物联网RFID技术之应用ETC系统

背景

信息物理系统CPS通过集成先进的感知、计算、通 信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、 机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统， 实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。我们把信息物理系统定位为支撑两化深度融合的一套综合技术体系，这套综合技术体系包含硬件、软件、网络、工业云等一系列信息通信和自动控制技术， 这些技术的有机组合与应用，构建起一个能够将物实体和环境精准映射到信息空间并进行实时反馈的智能系统，作用于生产制造全过程、全产业链、产品全生命周期，重构制造业范式。

RFID（Radio Frequency Identification）

　　射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。  RFID（射频识别）技术的发明人查理·沃尔顿（Charlie Walton）已经2011年过世. RFID技术已经在我们生活中广泛的应用．今天我们来讲一下高速公路上的ETC．

RFID标签分为被动、半被动（也称作半主动）、主动三类。


被动式

被动式标签没有内部供电电源。其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读写器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读写器发出数据。这些数据不仅包括ID号（全球唯一标示ID），还可以包括预先存在于标签内EEPROM中的数据。

由于被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。市场的RFID标签主要是被动式的。


半主动式

一般而言，被动式标签的天线有两个任务，第一：接收读写器所发出的电磁波，藉以驱动标签IC；第二：标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生0与1的变化。问题是，想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在“开路与短路”，这样又会使信号完全反射，无法被标签IC接收，半主动式标签就是为了解决这样的问题。半主动式类似于被动式，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作的状态。这样的好处在于，天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。比起被动式，半主动式有更快的反应速度，更好的效率。


主动式

与被动式和半主动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部IC所需电源以产生对外的讯号。一般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量可以用来储存读写器所传送来的一些附加讯息。

射频识别技术包括了一整套信息技术基础设施，包括：

射频识别标签，又称射频标签、电子标签，主要由存有识别代码的大规模集成线路芯片和收发天线构成，主要为无源式，使用时的电能取自天线接收到的无线电波能量；射频识别读写设备以及 与相应的信息服务系统，如进存销系统的联网等。

将射频识别技术与条码（Barcode）技术相互比较，射频类别拥有许多优点，如：

可容纳较多容量、通讯距离长、难以复制、对环境变化有较高的忍受能、可同时读取多个标签等。

相对地有缺点，就是建置成本较高。不过透过该技术的大量使用，生产成本就可大幅降低。

主动式标签与被动式标签的特征

ETC系统概述

　　 　主动标签传输距离远需要电源的.  按标签特点ETC中安装在车辆上是主动式. 那事实的确是这样的. 在车辆自动识别技术的发展过程中，实验和实施了多种不同的自动识别技术，如感应线圈识别技术、声表面波识别技术、条形码识别技术、红外通信识别技术和射频识别技术等，但最终主流归结到采用射频识别技术作为ETC系统的车辆自动识别技术。
ETC系统，即通常所说的不停车收费系统，它是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。该系统通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通信，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网络对收费数据进行处理，实现不停车自动收费的全电子收费管理系统。射频识别系统是利用安装在车内的射频卡(无线电收发装置)存储车辆编号及相关信息，安装在车道的射频天线可与该无线电收发装置以专用短程通信(DSRC)方式交换信息，并对其存储内容进行读写操作，从而识别出当前通行车辆。
不停车收费系统有三个主要特点，不停车、无人操作和无现金交易。ETC技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和地区的电子收费系统已经局部联网并形成规模效益。目前，关东高速已全面实现了ETC收费，只保留部分车道进行ETC和半自动混合收费。绝大部分的商业运营车辆已经装备了ETC车载单元，我国很多地区已经开始使用ETC系统对高速公路收费管理系统进行升级。

ETC原理

ETC 系统是通过安装于车辆上的车载单元 (On Board Unit，OBU) 和安装在收费站车道上的路边单元 (Road Side Unit，RSU) 之间进行无线通信和信息交换，整个系统主要由 RSU 和 OBU 设备、中心管理系统和其他辅助设施组成。OBU 中存有车辆的识别信息，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，中国标准的 OBU 采用双片式结构，OBU 硬件完成无线通信功能，供电方式有锂电池、太阳能.  涉及电子支付的功能由智能 IC 卡实现，RSU 安装于收费站，中心管理系统有大型数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。当车辆通过收费站口时，RSU 发出询问信号，OBU 做出响应，并进行双向通信和数据交换，中心管理系统获取车辆识别信息，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，或送出指令给其它辅助设施工作，例如违章车辆摄像系统，自动控制栏杆或其它设施。

我们安装在车上真实的OBU

收费站中RSU

ETC系统是通过远距离、非接触采集射频卡的信息，实现车辆在快速移动状态下的自动识别从而实现目标的自动化管理。目前，该系统的要求是，远距离读卡器能识读至少十米的距离。由于技术要求和实际情况的不同，所采用的读卡器的型号也不同。在我国选用5.8 GHz频段具有如下优点：首先，我国通信系统标准体系靠近欧洲标准体系，无线电频率资源的分配大致相同。其次，5.8 GHz频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比解抉915 MHz，2.45 GHz容易。再次，5.8 GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本，也有利于将来开展智能运输系统领域的其他服务。

ETC 国标的协议架构

ETC 系统的整体架构，包括物理层，数据链路层和应用层。物理层实现无线通信信号的发射和接收。数据链路层包含 MAC 子层和 LLC 子层。MAC 子层实现 RSU 对 OBU 的识别和访问控制。ETC 的 MAC 地址分为广播 MAC 地址和专用 MAC 地址，广播 MAC 地址为 32 位全“1”比特，用于 RSU 传送公共信息给所有 OBU，专用MAC 地址为 32 位非全“1”比特，用于 RSU 与 OBU 进行点对点通信。MAC 层功能通过 1 个字节的 MAC 控制字实现，可以指示发送的数据帧是上行链路还是下行链路(b7，D/U)，是否存在有效载菏 LPDU (b6，L)，数据性质是命令还是响应 (b5，C/R)，是广播信息还是建立专用链路 (b4，Q)。LLC 子层实现协议数据单元 PDU 的传送和接收，差错控制与差错恢复等。LLC 子层有 2 种控制方式，即不确认无连接方式和确认无连接方式，前者用于广播公共信息，后者用于 RSU 与 OBU 进行点对点通信。应用层包含 B-KE，I-KE 和 T-KE 实体，B-KE 实现公共信息广播，I-KE 实现 RSU 与 OBU 的通信初始化，T-KE 实现 RSU 与OBU 之间的数据交换，例如各种交易流程。

ETC 的初始化流程

● RSU 不断发送携带唤醒信号的 BST 信号，唤醒信号由
  15-17 个周期 14 KHz 方波构成

● OBU 被唤醒，加电工作

● OBU 接收到 BST 信号，向 RSU 发送 VST 信号

ETC 的典型交易流程 (以常用的储值交易流程为例)

● RSU 与 OBU 首先通过 BST/VST 正常完成初始化

● 通过 OBU 的 MAC 地址建立点对点通信

● RSU 读取 OBU 的车辆信息

● RSU 将获取的信息传送给车道计算机验证信息合法性

● RSU 从 OBU 的 IC 卡获取信息，例如入口信息，并传送给车道计算机

● 车道计算机计算费额，从 OBU 的 IC 卡中扣除费额

● 车道计算机形成交易记录，通过 RSU 写入 OBU

● 交易完成，OBU 回到睡眠状态

标准

国内的标准是 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

今天我们简单介绍了物联网RFID技术之应用ETC系统. 很多有趣的事物就在我们身边, 多去想想他们的原理, 都有所收获.

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作者：Petter Liu
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