物聯網技術在汽車電子設備中的應用研究

摘要：針對物聯網技術在汽車電子設備應用中面臨的挑戰，分析了異構網絡協議兼容性、數據傳輸帶寬受限、網絡安全防護缺陷、能耗與散熱管理困難等關鍵問題，并從統一車載通信協議標準、升級車載數據傳輸網絡、構建多層次安全防護體系、開展智能節能與熱管理優化等方面提出了相應的實施策略與優化路徑，以期為車聯網的發展提供參考。

關鍵詞：物聯網；汽車電子；車聯網；智能網聯汽車

中圖分類號：U461? 收稿日期：2024-03-25

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405026

1 前言

隨著物聯網技術的迅猛發展，越來越多的電子設備實現了互聯互通。作為現代社會的重要組成部分，汽車電子設備也開始廣泛采用物聯網技術，以提升駕駛體驗、保障行車安全。然而，受限于汽車所處環境的特殊性，物聯網技術在汽車電子設備中的應用仍面臨諸多挑戰。本文概述了物聯網技術與汽車電子設備發展現狀，系統分析了物聯網技術在汽車領域應用所面臨的關鍵問題，并提出了相應的實施策略與優化路徑，研究結論為車聯網產業發展提供依據。

2 物聯網技術概述與汽車電子設備發展現狀

物聯網（Internet of Things，IoT）技術通過將傳感器、執行器、通信模塊等嵌入式設備與互聯網相連，實現了對物理世界的感知、互聯與控制。根據Gartner的統計，2021年全球物聯網連接數已達到124億，預計到2030年將突破300億大關[1]。物聯網技術在汽車電子設備領域得到了廣泛應用，一方面，車載傳感器可以實時采集車速、加速度、輪胎壓力等多源異構數據，經過CAN總線傳輸至車載電子控制單元進行融合處理，再通過4G/5G、WiFi等無線通信技術上傳至云端平臺進行大數據分析，形成車輛健康狀態報告與預測性維護策略，大幅提升了汽車的安全性與可靠性；另一方面，物聯網技術促進了車載信息娛樂系統的發展，集成了導航、多媒體播放、語音交互等功能，并支持OTA遠程升級，極大地豐富了駕乘體驗。表1總結了典型車規級物聯網通信協議的關鍵技術指標。然而，受限于汽車所處環境的特殊性，物聯網技術在汽車電子設備中的應用仍面臨諸多挑戰，亟需從多方面入手予以優化和改進。

3 物聯網技術在汽車電子設備應用中的挑戰

31 異構網絡協議兼容性挑戰

汽車電子設備采用了多種異構網絡協議，如控制器局域網絡（CAN）、局域互聯網絡（LIN）、FlexRay、媒體導向系統傳輸（MOST）等，它們在傳輸速率、網絡拓撲、節點數量等方面存在顯著差異。例如，CAN總線數據傳輸速率可達1 Mbps，支持多主機通信，而LIN網絡速率僅為20 kbps，采用主從式架構[2]。協議的多樣性導致車載設備間的互操作性和兼容性難以保證，不同協議的報文格式、編碼方式、優先級機制等存在沖突，增加了網關設計與數據解析的復雜度。表2列舉了主要車載網絡協議的特性差異。

32 車載數據傳輸帶寬受限

隨著汽車電子設備的不斷發展，車載網絡需要傳輸的數據量呈指數增長。以自動駕駛系統為例，單個激光雷達每秒產生的數據量可達數百萬字節，多個高清攝像頭的視頻流傳輸速率更是高達數百兆比特每秒。然而，受限于成本、布線空間、電磁兼容性等因素，當前主流的車載網絡協議如CAN、LIN等的數據傳輸帶寬十分有限，難以滿足數據密集型應用的需求。

即使是專為高帶寬應用設計的FlexRay，其最大傳輸速率也僅為10 Mbps，與百兆以太網相比仍有數量級的差距[3]。帶寬瓶頸制約了先進駕駛輔助系統（ADAS）、車載信息娛樂系統等數據密集型應用的性能提升，導致感知、決策、控制等任務的實時性和準確性難以保證，進而影響了自動駕駛、車路協同等新興場景下的功能安全。

33 車載系統網絡安全防護缺陷

車載電子設備通過無線網絡實現互聯，其網絡安全風險急劇增加。一方面，車載以太網采用了標準的TCP/IP協議棧，易受到網絡層面的攻擊，如DoS攻擊可導致車載網絡癱瘓；另一方面，車載操作系統多基于Linux內核，存在眾多已知漏洞，攻擊者可利用緩沖區溢出等漏洞實現遠程代碼執行，甚至完全控制車輛。以Jeep Cherokee為例，研究人員通過蜂窩網絡遠程攻擊其車載信息娛樂系統，成功切斷傳輸、剎車等關鍵系統，引發安全事故[2]。

根據IHS Markit的報告，全球汽車網絡安全市場規模將從2021年的76億美元增長到2031年的126億美元[4]，凸顯了車載系統網絡安全防護的迫切性。然而，傳統IT領域的安全防護手段難以直接應用于車載場景，受限于車載電子設備的計算、存儲和能耗限制，入侵檢測、異常行為分析、密碼認證等安全機制的實現難度大幅提升。車載系統缺乏縱深防御能力，難以有效抵御日益增長的網絡安全威脅。

34 車載設備能耗與散熱管理困難

車載電子設備的功能日益豐富，其能耗與散熱問題日漸突出。以自動駕駛域控制器為例，英偉達（NVIDIA）推出的DRIVE AGX Pegasus平臺采用了雙Xavier SoC和雙Turing GPU，峰值功耗高達500 W[4]，遠超傳統車載ECU的功耗水平。高功耗不僅縮短了車輛的續航里程，也對車載電源系統提出了更高的要求。此外，車載設備的工作環境惡劣，溫度范圍可達-40～+85 ℃，而芯片、電容等元器件的可靠性對溫度高度敏感。以英飛凌的AURIX TC397系列MCU為例，其結溫高于150 ℃時，故障率將提高一個數量級[5]。傳統的風冷、液冷方式難以有效抑制車載設備的溫升，而高溫環境下元器件加速老化，最終導致設備的可靠性與壽命大幅降低。

4 物聯網技術實施策略與優化路徑

41 統一車載通信協議標準規范

針對車載異構網絡協議兼容性挑戰，亟需制定統一的車載通信協議標準規范。具體而言，可采用分層設計思路，在物理層、數據鏈路層、網絡層等不同層面定義統一的接口與服務質量（QoS）要求。在物理層，可規定采用雙絞線、同軸電纜等標準傳輸介質，并規定統一的傳輸速率、編碼方式、調制解調技術等參數；在數據鏈路層，可規定統一的數據幀格式、尋址方式、介質訪問控制（MAC）機制等，保證不同協議的數據幀能夠在同一物理信道上傳輸；在網絡層，可規定統一的路由尋址、流量控制、擁塞控制等機制，實現不同協議網絡的互聯互通。

在此基礎上，還可借鑒TCP/IP協議棧的設計理念，采用協議翻譯網關實現異構協議的無縫轉換。例如，可設計CAN-Ethernet網關，將CAN總線數據幀封裝在以太網數據幀中進行傳輸，同時將以太網數據幀解封裝為CAN數據幀供車載ECU處理，實現CAN網絡與以太網的互通。類似地，還可設計FlexRay-Ethernet、LIN-Ethernet等網關，最終實現不同車載網絡協議的融合貫通。基于統一的通信協議標準，可顯著降低車載異構網絡的集成難度，提高通信效率和可靠性，為車聯網應用奠定堅實基礎。

42 車載數據傳輸網絡升級方案

為解決車載數據傳輸帶寬受限問題，需要系統性地升級車載數據傳輸網絡。

a.可采用基于以太網的車載網絡架構，利用其固有的高帶寬、低成本、易擴展等優勢，顯著提升車載網絡的數據傳輸能力。例如，采用100BASE-T1標準，可在單根雙絞線上提供100 Mbps的傳輸速率，滿足多路高清視頻流的同步傳輸需求。

b.可引入基于IP的車載網絡協議，如汽車以太網AVB（Audio Video Bridging）協議，通過定義精確時間同步（IEEE 8021AS）、流量整形（IEEE 8021Qav）、預留傳輸帶寬（IEEE 8021Qat）等機制，保證多媒體數據的低延遲、低抖動傳輸。

c.針對控制類應用對確定性延遲的苛刻要求，可采用基于時間敏感網絡（TSN）的車載以太網方案。TSN通過定義時間感知整形（IEEE 8021Qbv）、幀搶占（IEEE 8021Qbu）、冗余管理（IEEE 8021CB）等技術，實現毫秒級端到端通信延遲，顯著提升車載控制網絡的實時性。

d.面向自動駕駛等數據密集型應用，可部署車載光纖網絡，利用波分復用（WDM）技術在單根光纖上多路復用數十乃至上百路10 Gbps量級的數據流，從而充分釋放光纖通信的帶寬潛力。基于軟件定義網絡（SDN）架構，還可實現網絡資源的靈活配置與優化，最大限度地滿足動態變化的業務需求。

43 車載系統安全防護體系構建

針對車載系統網絡安全防護缺陷，需要構建縱深防御、多層次的安全防護體系。

a.在網絡接入層面，可采用基于硬件的安全網關，利用片上系統（SoC）集成防火墻、入侵檢測、數據加密等多種安全功能，對車內外網絡流量進行深度安全審計，有效防范網絡層面的攻擊。在操作系統層面，可采用基于ARM TrustZone、Intel SGX等可信執行環境（TEE）技術的安全加固方案，實現安全啟動、安全存儲、運行時完整性保護等關鍵安全功能，防止惡意代碼篡改關鍵數據與程序邏輯。

b.在應用軟件層面，可引入形式化驗證方法，通過對軟件代碼進行數學化建模分析，嚴格證明其符合預定的安全性與功能性需求，從源頭上消除潛在的軟件漏洞，提升車載應用的本質安全性。同時，還可借助可信虛擬機監視器（Hypervisor）技術，在軟硬件協同的基礎上實現車載系統不同安全等級域的可信隔離，防止低安全域應用（如信息娛樂系統）對高安全域（如駕駛控制系統）的非法訪問。

c.在安全管理層面，可構建車載PKI體系，采用符合AUTOSAR標準的安全通信模塊（SecOC），實現車內外設備的可信身份認證、完整性校驗、安全通信等，并支持安全密鑰的空中下發（OTA）與更新，提升車載系統應對新型安全威脅的動態防御能力。

44 智能節能與熱管理優化方案

應對車載設備能耗與散熱管理困難問題，可從芯片、器件、系統等多個層面入手，開展智能節能與熱管理優化。

a.在芯片層面，可采用先進的FinFET、FDSOI等工藝制程，在保證高性能的同時顯著降低芯片的漏電功耗。可以同時引入多種細致的動態功耗管理機制，如多Vt（閾值電壓）、多VDD（供電電壓）、時鐘門控和電源門控等。根據車載電子設備的工作負載實時調整芯片的電壓和頻率，以最大限度地降低動態功耗。

b.在器件層面，可采用寬禁帶半導體材料如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等，大幅提升車載電源、電機驅動等功率器件的轉換效率與工作溫度上限。

c.在系統層面，可構建多物理場耦合的電－熱－力學仿真分析平臺，對車載設備的功耗、溫度場、氣流場等進行精準建模，并據此優化散熱結構、風道布局等，有效提升散熱效率。同時，還可研發集成溫度、濕度、氣壓等多種傳感器的智能熱管理單元，實時感知車載設備所處的環境參數，并結合機器學習算法對未來的功耗、溫度趨勢進行預測，從而前瞻性地調整散熱策略，將設備溫度控制在最優區間。

此外，還可探索相變材料、熱超導材料、合金材料等新型散熱材料在車載電子散熱領域的創新應用，通過材料結構與性能的優化設計，顯著增強其導熱性與熱容量，進而提升車載物聯網設備的散熱能力。

5 結語

物聯網技術在汽車電子設備中的應用面臨異構網絡協議兼容性、數據傳輸帶寬受限、網絡安全防護缺陷、能耗與散熱管理困難等諸多挑戰。為此，需要從多方面入手予以優化和改進。通過制定統一的車載通信協議標準，升級車載數據傳輸網絡，構建多層次的安全防護體系，開展智能節能與熱管理優化，可有效解決上述技術瓶頸，加速物聯網技術在汽車電子領域的創新應用。隨著5G、人工智能等新一代信息技術的深入發展，物聯網技術與汽車電子的深度融合將進一步拓展車聯網、自動駕駛等應用場景，對于提升交通效率、改善出行安全、促進汽車產業轉型升級具有重要意義。

參考文獻：

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[3]梁野，張賀，陳杰，等基于工業物聯網技術的汽車發動機廠智慧能源管理研究[J]智能制造，2023（6）：56-60

[4]高娟，張俊，許修行基于物聯網技術的新能源車輛智慧消防系統研究[J]青島職業技術學院學報，2023，36（6）：31-36

[5]周祺濠面向物聯網的分布式安全機制及關鍵技術研究[D]北京：北京郵電大學，2023

作者簡介：

高勇，男，1988年生，助教，研究方向為汽車電工電子技術。