Danas ćemo rastaviti jedan uređaj za automatsku elektroničku naplatu cestarine (ENC) oznake MD 5884, proizvod norveške tvrtke Q-Free iz razdoblja oko 2005. godine.
Tvrtka Q-Free je osnovana 1984. godine u Trondheimu, Norveška pod prvotnim nazivom Micro Design i dobavljač je sistema i rješenja za naplatu cestarine, parkiranja, upravljanja prometom i pratećih tehnologija poput DSRC, OCR, ALPR i GNSS. Godine 1988. tvrtka je promijenila ime u Q-Free. Prve sisteme za evropsko tržište tvrtka Q-Free je isporučila 1995. godine. U rujnu 2001. godine tvrtku Q-Free kupio je proizvođač mobitela MagCom . Nova samostalna tvrtka nazvana Q-Free MagCom nastavila je s radom oko godinu dana, nakon čega je proizvodnja telefona prestala. Tvrtka Q-Free je i danas prisutna na tržištu sa ponudom hardverskih i softverskih rješenja za naplatu cestarine i upravljanje prometom.
Elektronička naplata cestarine na autocestama u Hrvatskoj počela uvoditi od 2006. godine. Za funkcioniranje ovog sustava potrebno je osigurati dva uvjeta. Jedan je bežična (radio) komunikacija između ENC uređaja u vozilu i sustava automatske naplate cestarine, a drugi uvjet je prepoznavanje kategorije vozila kako bi se ispravno naplatila cestarina.
Za komunikaciju ENC uređaja koristi se RFID (Radio-frequency identification) tehnologija. To nije tehnologija specijalizirana samo za ENC sustave, nego se ista koristi u mnogim sustavima gdje je potrebna razmjena digitalnih podataka između dva uređaja radio vezom na kratkim udaljenostima. Kod ENC sustava, radio veza se prvo uspostavlja na ulazu na autocestu gdje se u ENC u vozilu upisuju ulazni podaci (vrijeme ulaska i ulazna postaja). Na izlazu iz autoputa opet se uspostavlja veza sa sustavom gdje isti čita podatke upisane na ulazu, određuje kategoriju vozila i skida obračunati iznos sa ENC-a.
Prepoznavanje kategorije vozila pak se kod nas vrši različito, ovisno o koncesionaru. Tako sustav pod nadzorom HAC-a kategoriju vozila čita sa samog ENC uređaja jer je ona kodirana u ENC prilikom kupnje. S druge strane, sustavi za automatsku naplatu cestarine pod nadzorom ARZ-a opremljeni su senzorima koji na licu mjesta prepoznaju kategoriju vozila na osnovu izmjerenih parametara i tehničkih karakteristika istog (dimenzije, masa, vrsta vozila, broj osovina i slično). Jasno da kod prvog sustava može doći do zloupotrebe ENC-a kupljenog za vozilo niže kategorije od vozila više kategorije, a kod drugog sustava može doći do pogrešne kategorizacije nakon čega korisnik mora prolaziti postupak reklamacije. Najviše pogrešnih kategorizacija nastaje kada se na osobni automobil prve kategorije ugrade nosači sa nekim teretom. Tada ukupna visina vozila može preći 190 cm čime se isto automatski kategorizira u višu skupinu.
Kao i kod većine drugih tehnologija, tako se i sustav automatske elektroničke naplate cestarina u različitim zemljama različito razvijao što je vrlo brzo dovelo do problema nekompatibilnosti i unutar pojedinih država, a posebno za vozila u međunarodnom prometu. Danas se teži što većoj standardizaciji tih sustava, tako da i Europska unija donosi odluke kojima se pokušava standardizirati europski sustav naplate cestarine. Sustavi postavljeni nakon 1. siječnja 2007. moraju podržavati najmanje jednu od sljedećih tehnologija: satelitsko pozicioniranje, mobilnu komunikaciju korištenjem GSM-GPRS standarda ili 5,8 GHz mikrovalnu tehnologiju. Također, Europska komisija je izdala Uredbu o europskoj elektroničkoj naplati cestarine (EETS) koju sve države članice moraju primijeniti od 19. listopada 2021. godine. Tako se i kod nas od iduće godine uvodi novi sustav automatske naplate cestarine koji će biti kompatibilan sa ostatkom EU.
Novim sustavima se teži otkloniti problem usporavanja ili zaustavljanja vozila na naplatnim postajama čime se stvaraju prometni čepovi i prilagoditi sustav automatske naplate bez ikakvog usporavanja vozila, što je poznato kao sustav slobodnog protoka (Free Flow Tolling). Također, korisnici više neće morati imati ENC uređaje u vozilu (transpondere) jer će se prepoznavanje vozila temeljiti na naprednom sustavu skeniranja i raspoznavanja znakova na registracijskim tablicama (OCR- Optical Character Recognition, ALPR – Automated license plate readers). Moguće su i neke druge optičke identifikacije (boja i tip vozila) kako bi se izbjegle zloupotrebe. Ovakav sustav traži neku vrstu registracije vozila u sustav (prijava registarske pločice) prije nego pristupi autoputu. Više zemalja u Europi i svijetu već koristi takve sustave, no oni su i dalje u stalnom razvoju.
ENC uređaji su s elektroničke strane gledano prilično kompleksni uređaji bazirani na modernim mikrokontrolerima i RFID RF krugovima koji obično komuniciraju na frekvenciji 5,8 GHz. Sam ENC uređaj u vozilu može imati svoje napajanje ili pak za napajanje koristiti EM energiju koju zrači uređaj s kojim komunicira. I jedan i drugi sistem ima neke prednosti i nedostatke. Pasivni ENC uređaji (bez napajanja) ne trebaju održavanje (zamjenu baterije), odnosno životni vijek im nije ograničen trajanjem baterije. No s druge strane, takvi transponderi su više osjetljivi na kvalitetu i doseg uspostavljanja veze. Aktivni ENC (sa internom baterijom) imaju veći doseg i time pouzdaniju uspostavu veze, no životni vijek im ovisi o trajanju baterije.
ENC uređaj Q-Free MD 5884 je aktivnog tipa i napaja se preko interne baterije. Takav uređaj je stalno u pripravnosti prijema (stand-by) gdje troši neku minimalnu struju, a za punu funkcionalnost ga aktivira signal uređaja na naplatnim postajama. Garancija na takve uređaje je 1-2 godine, a nakon tog roka, kada se istroši baterija, mora se kupiti novi uređaj. Isti nisu predviđeni za zamjenu baterija kao ni za otvaranje kućišta općenito. Nema podataka da li se izostankom napajanja brišu podaci upisani u memoriju, no to vjerojatno ovisi o modelu ENC-a i tipu ugrađene memorije.
Ugrađena je litij-tionil-kloridna baterija (Li/SOCl2) standardne AA veličine, nominalnog napona 3,6 V i kapaciteta 2200 mAh (Tadiran SL-760). Ovo je nepunjiva (jednokratna) baterija čije osnovne karakteristike su velika specifična energija (veliki kapacitet) i dugi vijek trajanja (nisko samopražnjenje). S druge strane, podnose relativno male struje pražnjenja i ona je za našu bateriju maksimalno 100 mA za kontinuirani rad (nominalno 2 mA, pulsno 200 mA). Kao takve, ove baterije su pogodne za dugotrajno napajanje uređaja i sklopova sa malom potrošnjom struje, poput održavanja napona za programske memorije, napajanja elektroničkih mjernih instrumenta, za RFID sustave i slično. Baterija u našem uređaju je proizvedena 2006. godine i sada pokazuje napon od svega 0,5 V što znači da je davno ispražnjena.
Prema podacima koje smo pronašli za ENC uređaj Q-Free MD 5884, isti je prilagođen za rad po ETSI, RTTT i DSRC standardima za takve uređaje.To znači da komunicira na frekvenciji 5,8 GHz, točnije na četiri frekvencijska opsega:
- 5,795 GHz do 5,800 GHz
- 5,800 GHz do 5,805 GHz
- 5,805 GHz do 5,810 GHz
- 5,810 GHz do 5,815 GHz
Centralne (kanalne) frekvencije tih opsega su 5,7975 / 5,8025 / 5,8075 / 5,8125 GHz. Za prijem podataka se koristi ASK modulacija na brzini 500 kbps, a za slanje podataka se koristi BPSK modulacija na brzini 250 kbps. Komunikacija je semi-dupleksna. Ove jednostavne binarne amplitudne i frekvencijske modulacije su uobičajene u razmjeni digitalnih podataka RF vezom i kod raznih drugih sličnih modemskih (dupleksnih) komunikacija. Svi drugi tehnički detalji i specifikacije ovih uređaja su opisane u ETSI EN 300 674 standardima.
Što se tiče elektronike, gotovo čitav uređaj je sadržan u jednom namjenskom mikrokontroleru sa oznakom Q-Free 27PSDSRC 0543H koji kuca na taktu od 12MHz. Uočava se još integrirani krug 74HCU04D, no on sadrži samo šest invertera koji se vjerojatno koriste kao buferi ili oscilatori.
Za RF prijemnik i predajnik na 5,8 GHz očekivali bi ovdje vidjeti neko kompleksno analogno RF sklopovlje, no ovdje se procesuiranje TX i RX RF signala u najvećem dijelu vrši unutar glavnog čipa u kojem su implementirani mješači, PLL krugovi, modulatori, pojačala i svi drugi sklopovi za digitalnu obradu i upravljanje signalima. Za naš čip Q-Free 27PSDSRC nemamo nikakve podatke, no takvi DSRC čipovi u osnovi sadrže dva prijemnika i jedan predajnik kojima upravlja mikrokontroler.
Jedan prijemnik je tzv. Wake-up receiver (WuRx) koji je uvijek uključen (na prijemu) i čeka signal za “buđenje” te kad ga primi onda uključuje glavni RX prijemnik. Taj WuRx prijemnik je ugrađen iz razloga jer ga odlikuje izrazito niska potrošnja (reda desetak µA pa čak i do desetak nA) te praktički jedva da i troši bateriju čime omogućuje dugotrajan rad uređaja u stalnoj pripravnosti (stand by). To je posebno važno kod uređaja napajanih jednokratnim internim baterijama poput ovog našeg. Niska potrošnja je osigurana time što je struktura takvog prijemnika maksimalno reducirana i prilagođena samo za prijem signala za Wake-up. Obično je to samo pretvornik amplitudno modulirane RF noseće frekvencije u DC napon koji se dalje vodi na neki komparator za detekciju. U DSRC sustavima na 5,8 GHz taj wake-up modulacijski signal je najčešće pravokutni napon na frekvenciji 14 kHz, kojim se noseća frekvencija modulira u kratkim burstovima od 15-17 perioda. Princip je dakle sličan kao kod najjednostavnije CW telegrafije (on-off keying). Nakon wake-up signala odmah slijedi slanje informacijskog paketa podataka.
Glavni prijemnik sadrži ulazni mješač nakon čega se dobivena MF dalje obrađuje digitalno. PLL petlja za kontrolu radne frekvencije je obično zajednička za prijemnik i predajnik, a modulacijom predajnika se opet upravlja digitalno. Danas možete lako i jeftino kupiti gotove integrirane krugove ili gotove RF module za DSRC komunikaciju na 5,8 GHz ili nekoj drugoj standardnoj frekvenciji koji u osnovi sadrže iste sklopove i vrše istu funkciju kao i čip Q-Free 27PSDSRC.
Za ENC uređaje ili engl. ETCS (electronic toll collection system) važno je da sam uređaj u automobilu troši što je moguće manje struje u pripravnosti, no s druge strane uređaj mora biti dovoljno osjetljiv da se “probudi” i ostvari digitalnu razmjenu podataka i kad vozilo prođe u punoj brzini (do 250 km/h) ispod antene sustava na nadzornoj naplatnoj točki. Stoga se primopredajnici za DSRC komunikaciju (dedicated short-range communication) neprestano razvijaju da udovolje tim uvjetima.
Naš ENC uređaj osim DSRC čipa Q-Free 27PSDSRC hex-invertera 74HCU04D sadrži još petnaestak tranzistora, no vidimo da ovdje nema nikakvih vanjskih mikrovalnih RF krugova osim same antene. U krugu antene pak se nalazi dvostruka Schottky dioda oznake XH2 (SMS7621-005LF) kakve se uobičajeno koriste za krugove RF mješača i detektora. Ova brza dioda u našem slučaju posve sigurno služi kao detektor envelope wake-up signala kojeg hvata wake-up prijemnik. Ona moduliranu noseću frekvenciju burst signalima frekvencije 14 kHz pretvara u proporcionalne DC naponske impulse čiji prepoznatljivi slijed onda uključuje glavni prijemnik za prijem samih podataka.
Ulogu ostalih elemenata naravno ovdje ne možemo nagađati bez neke osnovne sheme čipa Q-Free 27PSDSRC. Današnji stupanj integracije modernih DSRC čipova gotovo potpuno isključuje potrebu za vanjskim aktivnim elektroničkim elementima. Ipak, probati ćemo identificirate ostale aktivne komponente na pločici:
- A12 – XC6114A233MR (naponski detektor)
- PDP – TPS3838J25DBVT (naponski detektor vrlo male potrošnje 220 nA)
- R2W – BFR93A (NPN tranzistor 6 GHz)
- 1GW – BC847C (NPN tranzistor)
- 3GW – BC857C (PNP tranzistor)
- A6W – BAS16 (brza prekidačka dioda)
- 10W – BAT18 (dioda)
Na osnovu ovoga može se zaključiti da su to ulazni i detektorski krugovi wake-up prijemnika, kao i moguće ulazna i izlazna RF pojačala prijemnika i predajnika. Elektroničku shemu ovdje nema smisla crtati jer iz nje ionako nećemo puno saznati s obzirom da je glavnina sklopova integrirana u sam čip Q-Free 27PSDSRC. Moderni uređaji ovog tipa vjerojatno i ne sadrže nikakve vanjske elemente osim jednog namjenskog čipa.
Vidjeli smo da se sustavi automatske naplate cestarina temelje na RFID tehnologiji koja je uobičajena i kod mnogih drugih sistema za bežičnu digitalnu razmjenu podataka između dva elektronička uređaja. Specifičnost je ovdje ipak u tome što RF veza mora biti sigurna na nešto većoj udaljenosti (barem 10 metara) i mora biti što brža kako bi se automobil što manje zadržavao na naplatnoj točki. Dodatni sustavi prepoznavanja kategorije vozila također uzrokuju određeno vrijeme procesuiranja, ali i moguće pogreške u kategorizaciji. Automatski sustav, iako je brži od ručne naplate cestarine preko kartica ili gotovinom, ipak u određenoj mjeri usporava promet i u slučaju gužvi također stvara usko grlo nesmetanom prometu vozila. Stoga se uz napredak elektronike stalno uvode novi sistemi sa boljim i bržim optičkim i senzorskim prepoznavanjem tipa vozila te sa sustavima praćenja i naplate vozila bez da ista moraju smanjivati normalnu brzinu ispod one dopuštene na autoputu.
Iako će se novi sustavi morati stalno poboljšavati da se što je moguće više smanji mogućnost pogreške ili zloupotrebe, najveći problem ovdje ipak neće biti tehnički, nego onaj društveni. Ljudska prava i slobode u kombinaciji sa zaštitom osobnih podataka uvijek izazivaju strahove kod (nekih) ljudi. Oni jednostavno iz nekog razloga ne žele da se zna kako su se u nekom trenutku vozili nekom autocestom. Srećom, uvijek postoje i alternativni pravci putovanja koji zaobilaze ceste sa naplatom, no ni tu nema garancije da vas neće snimiti neka prometna nadzorna kamera. Danas se stvarno teško sakriti u javnosti i nikad ne možete biti sigurni gdje će vas snimiti nečija kamera, svim zakonima o tajnosti podataka usprkos 🙂