Транспондер - бортовое устройство для оплаты проезда на платной дороге с улучшенными потребительскими свойствами Российский патент 2024 года по МПК G07B15/06 

Настоящее изобретение относится к бортовым устройствам, устанавливаемым на борту транспортных средств и предназначенным для обеспечения взимания дорожных сборов через автоматизированную систему оплаты проезда (далее АСОП) платных дорог при безостановочном движении транспортных средств, и является электронным средством регистрации проезда. Бортовые устройства представляют собой автономные электронные устройства, устанавливаемые внутри салона автомобиля, например на лобовом стекле и по радиоканалу связывающиеся с радиоустройством системы приема платежей. Настоящее устройство реализует коммуникации с системой приема платежей на основании реализации технологии DSRC, которая известна в уровне техники и не будет рассматриваться подробно.

В простейшем и наиболее распространенном случае использования на легковых автомобилях транспондер имеет серийный номер, идентифицирующим владельца, который может являться физическим или юридическим лицом. По идентификатору владельца платежная система определяет зарегистрирован ли владелец в системе, активен ли он и есть ли на его счету минимально разрешенная для проезда сумма. Таким образом, в точке въезда может быть проверен баланс счета и возможность проезда, а в точке выезда со счета владельца списываются средства за проезд по соответствующему сегменту платной дороги.

Функционал бортовых устройств (далее транспондеров), использующих технологию DSRC, регламентируется рядом международных стандартов и на территории РФ транспондер может быть использован на любой платной дороге, при этом финансовые взаимозачёты между операторами (или эмитентами) дорог происходят без участия пользователей. На территории РФ, функционал транспондеров регламентируется следующими международными стандартами:

• CEN DSRC/TC278 Dedicated Short Range Communication (DSRC).

• EN 12253 - Физический уровень, использующий микроволны 5,8 ГГц (Road transport and traffic telematics - Dedicated short-range communication - Physical layer using microwave at 5,8 GHz).

• EN 12795 - Уровень канала передачи данных в DSRC (DSRC data link layer. Medium access and logical link control).

• EN 12834 - DSRC уровень приложения (Road transport and traffic telematics. Dedicated Short Range Communication. DSRC application layer).

• EN 13372 - DSRC профили для RTTT приложений (Road transport and traffic telematics (RTTT). Dedicated short-range communication. Profiles for RTTT applications).

• EN 14906 - Прикладной интерфейс для DSRC (Road transport and traffic telematics. Electronic fee collection. Application interface definition for dedicated short-range communication).

• EN 15509 - Интероперабельный профиль приложения для автоматической идентификации транспортных средств (Electronic fee collection. Interoperability application profile for DSRC).

В настоящее время все системы приема платежей на платных дорогах РФ и Европейского союза работают в соответствии с европейскими стандартами, и в качестве бортовых устройств используются DSRC транспондеры для платных дорог, изготовленные и функционирующие в соответствии с европейскими стандартами, например производимые австрийской компанией Kapsch TrafficCom и норвежской компанией Q-Free. Соответственно, существующее оборудование, включая радиоустройства системы оплаты платных дорог, используемые в РФ рассчитаны для работы с указанными известными транспондерами. Для использования существующего оборудования на пунктах приема оплаты на платных дорогах с иными транспондерами, такие технические характеристики как частота сигнала, структура данных, формат и протоколы их передачи должны соответствовать стандартам DSRC и соответствовать европейским стандартам EN 12253 и EN 12795, что делает невозможным прямое применение в транспондерах микросхем трансиверов, разработанных в соответствии со стандартами, используемыми в других регионах, в частности, по стандартам, используемым в Китайской Народной Республике.

Настоящее изобретение представляет собой программно-аппаратный комплекс, который предоставляет техническое решение, позволяющее реализовать транспондер, совместимый с системой приема электронных платежей (далее СПЭП) европейского стандарта, используя микросхемы трансиверов китайского производства, предназначенные для работы с СПЭП китайского стандарта. Совместимые транспондеры, реализованные в соответствии с настоящим изобретением, представляют из себя полноценную замену известных моделей транспондеров, реализуя весь необходимый функционал по информационному обмену с СПЭП европейского стандарта, а также представляют из себя техническое решение, повышающее пользовательские характеристики по сравнению с известными моделями транспондеров.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ

В частности, в рамках разработки настоящего технического решения, были поставлены и решены следующие технические задачи:

- В настоящий момент не существует технического решения, позволяющего использовать микросхемы трансиверов китайского производства, например, BK5824 (Beken Corp.) и аналогичные, отвечающие требованиям китайского стандарта СПЭП, при производстве транспондеров для использования на платных дорогах, оборудованных СПЭП европейского стандарта. Техническая задача заключается в разработке программно-аппаратного комплекса, позволяющего обойти ограничения, связанные с различиями между китайским и европейским стандартами, препятствующие использованию микросхем трансиверов китайского производства с СПЭП европейского стандарта. В частности, различия в генерации сигнала-маяка пробуждения (WakeUp сигнала) трансивера, а также различия в способе формирования ответного сигнала транспондера и его структуре, как будет в деталях описано ниже.

- Многие атрибуты информационного блока памяти известных из уровня техники транспондеров, могут быть изменены только в процессе фабричного производства, но не доступны для изменения операторам платных дорог, что не позволяет операторам платных дорог производить программирование таких параметров в пунктах розничной продажи и обслуживания транспондеров. Необходимо предоставить оператору возможность программирования специальных тарифов в транспондер.

- Невзирая на то, что в некоторых моделях существующих транспондеров предусмотрено информирование пользователя о низком заряде элемента питания, этот функционал либо не реализован, либо его реализация не является оптимальной для пользователя для своевременной замены транспондера или элемента питания. Контроль состояния элемента питания и заблаговременное предупреждение владельца о необходимости замены транспондера позволяет улучшить пользовательские характеристики.

- Повышение надежности конструкции транспондера – снижение вероятности отказа транспондера в течение срока эксплуатации в результате ударов (падения), вибраций при эксплуатации, попадания влаги.

Настоящее изобретение представляет собой транспондер, включающий в себя технологические решения, позволяющие обеспечить решение вышеуказанных технических задач и проблем, присущих транспондерам, известных из уровня техники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет из себя транспондер для обмена данными с антенной, далее АС, автоматической системы оплаты проезда, далее АСОП, представляющий собой портативное автономное устройство, крепящееся на лобовое стекло автомобиля, включающее печатную плату, обеспечивающую электрическое соединение расположенных на ней компонентов, включающих патч-антенну, трансивер, микроконтроллер, модулятор, нелинейный и согласующие элементы, элемент питания и звуковой излучатель, где транспондер приспособлен принимать входящий радиосигнал от АС посредством радиоканала, трансивер приспособлен формировать активный ответный радиосигнал на частоте, смещенной относительно частоты входящего радиосигнала от АС, транспондер приспособлен для формирования ответного сигнала от транспондера к АС путем модуляции отражённого сигнала несущей частоты при помощи нелинейного и согласующего элемента поднесущей частотой, модулированной модулятором.

Согласно аспекту изобретения, трансивер транспондера генерирует сигнал пробуждения для микроконтроллера при приеме входящего сигнала несущей частоты АС с заданной амплитудой.

Согласно другому аспекту изобретения, микроконтроллер приспособлен программно отключать антенный выход трансивера при формировании и передаче ответного сигнала для АС.

Согласно другому аспекту изобретения, модулятор приспособлен получать данные от трансивера для формирования ответного радиосигнала для АС, производить ими двоичную фазовую модуляцию поднесущей и передавать полученный модулированный сигнал на нелинейный и согласующий элементы.

Согласно другому аспекту изобретения, нелинейный и согласующий элементы приспособлены для модулирования несущей частоты ответного сигнала и последующего его переотражения через антенну в направлении АС.

Согласно другому аспекту изобретения, антенна является однокомпонентной патч-антенной.

Согласно другому аспекту изобретения, компоненты антенны расположены на печатной плате, компоненты включают диэлектрик, на котором расположен излучатель, совместно с проводником, находящимся за диэлектриком и равным ему по площади, при этом излучатель соединен питающей микрополосковой линией с нелинейным элементом.

Согласно другому аспекту изобретения, антенна имеет форму усеченного квадрата с коэффициентом усечения от 1% до 2%.

Согласно другому аспекту изобретения, поднесущая определенной частоты формируется программным способом в микроконтроллере и подается в модулятор для двоичной фазовой модуляции данными с цифрового выхода микросхемы трансивера.

Согласно другому аспекту изобретения, рабочая принимаемая несущая частота определяется выбором одной из 4-х несущих частот, при этом выбор осуществляется микроконтроллером программным способом, на основе анализа количества ошибок в принимаемых данных, при этом трансивер настраивается на выбранную частоту.

Согласно другому аспекту изобретения, микроконтроллер включает программное обеспечение, активирующее звуковой излучатель для озвучивания сигнала увеличенной длительности при достижении уровня напряжения элемента питания порогового значения, и переводящее транспондер в режим сниженного энергопотребления после завершения сеанса обмена данными с АС.

Согласно другому аспекту изобретения, микроконтроллер включает программное обеспечение, предоставляющее командный интерфейс на основе записи/чтения атрибута №119, зарезервированного для нужд производителя в соответствии со стандартом EN15509, позволяющий по протоколу DSRC изменять доступные только для чтения атрибуты транспондера.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТРАНСПОНДЕРА С АСОП

Активные антенны системы оплаты проезда 1 (далее АС) закрепляются на въезде, выезде, либо в середине платных участков автомобильных дорог. Актуальная конфигурация оборудования зависит от топологии платной инфраструктуры. При приближении к зоне обслуживания, транспондер обнаруживает излучение на заданных частотах АС, что служит сигналом для инициализации внутренних систем устройства и перехода его из режима энергосбережения в рабочий режим. На Фиг.1 изображено транспортное средство 2, оборудованное транспондером, обменивающееся сигналами с АС 1 в зоне обслуживания 3.

Далее происходит обмен данными с АС, после чего АСОП, включающая в себя СПЭП, принимает решение о возможности проезда через пункт оплаты. При этом, программное обеспечение транспондера реализует конечный автомат с фиксированным числом состояний, как показано на Фиг.2.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОНДЕРА

Технически транспондер представляет из себя портативное автономное устройство, крепящееся на лобовое стекло автомобиля, имеющее пластиковый корпус, в котором закреплена печатная плата, обеспечивающая электрическое соединение компонентов. На Фиг. 3 изображена блок-схема аппаратного решения транспондера 12. На печатной плате 11 расположены: патч-антенна 7, трансивер 4, микроконтроллер 5, модулятор 6, нелинейный и согласующие элементы 8, элемент питания 10 и звуковой излучатель 9. Отдельно на Фиг. 3 показана антенна АС 1.

В СПЭП, реализованной по европейскому стандарту, на физическом уровне связь транспондера с АСОП реализуется посредством радиоканала, при этом антенна АСОП является активным излучателем, в соответствии с европейским стандартом, работающим на одной из частот: 5,7975 ГГц, 5,8025 ГГц, 5,8075 ГГц, 5,8125 ГГц (везде далее в тексте для упрощения используется сокращение 5,8 ГГц) и использующим амплитудную модуляцию с цифровым кодированием FM0, а транспондер - рефлектором, переотражающим принимаемый опорный сигнал 5,8 ГГц, модулированный поднесущей частотой 1,5 либо 2,0 МГц с двоичной фазовой модуляцией. Поднесущая частота 1,5 или 2,0 МГц транспондера определяется маяком, излучаемым антенной АСОП, т.е. в транспондере, как самостоятельном устройстве, должна быть реализована аппаратная и программная возможность работать на обеих поднесущих частотах по выбору АСОП. Кодирование восходящего потока данных – NRZI, скорость передачи – 250 Кбит/с. Скорость передачи нисходящего потока данных – 500 Кбит/с. Псевдо-полудуплексная связь организуется посредством специальных окон в промежутках, когда постоянный нисходящий поток не кодируется.

В АСОП, реализованной по китайскому стандарту, связь транспондера с АСОП на физическом уровне так же реализуется посредством радиоканала, антенна АСОП является активным излучателем и так же работает на одной из частот: 5,7975 ГГц, 5,8025 ГГц, 5,8075 ГГц, 5,8125 ГГц. Однако, трансиверы транспондеров китайского стандарта, в отличие от европейских, генерируют WakeUp сигнал при приеме несущей частоты 5,8 ГГц с амплитудной модуляцией 14 КГц и формируют активный ответный сигнал на частоте, смещенной относительно принимаемой от антенны АСОП.

Для решения технической задачи по использованию микросхем трансиверов, предназначенных для работы по китайскому стандарту GB/T 20851.1 в системах, работающих по европейскому стандарту СПЭП, необходимо решение, позволяющее обойти следующие ограничения:

1. При генерации трансивером маяка Пробуждения, или WakeUp сигнала, для микроконтроллера, европейский стандарт СПЭП предполагает генерацию сигнала WakeUp в результате распознавания сигнала, включающего структуру данных BST (Beacon Service Table), в то время как китайский стандарт СПЭП требует наличия амплитудной модуляции несущей 5,8 ГГц частотой 14 КГц.

2. При формировании ответного сигнала трансивера, в европейской версии стандарта СПЭП предполагается пассивный ответ путем переотражения модулированного принимаемого опорного сигнала 5,8 ГГц поднесущей частотой 1,5 либо 2,0 МГц с двоичной фазовой модуляцией, в то время как в соответствии с китайским стандартом СПЭП, в китайских трансиверах реализован активный ответ на частоте отличной от несущей.

Для обмена данными между АС 1 и транспондером необходимо исполнение микроконтроллером 5 транспондера 12 алгоритма обмена в соответствии с требованиями DSRC, т.е. микроконтроллер 5 необходимо перевести в активное состояние. Переход из режима «Сон» в режим «Старт», и далее в режим «Работа» детально описан ниже. С аппаратной точки зрения, главным условием выхода транспондера из режима «Сон», является поступление на его антенну 7 сигнала несущей частоты 5,8ГГц с мощностью, необходимой для установления устойчивой связи с АС 1. Получив от антенны 7 такой сигнал, микросхема трансивера 4 генерирует сигнал WakeUp для микроконтроллера 5 транспондера. После этого происходит переход микроконтроллера 5 в активный режим и передача управления встроенному программному обеспечению, реализующему обмен данными между транспондером 12 и АС 1. Фаза приема данных транспондером от АС 1 обеспечивается непосредственно схемотехникой микросхемы трансивера 4 и сводится к чтению микроконтроллером 5 регистра данных в трансивере 4 по прерыванию по готовности данных. Структура сигнала, передаваемого от АС 1 к транспондеру в европейской и китайской версиях стандартов практически совпадают, отличается только реализация физического уровня при передаче от транспондера к антенне АС 1. Поскольку в китайской версии транспондер генерирует активный ответный сигнал, а в европейской для ответа используется модулированный отражённый сигнал несущей частоты, то передающая часть предлагаемой конструкции транспондера реализована внешними цепями по отношению к микросхеме трансивера, как описано ниже.

Для формирования ответного сигнала от транспондера к АС 1, соответствующего европейскому стандарту, применено схемотехническое решение, дополняющее функционал микросхемы трансивера 4 и состоящее из нелинейного и согласующих элементов 8, а также модулятора 6. При передаче микроконтроллер 5 программно отключает антенный выход у трансивера 4 и разрешает работу модулятора 6. Антенный выход трансивера отключается с целью избежать его влияния на отраженный сигнал. После этого передаваемые данные с цифрового выхода трансивера 4 поступают на модулятор 6, а затем на нелинейный и согласующий элементы 8, которые совместно с антенной 7 формируют ответный сигнал необходимой структуры путем модуляции отражённого сигнала несущей частоты модулированной поднесущей частотой. Поднесущая нужной частоты (1,5 или 2,0 МГц) формируется программным способом в микроконтроллере 5 и подается в модулятор 6 для двоичной фазовой модуляции. Далее промодулированная поднесущая передается на нелинейный элемент 8, где модулирует несущую частоту 5,8 ГГц, переотражаемую через антенну 7 транспондера в направлении АС 1.

Таким образом реализуется необходимый физический канал для обмена данными между АС и транспондером в соответствии с требованиями европейских стандартов EN 12253 и EN 12795.

КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА

Конструкция корпуса обеспечивает многоточечную систему фиксации платы 11 и фиксацию батареи питания 10, что обеспечивает высокую устойчивость к ударным и вибрационным воздействиям. Крышка корпуса изображена на Фиг. 4. Форма кромок крышек корпуса вместе с многоточечной системой соединения с натягом гарантирует обеспечение защиты от воздействия пыли и влаги уровня IP54, в то время как транспондеры, известные из уровня техники предоставляют защиту от воздействия пыли и влаги на уровне IP40.

Шесть защелок 14 увеличенного по сравнению с существующими транспондерами размера и угловые направляющие обеспечивают высокую надежность корпуса при проезде по дорогам с неровным покрытием и ударопрочность при падении. Специально подобранная форма зацепов 1 обеспечивает постоянное плотное прилегание крышки. Это обеспечивает необходимую защиту от проникновения пыли и влаги.

КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННЫ

Для настоящего технического решения была разработана уникальная антенна 7, отличающаяся от антенн, использующихся в транспондерах, известных из уровня техники. В известных решениях используются антенны, состоящие из двух компонентов, внешнего резонатора и печатной платы с возбуждающим контуром.

Наиболее перспективным решением для антенны транспондера, использующейся с DSRC приложениями, являются варианты микрополосковых (или патч) антенн. Они дешевы в изготовлении, малогабаритны и доступно моделируются.

Конструкция антенны 7 и ее уникальные характеристики позволяют реализовать антенну 7 на той же печатной плате, что и остальные элементы транспондера 12. Такая конструкция антенны 7 позволяет упростить схемотехнику цепей, отвечающих за формирование модулированного отражённого сигнала несущей частоты и является оптимальной для решения технических задач настоящего изобретения.

Требования по диапазону частот, поляризации и иные требования определены стандартом EN 12253. Поляризация круговая левосторонняя. Диапазон 5.8 ГГц. Выбор трансивера в стандарте не регламентирован. Используемый трансивер имеет несимметричный вход/выход, производителем заявлен импеданс 50 Ом. Рабочий диапазон 5.73-6.2 ГГц, битовая скорость 256/512 кбит/сек, чувствительность при пробуждении -85 dBm, чувствительность при приеме -80 dBm, мощность при передаче -7...+8.4 dBm.

В связи с требованиями по круговой поляризации и несимметричным входом/выходом используемого трансивера были рассмотрены три формы излучающего элемента, известные из уровня техники:

- эллипс;

- усеченный круг;

- усеченный прямоугольник или квадрат.

При начальном сравнении моделей антенн всех трех конфигураций при условно большом полигоне «земли» с характерным размером около длины волны (60х60 мм) они показали практически одинаковые параметры, но поскольку для настоящего технического решения, размер антенны необходимо уменьшить (до размеров не более 30х30 мм), было выявлено

несоответствие геометрии активного элемента и полигона «земли» для эллипса и усеченного круга. Для устранения этого несоответствия можно применить разворот активного элемента вместе с точкой возбуждения, что ограничивает возможные варианты размещения микросхемы трансивера и усложняет расчет согласующей линии. В случае с усеченным квадратом, конструкция имеет одну совпадающую ось симметрии и две параллельные, что приводит к незначительному отклонению диаграммы направленности вдоль совпадающей оси, поэтому для данного решения была выбрана форма усеченного квадрата, что является оптимальным выбором.

На Фиг. 5 схематически изображена конструкция антенны 7, расположенной на печатной плате 11 транспондера 12. На диэлектрике 14 расположен излучатель 15, совместно с проводником, находящимся за диэлектриком и равным ему по площади. От излучателя 15 идет питающая микрополосковая линия 16 к нелинейному элементу 8 на печатной плате 11 транспондера 12.

В отличие от антенн, используемых в транспондерах, известных из уровня техники, настоящем решении используется однокомпонентная патч-антенна 7, при этом для конструкции антенны 7 использован диэлектрик WL-338 (0.813 мм epsilon=3.38 tan_delta=0.0027; медное покрытие с двух сторон h=35 мкм.), что не является ограничением для настоящего изобретения.

Размеры платы 11 и антенны 7 определяются габаритными требованиями к транспондеру, как пример, используется размер печатной платы не более 30х60 мм. Патч-антенны обладают выраженными резонансными свойствами, поэтому реализация с использование патч-антенны требует применения специальных мер для их снижения. Стандарт DSRC на 5.8 ГГц использует частоты 5.7975, 5.8025, 5.8075, 5.8125 ГГц, таким образом требуется антенна с полосой около 1% от центральной частоты. Для получения круговой поляризации был выбран вариант антенны 7 с двумя перпендикулярными осями симметрии (для усеченного квадрата длинная и короткая диагонали), которым соответствуют две характерные частоты. В случае сильного усечения такая антенна будет функционировать как двухполосная антенна с взаимно перпендикулярной линейной поляризацией на двух характерных частотах. При малом усечении резонансы практически сливаются, перпендикулярность осей сохраняется и получается практически круговая поляризация. Кроме того, в таком случае импеданс антенны 7 в рабочем диапазоне становится практически активным.

Теоретически достаточно было бы усечения около 1% от длинной диагонали, но технологический разброс при производстве по геометрии антенны, температурная зависимость и начальный разброс диэлектрической постоянной требуют расширения полосы пропускания и соответственно уменьшения коэффициента усиления антенны относительно теоретического. Требуемый компромисс был найден в результате численного моделирования. Рассматривались варианты усечения в диапазоне от 0,8% до 2%, в результате моделирования был выбран коэффициент усечения 1,4%, как наиболее оптимальный для настоящей реализации, что не является ограничением для настоящего изобретения.

При выбранных размерах и конфигурации антенны, максимальный коэффициент усиления антенны равен 4.54 dBi и антенна практически полностью излучает/принимает в основном лепестке диаграммы направленности. Антенна согласована с 50 Ом практически без реактивной составляющей (около 45 Ом). Осевое соотношение для круговой поляризации в основном лепестке излучения лежит в диапазоне 1:1.2 (1 — оптимально) во всем рабочем диапазоне частот. Таким образом, разработанная конфигурация антенны является оптимальной для настоящего технического решения.

ПРОГРАММНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

В части программного обеспечения, отвечающей за инициализацию и обмен данными на физическом уровне, был реализован ряд специфических функций. В частности, необходимость формирования отраженного модулированного сигнала потребовала программного управления входами модулятора 6 и состоянием антенного выхода микросхемы трансивера 4. При переходе из режима приема в режим передачи программное обеспечение отключает выход трансивера 4 и разрешает работу модулятора 6. Поднесущая нужной частоты (1,5 или 2,0 МГц) так же формируется программным способом в микроконтроллере 5 и подается в модулятор 6 для двоичной фазовой модуляции данными с цифрового выхода микросхемы трансивера 4.

Выбор одной из 4-х несущих частот 5,8 ГГц так же осуществляется программным способом, на основе анализа количества ошибок в принимаемых данных. В результате трансивер 4 настраивается на одну из четырех частот, обеспечивающую наилучшее качество приема данных.

Программное обеспечение контролирует в том числе уровень напряжения элемента питания 10, заблаговременно сигнализирует о приближении к его нижнему допустимому значению через звуковой излучатель 9 и управляет переходом схемы транспондера 4 в режим микропотребления по окончании сеанса обмена данными с АС 1.

Структура данных DSRC транспондера включает в себя набор атрибутов, сохраняемых в памяти устройства. Все атрибуты и их номера, упоминающиеся в настоящем описании соответствуют стандарту EN 15509. На прикладном уровне DSRC происходит обмен информацией между антенной АСОП и транспондером в соответствии с протоколами. Определенная часть атрибутов заполняется в процессе производства и не являются изменяемыми, а часть может быть изменена в процессе эксплуатации транспондера.

В частности, настоящее техническое решение позволяет снизить затраты на персонализацию транспондера путем использования резервного, в соответствии со стандартом EN 15509, атрибута №119. Некоторые виды транспорта должны иметь право на бесплатный проезд по платным дорогам. Организация, которая продает транспондеры для использования на таких транспортных средствах, например на большегрузных или специальных транспортных средствах, которые имеют право бесплатного проезда, должна персонализировать (запрограммировать) транспондер записав в него набор атрибутов, включающих данные о типе транспортного средства, тарифе и т.д. которые нельзя изменить в процессе эксплуатации. В известных транспондерах эта процедура производится только при производстве. Стандарт DSRC канального уровня определяет протокол записи/чтения атрибутов (доступных для записи). Настоящее техническое решение предоставляет оригинальный метод для персонализации транспондера. Резервный атрибут №119, доступный для записи и чтения, является портом терминала. В него по протоколу DSRC могут записываться данные, которые микроконтроллер 5 в соответствие с протоколом терминала интерпретирует как команды и данные для записи неизменяемых, предназначенных только для чтения атрибутов транспондера. Такой метод позволяет производить персонализацию транспондеров с помощью антенны DSRC без применения дополнительного оборудования непосредственно продавцом транспондера.

Описание работы терминала приведено ниже. Для записи значений атрибутов контрактов и системного элемента №0 доступных только для чтения или инициализации на производстве, используется перевод транспондера в соответствующее состояние при помощи команд, записываемых в атрибут №119 системного элемента - «Терминал». Изначальное значение атрибута «Терминал» устройства:

119 OPERATIONAL [1-0] [2-0] [3-0] > \n

В данном значении обозначается, что устройство находится в рабочем режиме, т.е. не выполняется редактирование какого-либо из элементов прикладного уровня, и все три, доступных для конфигурации, контракта содержат идентификатор «Элемент» равный нулю. «Элемент» = 0 принадлежит системе транспондера 12, а значит - контракт пуст. Для редактирования контракта необходимо его создать и начать ввод атрибутов.

Ниже приведена последовательность значений атрибута «Терминал» для создания нового контракта:

119 OPERATIONAL [1-0] [2-0] [3-0] > \n

119 ADD CONTRACT 3 - 255\n

119 EDITING 3 - 255\n 119 SET 3 - 255 ATTR 255 CRC16 - FF\n

119 EDITING 3 - 255\n

Таким образом, инициализация транспондера 12 может быть произведена не в условиях производства, а в момент розничной продажи или позже, в том числе в процессе эксплуатации. Для инициализации транспондера 12 может быть использована как стандартная антенна АСОП, так и настольная версия активной антенны, предназначенная специально для инициализации устройств.

На производстве транспондер 12 инициализируется параметрами по умолчанию, которых достаточно для того, чтобы использовать его в наиболее распространенном не персонализированном варианте, когда транспондер 12 регистрируется в личном кабинете владельца по серийному номеру. Для того что бы использовать атрибут «Терминал» для персонализации транспондер 12 должен проснуться и перейти в режим “Работа”. В цикле обмена с антенной это будет соответствовать фазе “Презентация” на Фиг. 6, изображающем процесс обработки данных транспондера при проезде через терминал и оплате проезда.

Также, настоящее техническое решение позволяет использовать некоторые атрибуты транспондера 12 для расширенного пользовательского функционала. Контроль состояния элемента питания 10 осуществляется на уровне системного программного обеспечения микроконтроллера 5 транспондера 12. Настоящее техническое решение позволяет сигнализировать о приближении критического уровня напряжения элемента питания 10 сигналом увеличенной длительности 400 мс частотой 1 кГц по окончании транзакции транспондера с АСОП или любым другим сигналом, по согласованию с оператором системы оплаты.

Для реализации указанного функционала, использованы атрибут №23 и атрибут №32. Атрибут №23 - «Индикатор заряда батареи» является уровнем заряда элемента питания 10 в единицах 12-битной АЦП. При этом показания нормализуются к значению 3,0 В = 3000 единиц (указывается для литиевого элемента питания CR-2450). Атрибут обновляется по принудительному запросу, либо в начале полного цикла взаимодействия с АСОП. Атрибут №32 - «Уровень - батарея разряжена» содержит значение нижнего порог напряжения элемента питания 10 транспондера 12, оно должно быть выставлено, согласно размерности, указанной в описании предыдущего атрибута. Значение устанавливается на этапе производства в зависимости от характеристик элемента питания, выбранного при проектировании устройства.

Пока транспортное средство, оснащенное транспондером 12, не прибыло на пункт взимания платы (ПВП) транспондер 12 находится в режиме «Сон». Как только транспондер 12 зафиксирует сигнал высокочастотного излучения активной антенны АСОП 1, транспондер 12 переходит в режим «Старт».

Каждый раз при переходе транспондера 12 из режима «Сон» в режим «Старт» производится измерение напряжения элемента питания 10. При снижении напряжения до заданного в атрибуте №32 уровня, микроконтроллер 5 транспондера 12 инициирует звуковой излучатель 9 транспондера 12 произвести специальный звуковой сигнал, информирующий водителя о необходимости замены элемента питания 10 или транспондера 12. Уровень напряжения элемента питания 10, указанный в атрибуте №32 выбирается таким образом, чтобы водитель гарантированно мог проехать несколько пунктов оплаты, при этом каждый раз будет формироваться предупреждающий сигнал.

При переходе транспондера 12 из режима «Сон» в режим «Старт» транспондер 12 также переводит внутренние аппаратные ресурсы устройства в состояние готовности обрабатывать широковещательные кадры АС 1. Успешно приняв широковещательный кадр на канальном уровне DSRC, транспондер 12 переключается в режим «Оценка» и переходит к анализу информации, содержащейся в широкоформатном кадре на прикладном уровне. В случае, если в результате анализа получен положительный ответ о совместимости транспондера 12 с АСОП, и при прочих истинных логических состояниях, устройство генерирует индивидуальный адрес транспондера 12 и отправляет запрос персонализированного окна (ЗПО), вслед за чем, транспондер 12 переключается в режим «Пуск». В режиме «Пуск» транспондер 12 ожидает получение широкоформатного кадра разрешение персонализированного окна (РПО), при этом в выходной буфер трансляции заранее помещается информация, содержащая профиль устройства (ПУ), что требует минимальных ресурсов транспондера 12. Как только транспондер 12 получает «РПО», он отправляет «Профиль» транспондера 12 в восходящем потоке и переключается в режим «Работа». В режиме «Работа» транспондер 12 обменивается с АСОП данными, предусмотренными фазами «Презентация», «Оплата» и «Сопровождение», которые будут рассмотрены ниже.

Отдельными специфическими режимами транспондера 12 являются режимы «Занято», «Готово», «Вывод» и «Стоп». Они входят в структуру механизма «Ожидающего запроса» и позволяют транспондеру 12 отключаться от АСОП в случае, если необходимо выполнение высоконагруженных операций, требующих дополнительного времени. Так, в случае если транспондер 12 находится в режиме «Работа» и фазе «Сопровождение», то получив широкоформатный кадр «Завершить», он перейдет сразу к режиму «Блок», а далее восстановится до режима «Сон». Если в режиме «Работа» транспондер 12 не может своевременно ответить АСОП, то он должен выпустить восходящий кадр с полем «Ответ» равным 0х30 внутри полезной нагрузки и не содержать поля «Данные». Данный кадр сообщает стороне АС, что транспондер 12 продолжает работу над запросом системы, и АСОП, в данный момент, может переключиться на другие задачи, сохранив контекст обмена. Транспондер при этом перейдет в режим «Занято» и не будет никаким образом взаимодействовать с радиоблоком АСОП, что позволяет экономить потребление энергии транспондером. К высоконагруженным задачам и задачам, которые могут задержать ответ транспондера 12, относится: шифрование, сохранение данных в ПЗУ, работа с дополнительной периферией, если таковая подсоединена к транспондеру 12. Как только транспондер 12 обработает запрос АСОП он перейдет в режим «Готово», будет сформирован буфер ответной восходящей трансляции и включена периферия приемника. Если АС 1 в данный момент не занята, то она будет отправлять маяки с предложением публичных окон. Получив такой маяк, транспондер 12 отправит ЗПО в одном из публичных окон и перейдет в режим «Вывод». Как только будет получен ответный кадр «РПО», транспондер 12 отправит ранее заготовленный пакет восходящей трансляции и вернется к режиму «Работа». Более подробно механизм «Ожидающего запроса» рассматривается ниже.

Для снижения энергопотребления, в случае если транспондер 12 длительное время не получает маяк АСОП в режиме «Готово», транспондер 12 может переходить в режим «Стоп». Режим «Стоп», аналогичен режиму «Сон», но с сохранением контекста обмена данными.

Фаза «Инициализация» включает в себя прием нисходящего широкоформатного кадра «Маяк» от АСОП и отправки в ответ кадра «Профиль». Кадр «Маяк» содержит в себе служебную таблицу, с данными об активном оборудовании АСОП и информацию необходимую для начальной настройки транспондера 12, включая время по системе UNIX и поднесущую частоту для связи в восходящем потоке. После того как транспондер 12 получает от системы РПО, оно отправляет свой «Профиль», который содержит доступные на транспондере 12 контракты, их номера - элементы, «Диверсификатор» и случайное число устройства (СЧУ) для того, чтобы АС 1 могла сгенерировать «Код доступа». Далее транспондер 12 входит в фазу «Презентация», позволяющей изменить атрибуты для создания «контрактов» для бесплатного проезда транспортных средств.

В соответствии с настоящим техническим решением, в структуру данных транспондера 12 вводятся «Ключи», которые сопровождают передачу данных на уровне атрибутов. Ключи обеспечивают безопасный доступ к личным данным и платежной информации, хранящейся в памяти транспондера. Определены следующие типы «Ключей»:

«Код доступа» - 4 Байта – основной ключ, используемый для доступа к транспондеру и личной информации хранящейся на нем. Рассчитывается шифрованием на стороне АСОП над случайным числом устройства (СЧУ), предоставляемым транспондером 12, на основе «Ключа доступа», сгенерированного на базе «Диверсификатора». Также рассчитывается и на самом транспондере 12, но в целях снижения вычислительной нагрузки на последнее, транспондер 12 хранит уже ранее рассчитанный «Ключ доступа», а также параметры, на базе которых он сгенерирован – «Диверсификатор». После получения «Кода доступа», транспондер 12 сверяет код отправленный АС 1 и код, полученный при расчётах внутри транспондера, если «Коды доступа» совпадают, то система получает доступ к личным и платежным данным, хранящимся в памяти транспондера 12.

«Диверсификатор» - 2 Байта – содержит две записи, по октету каждая: «Ссылка на ключ» и диверсификатор (второй байт атрибута). Каждая из записей, в свою очередь, используется для формирования «Ключа доступа» на стороне АСОП. «Ключ доступа» рассчитывается путем шифрования специальной комбинации «Диверсификатора» на основе выпущенного ранее «Мастер-ключа доступа», и распространяемого организацией, заключившей контракт, либо доверенной организацией, обеспечивающей безопасность, группы компаний, обслуживающих платные автодороги.

«СЧУ» - 4 Байта - случайное число устройства, используется как на стороне АСОП для формирования «Кода доступа», так и на стороне транспондера 12. Оба элемента системы шифруют полученное число, далее транспондер сверяет полученный код от АСОП с собственными расчетами. См. описание «Код доступа».

«СЧС» - 4 Байта - число, генерируемое АСОП, используется для расчёта «Кода оператора», а в случае возможного запроса от АС – «Кода организации», представляет собой текущую дату и время, отправляемые в формате записи «Дата» в атрибуте «Квитанция».

«Ссылка оператора» - 1 Байт - ссылка на номер «Ключа оператора» используемого для дальнейшего расчёта «Кода оператора», получаемого путем шифрования платежных данных и сопутствующего блока конструкции участвующих в трансляции с использованием ранее полученного СЧС.

«Ссылка организации» - 1 Байт - ссылка на номер «Ключа организации» используемого для дальнейшего расчета «Кода организации», получаемого путем шифрования платежных данных и сопутствующего блока конструкции, участвующих в трансляции, с использованием ранее полученного СЧС. Используется в случае, если АСОП обращается за данными контракта.

«Код оператора» - 4 Байта - код, используемый для проверки стороной АСОП достоверности платёжных данных предоставляемых транспондером 12, передаётся транспондером 12 при ответе на запрос презентации и рассчитывается над платежными данными с интеграцией СЧС, для чего используется «Ключ оператора» указанный системой в «Ссылке оператора».

«Код организации» - 4 Байта - код, используемый для проверки организацией, выпустившей контракт транспондера 12, того, что сторонняя АСОП действительно обращается к уникальному устройству, активированному данной организацией. Используется только в случае роуминга устройств, либо, в случае если взимание оплаты не предусмотрено периферией развернутой на стороне АСОП. Ключи для генерации «Кода организации» неизвестны оператору АС, они присутствуют только на транспондере 12. Как и в случае «Кода оператора», «Код организации» передаётся транспондером 12 через АС на сторону организации выпустившей контракт в ответ на альтернативный либо дополнительный запрос презентации и рассчитывается как шифрование платежных данных с интеграцией СЧС с использованием номера ключа, указанного системой ранее в нисходящем запросе - октете «Ссылка организации». В случае, если транспондер действительно существует, и он обслуживается, оператор платной автодороги получит оплату со стороны организации, выпустившей контракт.

Фаза «Презентация» состоит из проверки профиля транспондера 12 и выбора подходящего контракта, принадлежащего организации, обслуживающей автодорогу, либо контракта организации-партнера в случае роуминга устройства между операторами. Транспондер 12 может иметь несколько контрактов. Основываясь на данных «Диверсификатора» и СЧУ, АСОП рассчитывает «Код доступа», который интегрируется в нисходящий кадр «Презентация - запрос» - запрос для дальнейшей проверки на стороне устройства.

Кадр «Презентация - запрос» обращается к платежным данным выбранного контракта и характеристикам транспортного средства. Данные контракта и транспортного средства могут быть помещены в изменяемые атрибуты транспондера 12. Для проверки подлинности предоставляемых данных АС интегрирует в нисходящий кадр «Ссылку оператора» и СЧС. Платежная информация далее интегрируется с СЧС и подлежит шифрованию с выбранным ключом на стороне транспондера 12. Получив от АСОП кадр «Презентация – запрос», устройство сверяет «Код доступа» рассчитанный на стороне АСОП с собственными расчётами на базе СЧУ, если коды совпадают, то транспондер 12 отправляет в ответном кадре платежную информацию и данные транспортного средства, а так же интегрирует в него «Код оператора». Система переходит к фазе «Оплата».

Фаза «Оплата» состоит из проверки кадра ответа на кадр «Презентация». Изначально АСОП проверяет достоверность «Кода оператора», который так же, как и «Код доступа» проверяется АС на основе полученной от транспондера 12 платежной информации и собственных вводных для устройства. Если полученный «Код оператора» истинен, то платёжная информация (лицевой счёт) проверяется АСОП на предмет отсутствия идентификационных данных владельца транспондера 12 в «черном списке», содержащем идентификаторы владельцев, которым проезд запрещен. Кадр, направляемый в ответ на кадр «Презентация» может содержать в себе две последних «Квитанции», записанные на транспондер 12, что позволяет проверить также и «Счетчики проездов» внутри последних. Если транспондер 12 не заблокирован, то производится оплата проезда и формируется «Квитанция». Кадр «Квитанция - запись» содержит в себе последнюю «Квитанцию», считанную с транспондера 12 и перемещённую в положение №2, а также текущую квитанцию об оплате в положении №1. Кроме того, кадр оснащается произвольным «Сообщением пользователю» и сопровождается «Кодом доступа». Получив кадр «Квитанция - запись», транспондер 12 проверяет «Код доступа» и, если последний совпадает собственными расчетами транспондера 12, проведенными ранее, то квитанции сохраняются в памяти транспондера 12 и отвечает кадром «Квитанция - ответ», который возвещает об успешном сохранении информации и подтверждает прием данных. Получив от транспондера 12 кадр «Квитанция - ответ», содержащий идентификаторы того, что квитанции успешно сохранены транспондером 12, АСОП сохраняет информацию об операции в базе данных АСОП, и система переходит к фазе «Сопровождение».

Фаза «Сопровождение» является заключительной фазой взаимодействия АСОП с транспондером 12 и является способом удержания транспондера 12 в сопряженном состоянии до момента его выхода из «Зоны обслуживания» 3. Пока транспондер 12 находится в «Зоне обслуживания» 3, АСОП непрерывно отправляет кадры «Эхо» - запрос, на которые транспондер отвечает кадрами «Эхо» - ответ в интервалах «Персонализированных окон». Как только транспондер 12 начинает выход из «Зоны обслуживания», АС 1 отправляет транспондеру 12 заключительный кадр «Завершить», который не требует ответа от последнего.

Обмен кадрами «Эхо - запрос» и «Эхо - ответ» не является обязательным и реализуется, как правило, на ПВП с многолинейной системой проездов для разгрузки эфира. В случае ПВП с одиночной активной антенной данная схема сопровождения не обязательна. АСОП, в таком случае, может закрыть цикл обмена с устройством единовременно отправив кадр «Завершить».

Фаза «Презентации» и сами кадры «Презентация» - запрос и ответ, могут быть значительно упрощены в зависимости от потребностей АСОП и требований оператора, либо компаний, обслуживающих платные автомагистрали, кроме того, в фазе презентации может выполняться дополнительный запрос «Кода организации» в случае применения роуминга устройств. Вся система шифрования данных, так же может быть значительно облегчена, либо полностью отключена, что зависит от требований применяющей стороны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящее изобретение представляет собой транспондер, реализующий техническое решение, решающее несколько технических задач, которые в настоящий момент не решают транспондеры, известные из уровня техники. Программно-аппаратный комплекс настоящего изобретения, позволяющего обойти ограничения, связанные с различиями между китайским и европейским стандартами, препятствующие использованию микросхем трансиверов китайского производства в СПЭП европейского стандарта, в частности, различия в генерации сигнала-маяка пробуждения (WakeUp сигнала) трансивера, а также различия в способе формирования ответного сигнала транспондера и его структуре. Также настоящее техническое решение позволяет оператору в пунктах розничной продажи и обслуживания транспондеров изменять атрибуты информационного блока памяти транспондера, которые в транспондерах, известных из уровня техники, могут быть изменены только в процессе фабричного производства. Также настоящее техническое решение реализует информирование пользователя о низком заряде элемента питания для своевременной замены транспондера или элемента питания, а также транспондер имеет конструкцию повышенной надежности.

Настоящее изобретение представляет собой транспондер, реализующий техническое решение, решающее несколько технических задач, которые в настоящий момент не решают транспондеры, известные из уровня техники. Программно-аппаратный комплекс настоящего изобретения позволяет обойти ограничения, связанные с различиями между китайским и европейским стандартами, препятствующие использованию микросхем трансиверов китайского производства в СПЭП европейского стандарта, в частности различия в генерации сигнала-маяка пробуждения (WakeUp сигнала) трансивера, а также различия в способе формирования ответного сигнала транспондера и его структуре. Также настоящее техническое решение позволяет оператору в пунктах розничной продажи и обслуживания транспондеров изменять атрибуты информационного блока памяти транспондера, которые в транспондерах, известных из уровня техники, могут быть изменены только в процессе фабричного производства. Также настоящее техническое решение реализует информирование пользователя о низком заряде элемента питания для своевременной замены транспондера или элемента питания, а также транспондер имеет конструкцию повышенной надежности. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Транспондер (12) для обмена данными с антенной автоматической системы оплаты проезда (1), представляющий собой портативное автономное устройство, крепящееся на лобовое стекло автомобиля, включающее печатную плату (11), обеспечивающую электрическое соединение расположенных на ней компонентов, включающих патч-антенну (7), трансивер (4), микроконтроллер (5), модулятор (6), нелинейный и согласующие элементы (8), элемент питания (10) и звуковой излучатель (9), отличающийся тем, что:

транспондер (12) приспособлен принимать входящий радиосигнал от АС (1) посредством радиоканала,

трансивер (4) приспособлен формировать активный ответный радиосигнал на частоте, смещенной относительно частоты входящего радиосигнала от автоматической системы оплаты проезда (1),

транспондер (12), отличающийся тем, что микроконтроллер (5) приспособлен программно отключать антенный выход трансивера (4) при передаче ответного сигнала для АС (1),

транспондер (12) приспособлен для формирования ответного сигнала от транспондера (12) к автоматической системе оплаты проезда (1) путем модуляции отражённого сигнала несущей частоты при помощи нелинейного и согласующего элемента (8) поднесущей частотой, модулированной модулятором (6).

2. Транспондер (12) по п. 1, отличающийся тем, что трансивер (4) генерирует сигнал пробуждения для микроконтроллера (5) при приеме входящего сигнала несущей частоты от автоматической системы оплаты проезда (1) с заданной амплитудой.

3. Транспондер (12) по п. 1, отличающийся тем, что модулятор (6) приспособлен получать данные от трансивера (4) для формирования ответного радиосигнала для автоматической системы оплаты проезда (1), производить двоичную фазовую модуляцию данных и передавать полученный модулированный сигнал на нелинейный и согласующий элементы (8).

4. Транспондер (12) по п. 3, отличающийся тем, что нелинейный и согласующий элементы (8) приспособлены для модулирования несущей частоты ответного сигнала для последующего переотражения ответного сигнала через антенну (7) в направлении автоматической системы оплаты проезда (1).

5. Транспондер (12) по п. 1, отличающийся тем, что антенна (7) является однокомпонентной патч-антенной.

6. Транспондер (12) по п. 5, отличающийся тем, что компоненты антенны (7) расположены на печатной плате (11), компоненты включают диэлектрик (14), на котором расположен излучатель (15), совместно с проводником, находящимся за диэлектриком и равным ему по площади, при этом излучатель (15) соединен питающей микрополосковой линией (16) с нелинейным элементом (8).

7. Транспондер (12) по п. 5, отличающийся тем, что антенна (7) имеет форму усеченного квадрата с коэффициентом усечения от 1 до 2%.

8. Транспондер (12) по п. 3, отличающийся тем, что поднесущая определенной частоты формируется программным способом в микроконтроллере (5) и подается в модулятор (6) для двоичной фазовой модуляции данными с цифрового выхода микросхемы трансивера (4).

9. Транспондер (12) по п. 3, отличающийся тем, что несущая частота определяется выбором одной из 4-х несущих частот, при этом выбор осуществляется микроконтроллером (5) программным способом, на основе анализа количества ошибок в принимаемых данных, при этом трансивер (4) настраивается на выбранную частоту.

10. Транспондер (12) по п. 1, отличающийся тем, что микроконтроллер (5) включает программное обеспечение, активирующее звуковой излучатель (9) для озвучивания сигнала увеличенной длительности при достижении уровня напряжения элемента питания (10) порогового значения, и переводящее транспондер (12) в режим сниженного энергопотребления после завершения сеанса обмена данными с автоматической системой оплаты проезда (1).

11. Транспондер (12) по п. 1, отличающийся тем, что микроконтроллер (5) включает программное обеспечение, предоставляющее командный интерфейс на основе записи или чтения атрибута №119 в соответствии со стандартом EN15509, позволяющий по протоколу DSRC изменять доступные только для чтения атрибуты транспондера.