物聯網RFID技術之應用ETC系統

背景

       信息物理系統CPS經過集成先進的感知、計算、通 信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、 機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的複雜系統， 實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。咱們把信息物理系統定位爲支撐兩化深度融合的一套綜合技術體系，這套綜合技術體系包含硬件、軟件、網絡、工業雲等一系列信息通訊和自動控制技術， 這些技術的有機組合與應用，構建起一個可以將物實體和環境精準映射到信息空間並進行實時反饋的智能系統，做用於生產製造全過程、全產業鏈、產品全生命週期，重構製造業範式。

RFID（Radio Frequency Identification）

　　射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通訊技術，可經過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間創建機械或光學接觸。  RFID（射頻識別）技術的發明人查理·沃爾頓（Charlie Walton）已經2011年過世. RFID技術已經在咱們生活中普遍的應用．今天咱們來說一下高速公路上的ETC．

RFID標籤分爲被動、半被動（也稱做半主動）、主動三類。

被動式
被動式標籤沒有內部供電電源。其內部集成電路經過接收到的電磁波進行驅動，這些電磁波是由RFID讀寫器發出的。當標籤接收到足夠強度的訊號時，能夠向讀寫器發出數據。這些數據不只包括ID號（全球惟一標示ID），還能夠包括預先存在於標籤內EEPROM中的數據。
因爲被動式標籤具備價格低廉，體積小巧，無需電源的優勢。市場的RFID標籤主要是被動式的。

半主動式
通常而言，被動式標籤的天線有兩個任務，第一：接收讀寫器所發出的電磁波，藉以驅動標籤IC；第二：標籤回傳信號時，須要靠天線的阻抗做切換，才能產生0與1的變化。問題是，想要有最好的回傳效率的話，天線阻抗必須設計在「開路與短路」，這樣又會使信號徹底反射，沒法被標籤IC接收，半主動式標籤就是爲了解決這樣的問題。半主動式相似於被動式，不過它多了一個小型電池，電力剛好能夠驅動標籤IC，使得IC處於工做的狀態。這樣的好處在於，天線能夠不用管接收電磁波的任務，充分做爲回傳信號之用。比起被動式，半主動式有更快的反應速度，更好的效率。

主動式
與被動式和半主動式不一樣的是，主動式標籤自己具備內部電源供應器，用以供應內部IC所需電源以產生對外的訊號。通常來講，主動式標籤擁有較長的讀取距離和較大的記憶體容量能夠用來儲存讀寫器所傳送來的一些附加訊息。
射頻識別技術包括了一整套信息技術基礎設施，包括：
射頻識別標籤，又稱射頻標籤、電子標籤，主要由存有識別代碼的大規模集成線路芯片和收發天線構成，主要爲無源式，使用時的電能取自天線接收到的無線電波能量；射頻識別讀寫設備以及 與相應的信息服務系統，如進存銷系統的聯網等。
將射頻識別技術與條碼（Barcode）技術相互比較，射頻類別擁有許多優勢，如：
可容納較多容量、通信距離長、難以複製、對環境變化有較高的忍受能、可同時讀取多個標籤等。
相對地有缺點，就是建置成本較高。不過透過該技術的大量使用，生產成本就可大幅下降。

主動式標籤與被動式標籤的特徵

ETC系統概述

　　 　主動標籤傳輸距離遠須要電源的.  按標籤特色ETC中安裝在車輛上是主動式. 那事實的確是這樣的. 在車輛自動識別技術的發展過程當中，實驗和實施了多種不一樣的自動識別技術，如感應線圈識別技術、聲表面波識別技術、條形碼識別技術、紅外通訊識別技術和射頻識別技術等，但最終主流歸結到採用射頻識別技術做爲ETC系統的車輛自動識別技術。 ETC系統，即一般所說的不停車收費系統，它是以現代通訊技術、電子技術、自動控制技術、計算機和網絡技術等高新技術爲主導，實現車輛不停車自動收費的智能交通電子系統。該系統經過路側天線與車載電子標籤之間的專用短程通訊，進行車輛自動識別和有關收費數據的交換，經過計算機網絡對收費數據進行處理，實現不停車自動收費的全電子收費管理系統。射頻識別系統是利用安裝在車內的射頻卡(無線電收發裝置)存儲車輛編號及相關信息，安裝在車道的射頻天線可與該無線電收發裝置以專用短程通訊(DSRC)方式交換信息，並對其存儲內容進行讀寫操做，從而識別出當前通行車輛。 不停車收費系統有三個主要特色，不停車、無人操做和無現金交易。ETC技術在國外已有較長的發展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區的電子收費系統已經局部聯網並造成規模效益。目前，關東高速已全面實現了ETC收費，只保留部分車道進行ETC和半自動混合收費。絕大部分的商業運營車輛已經裝備了ETC車載單元，我國不少地區已經開始使用ETC系統對高速公路收費管理系統進行升級。

ETC原理

ETC 系統是經過安裝於車輛上的車載單元 (On Board Unit，OBU) 和安裝在收費站車道上的路邊單元 (Road Side Unit，RSU) 之間進行無線通訊和信息交換，整個系統主要由 RSU 和 OBU 設備、中心管理系統和其餘輔助設施組成。OBU 中存有車輛的識別信息，通常安裝於車輛前面的擋風玻璃上，中國標準的 OBU 採用雙片式結構，OBU 硬件完成無線通訊功能，供電方式有鋰電池、太陽能.  涉及電子支付的功能由智能 IC 卡實現，RSU 安裝於收費站，中心管理系統有大型數據庫，存儲大量註冊車輛和用戶的信息。當車輛經過收費站口時，RSU 發出詢問信號，OBU 作出響應，並進行雙向通訊和數據交換，中心管理系統獲取車輛識別信息，根據不一樣狀況來控制管理系統產生不一樣的動做，如計算機收費管理系統從該車的預付款項帳戶中扣除這次應交的過路費，或送出指令給其它輔助設施工做，例如違章車輛攝像系統，自動控制欄杆或其它設施。

咱們安裝在車上真實的OBU

收費站中RSU

ETC系統是經過遠距離、非接觸採集射頻卡的信息，實現車輛在快速移動狀態下的自動識別從而實現目標的自動化管理。目前，該系統的要求是，遠距離讀卡器能識讀至少十米的距離。因爲技術要求和實際狀況的不一樣，所採用的讀卡器的型號也不一樣。在我國選用5.8 GHz頻段具備以下優勢：首先，我國通訊系統標準體系靠近歐洲標準體系，無線電頻率資源的分配大體相同。其次，5.8 GHz頻段背景噪聲小，並且解決該頻段的干擾和抗干擾問題要比解抉915 MHz，2.45 GHz容易。再次，5.8 GHz頻段的設備供應商較多，有利於我國ETC系統的設備引進，有利於下降系統成本，也有利於未來開展智能運輸系統領域的其餘服務。

ETC 國標的協議架構

ETC 系統的總體架構，包括物理層，數據鏈路層和應用層。物理層實現無線通訊信號的發射和接收。數據鏈路層包含 MAC 子層和 LLC 子層。MAC 子層實現 RSU 對 OBU 的識別和訪問控制。ETC 的 MAC 地址分爲廣播 MAC 地址和專用 MAC 地址，廣播 MAC 地址爲 32 位全「1」比特，用於 RSU 傳送公共信息給全部 OBU，專用MAC 地址爲 32 位非全「1」比特，用於 RSU 與 OBU 進行點對點通訊。MAC 層功能經過 1 個字節的 MAC 控制字實現，能夠指示發送的數據幀是上行鏈路仍是下行鏈路(b7，D/U)，是否存在有效載菏 LPDU (b6，L)，數據性質是命令仍是響應 (b5，C/R)，是廣播信息仍是創建專用鏈路 (b4，Q)。LLC 子層實現協議數據單元 PDU 的傳送和接收，差錯控制與差錯恢復等。LLC 子層有 2 種控制方式，即不確認無鏈接方式和確認無鏈接方式，前者用於廣播公共信息，後者用於 RSU 與 OBU 進行點對點通訊。應用層包含 B-KE，I-KE 和 T-KE 實體，B-KE 實現公共信息廣播，I-KE 實現 RSU 與 OBU 的通訊初始化，T-KE 實現 RSU 與OBU 之間的數據交換，例如各類交易流程。

ETC 的初始化流程

● RSU 不斷髮送攜帶喚醒信號的 BST 信號，喚醒信號由
  15-17 個週期 14 KHz 方波構成
● OBU 被喚醒，加電工做
● OBU 接收到 BST 信號，向 RSU 發送 VST 信號

ETC 的典型交易流程 (以經常使用的儲值交易流程爲例)

● RSU 與 OBU 首先經過 BST/VST 正常完成初始化
● 經過 OBU 的 MAC 地址創建點對點通訊
● RSU 讀取 OBU 的車輛信息
● RSU 將獲取的信息傳送給車道計算機驗證信息合法性
● RSU 從 OBU 的 IC 卡獲取信息，例如入口信息，並傳送給車道計算機
● 車道計算機計算費額，從 OBU 的 IC 卡中扣除費額
● 車道計算機造成交易記錄，經過 RSU 寫入 OBU
● 交易完成，OBU 回到睡眠狀態

標準

國內的標準是 GB/T 20851

● ENV 12253 Road transport and traffic telematics-Dedicated short-range communication-Physical layer using microwave at 5,8 GHz
● ETSI EN 300 674-1 Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Road Transport and Traffic Telematics (RTTT); Dedicated Short Range Communication (DSRC) transmission equipment (500 kbit/s/250 kbit/s) operating in the 5,8 GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) band; Part 1: General characteristics and test methodsfor Road Side Units (RSU) and On-Board Units (OBU)

Summary

     今天咱們簡單介紹了物聯網RFID技術之應用ETC系統. 不少有趣的事物就在咱們身邊, 多去想一想他們的原理, 都有所收穫.

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今天先到這兒，但願對您技術領導力， 企業管理，物聯網,  系統架構設計與評估，團隊管理, 項目管理, 產品管理,團隊建設 有參考做用 , 您可能感興趣的文章:
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做者：Petter Liu
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