、交通规费信息、安全行车指导交通等各种重要交通信息，为社会公众和车主提供了有效、直观、亲切、便捷的服务。

交通行业应用系统包括交通规费征收系统、智能导航定位系统、智能公交管理系统、智能电子站牌系统、智能停车场系统、商业营运车辆管理系统等子系统。这些系统通过GPS定位技术、RFID电子车牌技术，无线通信、数据分析等技术实现了各个应用的智能化、一体化管理，提高了管理效率和社会效益。

3 结束语

随着物联网技术的快速发展，作为物联网具体应用的车联网迎来了巨大的发展契机。基于RFID的车辆往依托无线射频（RFID）技术对安装电子车牌的车辆进行大规模实时信息采集，能够更全面、更有效、更快捷地对所有动态车辆的信息和交通路况信息进行管理；借助物联网关键技术大数据和云处理技术进行数据的处理和信息的分享，破解交通相关部门的信息孤岛效应。RFID解决了交通信息数据采集的实时性、全面性和有效性问题，大数据及云处理技术实现了对海量信息进行高效快捷地分析、处理，可以说物联网的RFID技术、大数据和云处理技术是车联网各个应用系统实现一体化、信息化、智能化的关键。基于RFID的车联网体系采用比较成熟的分层体系结构，有利用车联网系统的开放性、可用性、健壮性和伸缩性。车联网只有建立一套开放的、统一的标准体系，才能实现各种信息和系统的融合，全面提升智能交通的管控水平和信息服务水平。

参考文献：

[1] 李茹.揭秘物联网技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2011：178-179.

[2] 王建强.车联网架构与关键技术研究[J].微计算机信息，2011，27（4）：156.

[3] 章如峰.车联网产业发展与市场前景分析[C].第八届中国智能交通年会论文集，2013：437.

[4] 李晓延.RFID技术和RFID读卡器[J].今日电子，2006（12）.

[5] 须超.车联网网络架构与媒质接入机制研究[J].中兴通讯技术，2011，17（3）：20.

[6] 刘江涛.移动位置信息服务平台的研究与实现[D].西安：西北工业大学，2007.