物聯網RFID技術之應用ETC系統
背景
信息物理系統CPS通過集成先進的感知、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、高效協同的復雜系統， 實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速叠代、動態優化。我們把信息物理系統定位為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信和自動控制技術， 這些技術的有機組合與應用，構建起一個能夠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，作用於生產制造全過程、全產業鏈、產品全生命周期，重構制造業範式。
RFID（Radio Frequency Identification）
射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通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建立機械或光學接觸。 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技術已經在我們生活中廣泛的應用．今天我們來講一下高速公路上的ETC．
RFID標簽分為被動、半被動（也稱作半主動）、主動三類。
被動式
被動式標簽沒有內部供電電源。其內部集成電路通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。當標簽接收到足夠強度的訊號時，可以向讀寫器發出數據。這些數據不僅包括ID號（全球唯一標示ID），還可以包括預先存在於標簽內EEPROM中的數據。
由於被動式標簽具有價格低廉，體積小巧，無需電源的優點。市場的RFID標簽主要是被動式的。
半主動式
一般而言，被動式標簽的天線有兩個任務，第一：接收讀寫器所發出的電磁波，藉以驅動標簽IC；第二：標簽回傳信號時，需要靠天線的阻抗作切換，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”，這樣又會使信號完全反射，無法被標簽IC接收，半主動式標簽就是為了解決這樣的問題。半主動式類似於被動式，不過它多了一個小型電池，電力恰好可以驅動標簽IC，使得IC處於工作的狀態。這樣的好處在於，天線可以不用管接收電磁波的任務，充分作為回傳信號之用。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同的是，主動式標簽本身具有內部電源供應器，用以供應內部IC所需電源以產生對外的訊號。一般來說，主動式標簽擁有較長的讀取距離和較大的記憶體容量可以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：
射頻識別標簽，又稱射頻標簽、電子標簽，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，主要為無源式，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點，如：
可容納較多容量、通訊距離長、難以復制、對環境變化有較高的忍受能、可同時讀取多個標簽等。
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，生產成本就可大幅降低。
主動式標簽與被動式標簽的特征
ETC系統概述
主動標簽傳輸距離遠需要電源的. 按標簽特點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中，實驗和實施了多種不同的自動識別技術，如感應線圈識別技術、聲表面波識別技術、條形碼識別技術、紅外通信識別技術和射頻識別技術等，但最終主流歸結到采用射頻識別技術作為ETC系統的車輛自動識別技術。 ETC系統，即通常所說的不停車收費系統，它是以現代通信技術、電子技術、自動控制技術、計算機和網絡技術等高新技術為主導，實現車輛不停車自動收費的智能交通電子系統。該系統通過路側天線與車載電子標簽之間的專用短程通信，進行車輛自動識別和有關收費數據的交換，通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信(DSRC)方式交換信息，並對其存儲內容進行讀寫操作，從而識別出當前通行車輛。 不停車收費系統有三個主要特點，不停車、無人操作和無現金交易。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形成規模效益。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，我國很多地區已經開始使用ETC系統對高速公路收費管理系統進行升級。
ETC原理
ETC 系統是通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) 之間進行無線通信和信息交換，整個系統主要由 RSU 和 OBU 設備、中心管理系統和其他輔助設施組成。OBU 中存有車輛的識別信息，一般安裝於車輛前面的擋風玻璃上，中國標準的 OBU 采用雙片式結構，OBU 硬件完成無線通信功能，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。當車輛通過收費站口時，RSU 發出詢問信號，OBU 做出響應，並進行雙向通信和數據交換，中心管理系統獲取車輛識別信息，根據不同情況來控制管理系統產生不同的動作，如計算機收費管理系統從該車的預付款項賬戶中扣除此次應交的過路費，或送出指令給其它輔助設施工作，例如違章車輛攝像系統，自動控制欄桿或其它設施。
我們安裝在車上真實的OBU
收費站中RSU
ETC系統是通過遠距離、非接觸采集射頻卡的信息，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。由於技術要求和實際情況的不同，所采用的讀卡器的型號也不同。在我國選用5.8 GHz頻段具有如下優點：首先，我國通信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致相同。其次，5.8 GHz頻段背景噪聲小，而且解決該頻段的幹擾和抗幹擾問題要比解抉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，有利於降低系統成本，也有利於將來開展智能運輸系統領域的其他服務。
ETC 國標的協議架構
ETC 系統的整體架構，包括物理層，數據鏈路層和應用層。物理層實現無線通信信號的發射和接收。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 地址分為廣播 MAC 地址和專用 MAC 地址，廣播 MAC 地址為 32 位全“1”比特，用於 RSU 傳送公共信息給所有 OBU，專用MAC 地址為 32 位非全“1”比特，用於 RSU 與 OBU 進行點對點通信。MAC 層功能通過 1 個字節的 MAC 控制字實現，可以指示發送的數據幀是上行鏈路還是下行鏈路(b7，D/U)，是否存在有效載菏 LPDU (b6，L)，數據性質是命令還是響應 (b5，C/R)，是廣播信息還是建立專用鏈路 (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，即不確認無連接方式和確認無連接方式，前者用於廣播公共信息，後者用於 RSU 與 OBU 進行點對點通信。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 的通信初始化，T-KE 實現 RSU 與OBU 之間的數據交換，例如各種交易流程。
ETC 的初始化流程
● RSU 不斷發送攜帶喚醒信號的 BST 信號，喚醒信號由
15-17 個周期 14 KHz 方波構成
● OBU 被喚醒，加電工作
● OBU 接收到 BST 信號，向 RSU 發送 VST 信號
ETC 的典型交易流程 (以常用的儲值交易流程為例)
● RSU 與 OBU 首先通過 BST/VST 正常完成初始化
● 通過 OBU 的 MAC 地址建立點對點通信
● 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
● 車道計算機形成交易記錄，通過 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
今天我們簡單介紹了物聯網RFID技術之應用ETC系統. 很多有趣的事物就在我們身邊, 多去想想他們的原理, 都有所收獲.
今天先到這兒，希望對您技術領導力， 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 有參考作用 , 您可能感興趣的文章:
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作者：Petter Liu
出處：http://www.cnblogs.com/wintersun/
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