CN105743902A - 一种面向智能互联的多cpu硬隔离的辅助驾驶车载网关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，包括车载安全通信系统和车载信息分析与控制系统，车载安全通信系统包括：由车际无线通信模块与车域无线通信模块构成的车载网关双无线网卡结构以及车主移动终端，车载安全通信系统通过I.MX6Q处理器进行CPU控制；所述车载信息分析与控制系统通过Exynos4412处理器进行CPU控制，且包括行车路线识别模块、驾驶行为分析模块、车辆信息采集模块和车辆智能控制。本发明能够实现车载网关的通信安全，并通过基于OpenCV人脸识别的驾驶员疲劳状态分析、行车路线识别与分析实现驾驶安全，还能从硬件层次上有效地抵御Sybil攻击等多类型攻击，防止黑客入侵车载网关获取车辆信息并控制车辆。
Description
技术领域
本发明涉及车联网技术，具体涉及一种面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关。
背景技术
随着车联网技术的发展，车载网关的设计越来越智能化，从而满足了多功能的用户体验，更好地实现了人机交互。
目前，车联网融合传感器、RFID、数据挖掘、自动控制等相关先进技术，按照约定的通信协议和标准，实现车-X(X：车、路、行人、互联网)交互以及各种娱乐上网功能。虽然，车载网关的与时俱进和不断创新使其在功能上满足了用户的需求，但在安全通信与安全驾驶方面存在一些问题。其中，车载网关采用蓝牙或者wifi模块建立车内局域网通信，该通信方式工作在不授权的频段，无线链路比较脆弱容易受到各种攻击；其次，GPS作为当前的车载单元的定位系统，其通信方式相当脆弱，容易受到欺骗、阻塞等多种类型的攻击。在车与车通信过程中，利用IEEE802.11p标准协议实现车辆自组网通信，包括车与车，车与路侧单元(RSU，RoadSideUnit)之间的通信。在通信过程中可能存在恶意的车辆，这些恶意的车辆发送虚假信息，欺骗其它车辆，牟取私利，造成车辆信息和车主隐私信息的泄露。一些恶意的车辆还会偷窃多个身份，伪造交通场景，破坏网络正常运行，造成用户生命财产安全的威胁；在车载移动互联网，黑客容易通过互联网攻击车辆的娱乐、在线阅读等网络系统，进而入侵汽车的控制系统，获取车辆隐私信息，远程控制车辆，威胁车主的生命安全。
此外，司机的驾驶行为对于安全驾驶也会产生重要的影响，例如不精确的疲劳驾驶的识别与警示、车辆行车路线的偏移严重影响车主的生命安全。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关。
技术方案：本发明所述的一种面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，包括车载安全通信系统和车载信息分析与控制系统，所述车载安全通信系统包括：由车际无线通信模块与车域无线通信模块构成的车载网关双无线网卡结构以及车主移动终端，车载安全通信系统通过I.MX6Q处理器进行CPU1控制；所述车载信息分析与控制系统通过Exynos4412处理器进行CPU2控制，且包括行车路线识别模块、驾驶行为分析模块、车辆信息采集模块和车辆智能控制模块；上述两个系统组成双系统多CPU架构的车载网关，且该车载网关硬件底板上设有两个嵌入式CPU核心板和外设电路。
进一步的，所述车载网关硬件底板长120mm，宽110mm，高度为25mm，底板上还设有两个MINIPCI-E接口、两个单向开关、两个监控串口、两个USB接口、两个外扩GPIO蜂鸣器接口、一个RS232接口、TF卡接口以及电源接口与开关；所述外设电路包括双MINIPCI-E驱动电路、车载网关串口通信电路、车载网关TF卡外扩存储电路、车载网关双摄像头USB驱动电路、车载网关蜂鸣器预警驱动电路以及车载网关电源电路；所述I.MX6Q处理器和Exynos4412处理器实施多CPU控制，并且CPU1和CPU2之间使用COM口相互通信，通过板载的两个监控串口分别对CPU内核程序进行操作。
进一步的，所述车际无线通信模块和车域无线通信模块分别使用支持标准协议为IEEE802.11p和IEEE802.11b的DCMA-86P2无线网卡与AR5BHB92无线网卡；两个车载无线网卡通过MINIPCI-E接口平行于底板接入，构成双网卡交互结构，实现车辆自组网与车内无线wifi局域网的互联互通；所述驾驶行为分析、行车路线识别是在车内和车外设置双高清摄像头，通过USB接口与Exynos4412处理器相连接，实施驾驶员疲劳驾驶分析与预警、行车路线偏移分析与预警。
进一步的，所述车载安全通信系统所在硬件底板中的I.MX6Q处理器核心板包括：MMPF0100NPEP电源管理芯片、1GB的DDR3内存和8GBEMMC的FLASH；MINIPCI-E接口通过2:1多路复用器芯片ICS557GI-08与I.MX6Q处理器相连接，按照双无线网卡尺寸设置两个MINIPCI-E接口，并预留螺丝孔用于固定网卡，避免在行车过程中网卡接口处松动，保障车载安全通信；监控串口通过MAX322将TTL电平转换为RS232电平后与I.MX6Q处理器相连接对内核程序进行操作；蜂鸣器通过外扩的GPIO接口与核心处理器相连接。
进一步的，所述车载信息分析与控制系统所在硬件底板中的Exynos441核心控制板包括：S5M8767电源管理芯片、1GB的DDR3内存和SAMSUNGEMMC5.0系列KLMAG2GEAC-B031的FLASH；Exynos4412处理器与两个USB接口相连接，直接驱动与USB接口相连的双高清摄像头；COM1与COM2通过MAX3232芯片进行双通道电平转换，其中，COM1为监控串口用于内核程序操作，COM2为RS232外扩接口与汽车总线相连接；TF卡槽直接与处理器相连接可外扩多达32G存储空间；Exynos4412通过外扩的GPIO接口驱动蜂鸣器。
上述电源接口采用A型USB接头与车载的电源转换器相连接，输入为12V电源，通过LM2676-5V降压稳压器转换为5V3A的电源，再通过一个稳压二极管进行二次稳压，最后输出5V和12V的电源为处理器以及外扩设备与接口供电。
进一步的，所述车际无线通信模块实施车与车的自组网通信并在通信之前进行车辆身份的双向认证有效地抵御Sybil攻击等多种类型攻击，具体包括以下步骤：
步骤一：车辆进入车辆自组网覆盖区域时，I.MX6Q处理器驱动DCMA-86P2无线网卡根据TCP/IP协议与RSU建立通信机制，将车辆身份信息和IP地址信息发送至RSU，RSU与远程可信的车辆管理中心通信对车辆进行注册，然后向车辆反馈注册信息、动态地分配会话密钥和假名；I.MX6Q处理器将会话密钥和假名存储在内存中，并使用动态分配的假名在该车辆自组网通信；
步骤二：I.MX6Q处理器驱动无线网卡实时检测并及时发现临近的车辆；如果检测到邻近车辆需要通信或者本车需要主动与邻近车辆通信时，待通信车辆通过车辆自组网的通信链路发送经过私钥加密(即签名)的假名和时间戳信息，本车载网关利用RSU广播的公开密钥解密信息，验证签名和时间戳，并利用RSU分发的会话密钥加密消息，发送至RSU；
步骤三：RSU利用会话密钥解密消息并根据假名信息对应的注册表验证车辆身份信息，并反馈利用会话密钥加密的验证消息；
步骤四：如果步骤三所述的身份验证成功，则按照步骤二通过RSU向待通信车辆验证本车辆的身份，从而实施车辆身份的双向认证，否则拒绝通信；
步骤五：当上述双向身份认证成功后，正式建立邻近车辆之间可信的车辆自组网并进行音视频通信。
进一步的，所述车主的移动终端接入由AR5BHB92无线网卡建立的车内无线wifi局域网与I.MX6Q处理器通信之前，需要对局域网解密以及由I.MX6Q处理器对移动终端实施强安全认证，充分实现车载网关的人机交互并防止车内无线wifi局域网被入侵，保证车内无线wifi局域网的安全通信，其通信的具体流程为：
步骤一：车主移动终端搜索车内无线wifi局域网，并输入WPA2_AES密钥对局域网进行解密；
步骤二：移动终端连接局域网成功后，按照预先设定的身份认证协议形成待认证的身份信息数据包并基于非对称密码算法加密数据包，通过连接的无线局域网向I.MX6Q处理器发送，请求认证；
步骤三：I.MX6Q处理器接收移动终端的加密待认证的数据包，根据认证协议利用私钥解密数据包并对其身份进行认证；
步骤四：如果I.MX6Q处理器对移动终端认证成功，将成功消息反馈于车主移动终端，并将其加入可信列表，允许正式建立局域网通信机制；如果认证不成功则拒绝连接的建立，I.MX6Q处理器驱动蜂鸣器进行预警提示，并将该设备加入位于内存的黑名单列表禁止再次连接车内wifi局域网。
进一步的，所述车载网关通过COM口实现双CPU通信，并在双系统之间设立两个单向开关实施CPU之间的安全通信与硬隔离；CPU1的COM口RX与CPU2的COM口TX通过一个单向开关相连，CPU1的COM口TX与CPU2的COM口RX通过一个单向开关相连；CPU1与CPU2的安全通信与硬隔离过程如下：
步骤一：CPU2将获取的车辆信息和安全驾驶信息按照特定的数据通信协议进行处理，通过COM口的TX管脚经过一个单向开关发送至CPU1的RX管脚，CPU1通过特定数据协议对车辆控制指令进行处理，由COM口的TX管脚经过一个单向开关向CPU2的COM口RX发送；
步骤二：CPU1和CPU2分别对从COM口接收的数据按照步骤一所述的数据协议实施双向认证；
步骤三：如果步骤二所述的双向数据认证通过，CPU1与CPU2继续执行数据的相关处理操作；如果认证不通过，CPU1与CPU2分别驱动蜂鸣器发出特定的安全警报；
步骤四：除了上述步骤所述的数据认证的安全问题，如果CPU1受到其它形式的入侵或者攻击时，通过及时断开CPU1与CPU2之间的单向开关Key1和Key2对双系统实施硬隔离，切断车载安全通信系统与车载信息分析与控制系统的连接，阻止黑客对车载信息分析与控制系统的入侵，从而使入侵者无法获取车辆信息或者对车辆进行非法控制。
进一步的，所述CPU2采用的Exynos4412处理器通过嵌入Linux操作系统，并在该系统中移植OpenCV，通过双USB驱动车内摄像头和车外摄像头分别对驾驶员的疲劳状态和行车路线偏移状况进行识别与分析，实现安全驾驶，其中基于OpenCV的驾驶员的疲劳状态检测与预警流程如下：
(1)驾驶员人脸图像获取与认证：Exynos4412处理器驱动车内摄像头获取驾驶员脸部状态的视频流，然后对视频流进行认证，并在认证通过的视频流中定时抓取一组图像帧序列，存储在TF卡中；
(2)人脸检测：基于Haar特征的AdaBoost算法，通过计算存储在TF卡中图像的Haar特征、人脸分类器筛选、确定人脸区域等过程识别人脸；
(3)图像预处理：通过灰度化、求直方图、直方图均衡化、中值滤波等过程对图形预处理从而获取RGB人脸图像的灰度图；
(4)人眼定位：对灰度图通过OTSU算法进行自适应的二值化处理，并基于灰度积分投影和Susan算子确定眼睛的精确位置；
(5)疲劳状态分析：提取人眼的PERCLOS参数，将该参数与设定的阀值进行对比，根据超过该阀值的大小确定疲劳状态的程度；
(6)预警：根据疲劳状态的程度由Exynos4412处理器驱动蜂鸣器进行驾驶安全预警，通过COM口向I.MX6Q处理器发送预警信息，I.MX6Q处理器将具体的预警信息通过车内无线wifi局域网传输至移动终端显示；
基于OpenCV的行车路线偏移状况识别与预警流程如下：
(I)车道图像获取与认证：通过安装在车外的摄像头获取前方的道路状况视频流，然后Exynos4412处理器对其实施认证，并在认证通过的视频流中定时抓取一组图像帧，存储在内存中；
(II)车道图像预处理：先后对内存中的车道图像实施灰度化、高斯模糊、连通域滤波等步骤，从而降低车道图像中的噪点和干扰点；
(III)车道提取：车道的提取首先经过基于Canny算子运算提取边缘，然后利用霍夫变换对车道信息进行提取，最后进行车道拟合；
(IV)行车路线偏移判断：Exynos4412处理器将车辆行驶的方向与步骤三的提取的车道中心线的偏移距离进行计算分析；
(V)偏移预警：将计算得到的偏移距离与预先设定的阀值进行对比，当超过阀值时，Exynos4412处理器驱动蜂鸣器进行驾驶安全预警，将预警信息通过COM口的TX管脚发送到I.MX6Q处理器，并将具体的预警信息通过车内无线wifi局域网显示在移动终端。
上述行车路线识别、驾驶行为分析过程中，Exynos4412处理器对双摄像头获取的驾驶员脸部状况视频流和道路状况视频流进行认证，实时检测电磁等多种类型的恶意干扰，并及时防御。
进一步的，所述车辆信息采集模块和车辆智能控制模块通过RS232接口将处理器与汽车总线相连接；
其中，车辆信息采集模块对车辆行驶的速度、油耗、路程和故障信息数据进行存储和分析，并实施以下工作：通过双系统多CPU通信架构的数据协议认证后，将信息实时显示在车主移动终端，辅助司机驾驶车辆；对车辆行驶数据进一步分析，获取司机的驾驶行为习惯并进行情感识别，作为驾驶行为分析的重要组成部分；
所述车辆智能控制模块通过车主移动终端和双系统多CPU通信架构实施半自动辅助驾驶的车辆设备控制，并与行车路线识别模块、驾驶行为分析模块和车辆信息采集模块构成面向主动安全的驾驶辅助车载协作机制，实现驾驶人员所需要的超视距辅助信息感知和驾驶系统主动介入。
有益效果：本发明能够有效地解决当前车载网关安全通信与安全驾驶方面存在的相关问题，本发明通过车与车强安全认证、I.MX6Q处理器对移动终端的强安全认证、多方数据认证、多CPU之间的硬隔离实现车载网关的通信安全，并通过基于OpenCV人脸识别的驾驶员疲劳状态分析、行车路线识别与分析实现驾驶安全。本发明从硬件层次上有效地抵御Sybil攻击等多类型攻击，防止黑客入侵车载网关获取车辆信息并控制车辆；实现车载安全通信系统与车载信息分析与控制系统之间双系统多CPU的安全通信与硬隔离。
附图说明
图1是实施例中的系统结构图；
图2是实施例中的硬件底板图；
图3是实施例中的双MINIPCI-E电路原理图；
图4是实施例中的车载网关串口通信电路原理图；
图5是实施例中的车载网关TF卡外扩存储电路原理图；
图6是实施例中的车载网关双摄像头USB驱动电路原理图；
图7是实施例中的车载网关蜂鸣器预警驱动电路原理图；
图8是实施例中的车载网关电源电路原理图；
图9是实施例中的车与车双向安全认证与通信建立流程图；
图10是实施例中的车主移动终端强安全认证与车内wifi局域网通信建立流程图；
图11是实施例中的驾驶行为分析与预警流程图；
图12是实施例中的行车路线识别与预警流程图；
图13是实施例中的双系统多CPU安全通信与硬隔离工作流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1和图2所示，本实施例的一种面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，包括车载安全通信系统和车载信息分析与控制系统，所述车载安全通信系统包括：由车际无线通信模块与车域无线通信模块构成的车载网关双无线网卡结构以及车主移动终端，车载安全通信系统通过I.MX6Q处理器进行CPU1控制；所述车载信息分析与控制系统通过Exynos4412处理器进行CPU2控制，且包括行车路线识别模块、驾驶行为分析模块、车辆信息采集模块和车辆智能控制模块；上述两个系统组成双系统多CPU架构的车载网关，且该车载网关硬件底板上设有两个嵌入式CPU核心板和外设电路。
上述辅助驾驶车载网关通过两个单向开关划分为车载安全通信系统与车载信息分析与控制系统，CPU1与CPU2通过COM口通信，CPU1的COM口RX与CPU2的TX通过一个单向开关相连，CPU1的COM口TX与CPU2的RX通过一个单向开关相连，从而形成双系统多CPU构架。
车载安全通信系统CPU采用基于Cortex-A9架构的四核I.MX6Q处理器，可嵌入Linux系统，其网络通信性能较强，适用于车载通信系统的数据处理与双网卡的驱动与交互。该系统按照车载通信双网卡的结构设置有数据传输率较高的双MINIPCI-E接口，搭载支持IEEE802.11p标准协议的DCMA-86P2车际通信无线网卡和支持IEEE802.11b的AR5BHB92车域通信无线网卡，其网卡采用平行于底板的方式接入，并通过螺丝固定在底板上，降低车载网关结构的高度。
车载信息分析与控制系统的CPU采用四核Cortex-A9系统构架的Exynos4412处理器，可嵌入Linux操作系统，内置Mali-400MP图形处理器，拥有优越的图形处理能力。底板设置的两个USB接口分别连接车外摄像头与车内摄像头，并设有TF卡槽插入大容量存储卡，可扩充多达32G内存存储图像以协助对驾驶行为、行车路线的识别和分析。车载信息分析与控制系统中的车辆信息采集模块通过RS232接口将处理器与汽车总线相连接，通过对汽车总线协议的分析，从而获取行驶速度、油量信息、故障信息等相关车辆信息并进行分析和处理，实时显示在车主移动终端，并作为司机驾驶习惯分析和情感识别的数据依据；车辆智能控制是由车主移动终端利用车内无线wife局域网通过双系统多CPU通信架构对车门、车窗、油门、刹车等车辆设备实施半自动智能化控制，以及由车载辅助驾驶系统主动介入的全自动化控制。车载网关设置的两个监控串口分别用于对I.MX6Q处理器和Exynos4412处理器的内核程序进行操作。车载网关的预警采用蜂鸣器和移动终端双重预警方式，两个处理器通过外扩的GPIO接口直接驱动蜂鸣器，并根据具体的预警情况控制蜂鸣器执行不同程度的预警，移动终端对具体的预警信息进行分析和显示。
如图3至图8所示，本实施例中的系统外设电路主要包括双MINIPCI-E驱动电路、车载网关串口通信电路、车载网关TF卡外扩存储电路、车载网关双摄像头USB驱动电路、车载网关蜂鸣器预警驱动电路、车载网关电源电路等。
如图9所示，车载安全通信系统通过支持IEEE802.11p协议标准的DCMA-86P2网卡实现车与车安全通信，并在通信之前与待通信车辆实施双向认证，本通信方式有效地抵御了车辆自组网通信的Sybil攻击等多种类型攻击。具体的通信步骤如下：
步骤一：车辆进入车辆自组网范围，I.MX6Q处理器驱动DCMA-86P2无线网卡根据TCP/IP协议与RSU建立通信机制，将车辆身份信息和IP地址信息发送至RSU，RSU与远程可信的车辆管理中心通信对车辆进行注册，然后向车辆反馈注册信息，动态地分配会话密钥和假名。I.MX6Q处理器将会话密钥存储在内存中，使用动态分配的假名在该车辆自组网通信。
步骤二：I.MX6Q处理器驱动无线网卡，实时检测并及时发现邻近的车辆；如果检测到邻近车辆需要通信或者本车需要主动与邻近车辆通信时，待通信车辆通过车辆自组网的通信链路发送经过私钥加密(即签名)的假名和时间戳信息，本车载网关利用RSU广播的公开密钥解密信息，验证签名和时间戳信息，并利用RSU分发的会话密钥加密消息，发送至RSU。
步骤三：RSU利用会话密钥解密消息并根据假名信息对应的注册表验证车辆身份信息，并反馈加密的验证消息。
步骤四：如果步骤三所述的身份验证成功，则按照步骤二向待通信车辆验证本车辆的身份，从而实施身份的双向认证，否则拒绝通信。
步骤五：当上述双向身份认证成功后，正式建立邻近车辆之间可信的车辆自组网并进行音视频通信。
如图10所示，为充分实现车载网关的人机交互并保障车内wifi局域网通信的安全性，车主移动终端接入由AR5BHB92无线网卡建立的车内无线wifi局域网与I.MX6Q处理器通信之前，需要对局域网解密以及由I.MX6Q处理器对移动终端实施强安全认证。该实施方式也有效地防止黑客通过车内无线wifi局域网入侵车载网关，保障车内无线wifi局域网的安全通信，其车主移动终端强安全认证与车内wifi局域网通信建立的具体流程为：
步骤一：车主移动终端搜索车载网关建立的车内无线wifi局域网，并输入WPA2_AES密钥对局域网进行解密。
步骤二：移动终端连接局域网成功后，按照预先设定的身份认证协议形成待认证的身份信息数据包，并基于非对称密码算法加密数据包，通过连接的无线局域网向I.MX6Q处理器发送，请求认证。
步骤三：I.MX6Q处理器接收移动终端的加密待认证的数据包，根据认证协议利用私钥解密数据包并对其身份进行认证。
步骤四：如果I.MX6Q处理器对移动终端认证成功，将成功消息反馈于车主移动终端，允许正式建立局域网通信机制，并将其加入可信列表；如果认证不成功则拒绝连接建立，I.MX6Q处理器驱动蜂鸣器进行预警提示，并将该设备加入位于内存的黑名单列表禁止再次连接车内wifi无线局域网。
如图11和图12所示，车辆安全驾驶是在嵌入式开发平台对驾驶员进行驾驶行为分析以及行车路线识别。Exynos4412处理器嵌入Linux操作系统，在该系统中移植OpenCV，通过双USB驱动车内摄像头和车外摄像头分别对驾驶员的疲劳状态和行车路线偏移状况进行识别与分析，并及时预警，从而实现车辆的安全驾驶，其中基于OpenCV的驾驶员的疲劳状态检测与预警流程如下：
(1)驾驶员人脸图像获取与认证：Exynos4412处理器驱动车内摄像头获取驾驶员脸部状态的视频流，然后对视频流进行认证，并在认证通过的视频流中定时抓取一组图像帧序列，存储在TF卡中。
(2)人脸检测：基于Haar特征的AdaBoost算法，通过计算图像的Haar特征、人脸分类器筛选、确定人脸区域等过程识别人脸。
(3)图像预处理：通过灰度化、求直方图、直方图均衡化、中值滤波等过程对图形预处理从而获取RGB人脸图像的灰度图。
(4)人眼定位：对灰度图通过OTSU算法进行自适应的二值化处理，并基于灰度积分投影和Susan算子确定眼睛的精确位置。
(5)疲劳状态分析：提取人眼的PERCLOS参数，将该参数与设定的阀值进行对比，根据超过该阀值大小确定疲劳状态的程度。
(6)预警：根据疲劳状态的程度由Exynos4412处理器驱动蜂鸣器进行驾驶安全预警，通过COM口向I.MX6Q处理器发送预警信息，I.MX6Q处理器将具体的预警信息通过车内无线局域网传输至移动终端显示。
基于OpenCV的行车路线偏移状况识别与预警流程如下：
(1)车道图像获取与认证：通过安装在车外的摄像头获取前方的道路状况视频流，然后Exynos4412处理器对其实施认证，并在认证通过的视频流中定时抓取一组图像帧，存储在内存中。
(2)车道图像预处理：先后对车道图像实施灰度化、高斯模糊、连通域滤波等步骤，从而降低车道图像中噪点和干扰点。
(3)车道提取：车道的提取首先经过基于Canny算子运算提取边缘，然后利用霍夫变换对车道信息进行提取，最后进行车道拟合。
(4)行车路线偏移判断：Exynos4412处理器将车辆行驶的方向与步骤三提取的车道中心线的偏移距离进行计算分析。
(5)偏移预警：将计算得到的偏移距离与预先设定的阀值进行对比，当超过阀值时，Exynos4412处理器驱动蜂鸣器进行安全驾驶预警，并将预警信息通过COM口的TX管脚发送到I.MX6Q处理器处理，再将具体的预警信息通过无线局域网发送至移动终端及时地显示。
如图13所示，本发明在双系统多CPU之间实施信息传输与安全隔离。CPU1与CPU2之间的信息传输是通过COM口通信实现的。其具体流程如下：
步骤一：CPU2将采集的车辆信息和安全驾驶信息按照设定的数据协议进行处理，通过COM口的TX管脚经过一个单向开关发送至CPU1的COM口RX管脚，CPU1通过特定数据协议由COM口的TX管脚经过一个单向开关向CPU2发送相关车辆控制指令；
步骤二：CPU1和CPU2分别对从COM口接收的数据按照步骤一所述的数据协议实施双向认证；
步骤三：如果步骤二所述的双向数据认证通过，CPU1与CPU2继续执行数据的相关处理和操作；如果认证不通过，CPU1与CPU2分别驱动蜂鸣器发出特定的安全警报；
步骤四：除了上述步骤所述的数据认证的安全问题，如果CPU1受到其它形式的入侵或者攻击时，通过断开CPU1与CPU2之间的单向开关Key1和Key2对双系统实施硬隔离，切断车载安全通信系统与车载信息分析与控制系统的连接，阻止黑客对车载信息分析与控制系统的入侵，从而使入侵者无法获取车辆信息或者对车辆进行非法控制。
辅助驾驶车载网关实现了多网融合，集成了手机网络、卫星网络、以及新建VANET网络中的车-车网与车-路网，应用在低延迟、高可靠性的车联网通信与安全驾驶中，并在以下几个主要实施场景体现：
(1)针对高速驾驶车道偏离、视觉条件不佳时前方车辆检测和弯道以及遮挡处无法感知信息等状况，通过辅助驾驶车载网关进行行车路线(行车路线识别模块)精确识别，并通过与相关基础设施通信或者与前方车辆进行自组网交互，了解交通状况，保证驾驶安全。
(2)在司机醉驾、受伤或者疲劳打盹等失去驾驶能力时，由行车路线识别模块、驾驶行为分析模块、车辆信息采集模块和车辆智能控制模块构成面向主动安全的驾驶辅助车载协作机制发挥至关重要的作用，行车路线识别模块、驾驶行为分析模块以及车辆信息采集模块精确识别和分析驾驶员状态，车载网关驱动蜂鸣器和移动终端实施双重预警，这时车载网关需要主动介入，通过车辆智能控制模块直接控制车辆的辅助驾驶系统。
(3)车联网通信中，面向固定路线和专用长途运输的车队协同场景，车辆需要与邻近车辆以及交通基础设施进行安全可靠性通信，并保证车辆和用户的重要隐私信息不会泄露。
Claims (10)
1.一种面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：包括车载安全通信系统和车载信息分析与控制系统；
所述车载安全通信系统包括：由车际无线通信模块与车域无线通信模块构成的车载网关双无线网卡结构和车主移动终端，车载安全通信系统通过I.MX6Q处理器进行CPU1控制；所述车载信息分析与控制系统通过Exynos4412处理器进行CPU2控制，且包括行车路线识别模块、驾驶行为分析模块、车辆信息采集模块和车辆智能控制模块；
上述两个系统组成双系统多CPU架构的车载网关，且该车载网关的硬件底板上设有两个嵌入式CPU核心板和外设电路。
2.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车载网关硬件底板上还设有两个MINIPCI-E接口、两个单向开关、两个监控串口、两个USB接口、两个外扩GPIO蜂鸣器接口、一个RS232接口、TF卡接口以及电源接口与开关；
所述外设电路包括双MINIPCI-E驱动电路、车载网关串口通信电路、车载网关TF卡外扩存储电路、车载网关双摄像头USB驱动电路、车载网关蜂鸣器预警驱动电路以及车载网关电源电路；
所述I.MX6Q处理器和Exynos4412处理器实施多CPU控制，并且CPU1和CPU2之间使用COM口相互通信，通过板载的两个监控串口分别对相应的CPU内核程序进行操作。
3.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车际无线通信模块和车域无线通信模块分别使用支持标准协议为IEEE802.11p和IEEE802.11b的DCMA-86P2无线网卡与AR5BHB92无线网卡；两个车载无线网卡通过MINIPCI-E接口平行于底板接入，构成双网卡交互结构；
所述驾驶行为分析模块、行车路线识别模块分别在车内和车外设置双高清摄像头，通过USB接口与Exynos4412处理器相连接，实施驾驶员疲劳驾驶分析与预警、行车路线偏移分析与预警。
4.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车载安全通信系统所在硬件底板中的I.MX6Q处理器核心板包括：MMPF0100NPEP电源管理芯片、1GB的DDR3内存和8GBEMMC的FLASH；MINIPCI-E接口通过2:1多路复用器芯片ICS557GI-08与I.MX6Q处理器相连接，按照双无线网卡尺寸设置两个MINIPCI-E接口，并预留螺丝孔用于固定网卡；监控串口通过MAX322将TTL电平转换为RS232电平后与I.MX6Q处理器相连接对内核程序进行操作；蜂鸣器通过外扩的GPIO接口与核心处理器相连接。
5.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车载信息分析与控制系统所在硬件底板中的Exynos441核心控制板包括：S5M8767电源管理芯片、1GB的DDR3内存和SAMSUNGEMMC5.0系列KLMAG2GEAC-B031的FLASH；Exynos4412处理器与两个USB接口相连接，直接驱动与USB接口相连的双高清摄像头；COM1与COM2通过MAX3232芯片进行双通道电平转换，其中，COM1为监控串口用于内核程序操作，COM2为RS232外扩接口与汽车总线相连接；TF卡槽直接与处理器相连接可外扩多达32G存储空间；Exynos4412通过外扩的GPIO接口驱动蜂鸣器。
6.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车际无线通信模块实施车与车的自组网通信并在通信之前进行车辆身份的双向认证有效地抵御Sybil攻击，具体包括以下步骤：
步骤一：车辆进入车辆自组网覆盖区域时，I.MX6Q处理器驱动DCMA-86P2无线网卡根据TCP/IP协议与RSU建立通信机制，将车辆身份信息和IP地址信息发送至RSU，RSU与远程可信的车辆管理中心通信对车辆进行注册，然后向车辆反馈注册信息、动态地分配会话密钥和假名；I.MX6Q处理器将会话密钥和假名存储在内存中，并使用动态分配的假名在该车辆自组网通信；
步骤二：I.MX6Q处理器驱动无线网卡实时检测并及时发现临近的车辆；如果检测到邻近车辆需要通信或者本车需要主动与邻近车辆通信时，待通信车辆通过车辆自组网的通信链路发送经过私钥加密的假名和时间戳信息，本车载网关利用RSU广播的公开密钥解密信息，验证签名和时间戳，并利用RSU分发的会话密钥加密消息，发送至RSU；
步骤三：RSU利用会话密钥解密消息并根据假名信息对应的注册表验证车辆身份信息，并反馈利用会话密钥加密的验证消息；
步骤四：如果步骤三所述的身份验证成功，则按照步骤二通过RSU向待通信车辆验证本车辆的身份，从而实施车辆身份的双向认证，否则拒绝通信；
步骤五：当上述双向身份认证成功后，正式建立邻近车辆之间可信的车辆自组网并进行音视频通信。
7.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车主的移动终端接入由AR5BHB92无线网卡建立的车内无线wifi局域网与I.MX6Q处理器通信之前，需要对局域网解密以及由I.MX6Q处理器对移动终端实施强安全认证，其通信的具体流程为：
步骤一：车主移动终端搜索车内无线wifi局域网，并输入WPA2_AES密钥对局域网进行解密；
步骤二：移动终端连接局域网成功后，按照预先设定的身份认证协议形成待认证的身份信息数据包并基于非对称密码算法加密数据包，通过连接的无线局域网向I.MX6Q处理器发送，请求认证；
步骤三：I.MX6Q处理器接收移动终端的加密待认证的数据包，根据认证协议利用私钥解密数据包并对其身份进行认证；
步骤四：如果I.MX6Q处理器对移动终端认证成功，将成功消息反馈于车主移动终端，并将其加入可信列表，允许正式建立局域网通信机制；如果认证不成功则拒绝连接的建立，I.MX6Q处理器驱动蜂鸣器进行预警提示，并将该设备加入位于内存的黑名单列表禁止再次连接车内wifi局域网。
8.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车载网关通过COM口实现双CPU通信，并在双系统之间设立两个单向开关实施CPU之间的安全通信与硬隔离；CPU1的COM口RX与CPU2的COM口TX通过一个单向开关相连，CPU1的COM口TX与CPU2的COM口RX通过一个单向开关相连；CPU1与CPU2的安全通信与硬隔离过程如下：
步骤一：CPU2将获取的车辆信息和安全驾驶信息按照特定的数据通信协议进行处理，通过COM口的TX管脚经过一个单向开关发送至CPU1的RX管脚，CPU1通过特定数据协议对车辆控制指令进行处理，由COM口的TX管脚经过一个单向开关向CPU2的COM口RX发送；
步骤二：CPU1和CPU2分别对从COM口接收的数据按照步骤一所述的数据协议实施双向认证；
步骤三：如果步骤二所述的双向数据认证通过，CPU1与CPU2继续执行数据的相关处理操作；如果认证不通过，CPU1与CPU2分别驱动蜂鸣器发出特定的安全警报；
步骤四：除了上述步骤所述的数据认证的安全问题，如果CPU1受到其它形式的入侵或者攻击时，通过及时断开CPU1与CPU2之间的单向开关Key1和Key2对双系统实施硬隔离，切断车载安全通信系统与车载信息分析与控制系统的连接，阻止黑客对车载信息分析与控制系统的入侵，从而使入侵者无法获取车辆信息或者对车辆进行非法控制。
9.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述CPU2采用的Exynos4412处理器通过嵌入Linux操作系统，并在该系统中移植OpenCV，通过双USB驱动车内摄像头和车外摄像头分别对驾驶员的疲劳状态和行车路线偏移状况进行识别与分析，实现安全驾驶，其中基于OpenCV的驾驶员的疲劳状态检测与预警流程如下：
(1)驾驶员人脸图像获取与认证：Exynos4412处理器驱动车内摄像头获取驾驶员脸部状态的视频流，然后对视频流进行认证，并在认证通过的视频流中定时抓取一组图像帧序列，存储在TF卡中；
(2)人脸检测：基于Haar特征的AdaBoost算法，通过计算存储在TF卡中图像的Haar特征、人脸分类器筛选、确定人脸区域等过程识别人脸；
(3)图像预处理：通过灰度化、求直方图、直方图均衡化、中值滤波等过程对图形预处理从而获取RGB人脸图像的灰度图；
(4)人眼定位：对灰度图通过OTSU算法进行自适应的二值化处理，并基于灰度积分投影和Susan算子确定眼睛的精确位置；
(5)疲劳状态分析：提取人眼的PERCLOS参数，将该参数与设定的阀值进行对比，根据超过该阀值的大小确定疲劳状态的程度；
(6)预警：根据疲劳状态的程度由Exynos4412处理器驱动蜂鸣器进行驾驶安全预警，通过COM口向I.MX6Q处理器发送预警信息，I.MX6Q处理器将具体的预警信息通过车内无线wifi局域网传输至移动终端显示；
基于OpenCV的行车路线偏移状况识别与预警流程如下：
(I)车道图像获取与认证：通过安装在车外的摄像头获取前方的道路状况视频流，然后Exynos4412处理器对其实施认证，并在认证通过的视频流中定时抓取一组图像帧，存储在内存中；
(II)车道图像预处理：先后对车道图像实施灰度化、高斯模糊、连通域滤波等步骤，从而降低车道图像中的噪点和干扰点；
(III)车道提取：车道的提取首先经过基于Canny算子运算提取边缘，然后利用霍夫变换对车道信息进行提取，最后进行车道拟合；
(IV)行车路线偏移判断：Exynos4412处理器将车辆行驶的方向与步骤三中提取的车道中心线的偏移距离进行计算分析；
(V)偏移预警：将计算得到的偏移距离与预先设定的阀值进行对比，当超过阀值时，Exynos4412处理器驱动蜂鸣器进行驾驶安全预警，将预警信息通过COM口的TX管脚发送到I.MX6Q处理器，并将具体的预警信息通过车内无线wifi局域网显示在移动终端。
10.根据权利要求1所述的面向智能互联的多CPU硬隔离的辅助驾驶车载网关，其特征在于：所述车辆信息采集模块和车辆智能控制模块均通过RS232接口将处理器与汽车总线相连接；
其中，车辆信息采集模块对车辆行驶的速度、油耗、路程和故障信息数据进行存储和分析，并实施以下工作：通过双系统多CPU通信架构的数据协议认证后，将信息实时显示在车主移动终端，辅助司机驾驶车辆；对车辆行驶数据进一步分析，获取司机的驾驶行为习惯并进行情感识别，作为驾驶行为分析的重要组成部分；
所述车辆智能控制模块通过车主移动终端和双系统多CPU通信架构实施半自动辅助驾驶的车辆设备控制，并与行车路线识别模块、驾驶行为分析模块和车辆信息采集模块构成面向主动安全的驾驶辅助车载协作机制，实现驾驶人员所需要的超视距辅助信息感知和驾驶系统主动介入。
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