基于RFID的智能卡售水管理系統設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：不詳 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月11日
RFID(Radio Frequency Identification)即無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)，是近年來(lái)新興的一項自動(dòng)識別技術(shù)。它結合了射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)，解決了卡中無(wú)源和免接觸讀寫(xiě)的難題。
RFID技術(shù)在售水系統的應用，改變了傳統抄表收費模式，用非接觸式智能卡實(shí)現“先付費再用水”和持卡消費的模式，提高企業(yè)效率和資金回收率，減少抄表勞動(dòng)強度，促進(jìn)企業(yè)管理的信息化和現代化。
1 RFID系統工作原理
1．1 硬件組成
(1)標簽(Tag)。由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標簽具有惟一的電子數據，附著(zhù)在物體上識別目標對象。
(2)閱讀器(Reader)。讀取電子標簽信息的設備，可設計為手持或者固定式。用以發(fā)射無(wú)線(xiàn)電射頻信號，并接收由電子標簽反射回的信號，經(jīng)處理后獲得標簽數據信息。
(3)天線(xiàn)(Antenna)。在電子標簽和閱讀器之間傳遞設備信號，控制數據的獲取和通訊聯(lián)系。一般天線(xiàn)和閱讀器整合在一起。
1．2 工作原理
RFID的工作原理如圖1所示，閱讀器在一定區域內發(fā)射電磁波。電子標簽內有一個(gè)諧振電路，當標簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，就能產(chǎn)生感應電流獲取能量、時(shí)鐘和指令，并將有用數據以反向散射調制的方式發(fā)射出去。閱讀器接收到此標簽的數據并進(jìn)行解碼后，送入中央信息系統進(jìn)行數據處理。這樣，閱讀器通過(guò)天線(xiàn)可實(shí)現無(wú)接觸式的讀取并識別電子標簽中所保存的數據，達到自動(dòng)識別物體的目的。
2 基于RFID技術(shù)的智能卡售水系統總體設計
非接觸式智能卡售水系統主要由3部分組成：售水系統、智能卡、智能表。系統結構框圖如圖2所示。其中智能卡對應RFID系統中的“標簽”，由單片機系統組成“閱讀器”，集成閱讀器功能的水表即為感應式智能水表。
智能卡售水系統由PC機、后臺軟件、售卡管理機組成，信息傳輸載體是用戶(hù)需購買(mǎi)的非接觸式智能卡，用戶(hù)到水司購入水量，存儲在智能卡中。用戶(hù)需用水時(shí)，使用智能卡在智能表感應區刷卡。智能表系統讀入水量金額后，打開(kāi)閥門(mén)進(jìn)行供水。用水過(guò)程中，通過(guò)脈沖采集模塊對用戶(hù)水量余額按一定量遞減，當所購水量用完時(shí)，單片機發(fā)出信號，驅動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉。
3 硬件系統設計
3．1 智能表
智能表是集成RFID系統中閱讀器功能的水表，主要由射頻卡閱讀模塊、微處理器89C51、閥門(mén)控制模塊、脈沖采集模塊、顯示報警等模塊組成，結構框圖如圖3所示，上述模塊以邏輯設計配合，通過(guò)軟件程序控制完成對射頻智能卡的讀寫(xiě)，同時(shí)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。
在水表計數轉盤(pán)中加裝永磁鐵和干簧管，其中永磁鐵安裝于計數盤(pán)上，雙干簧管固定于計數盤(pán)上方附近，計數盤(pán)轉一圈，永磁鐵經(jīng)過(guò)雙干簧管各一次，在信號端產(chǎn)生兩個(gè)計量脈沖。當接收到有效計量脈沖時(shí)，單片機由休眠模式轉為工作模式，由微處理器執行相應的計量程序，智能表實(shí)時(shí)核算出表內的剩余金額；當用戶(hù)用水余額較少時(shí)，水表自動(dòng)報警，提醒用戶(hù)盡快充值購水；當用戶(hù)余額為零時(shí)，驅動(dòng)閥門(mén)控制程序，閥門(mén)關(guān)閉，并將數據保存在內部Flash中。
3．2 非接觸式智能卡
智能卡作為系統的信息傳輸媒介，決定了系統的數據傳輸形式，采用無(wú)線(xiàn)射頻方式進(jìn)行數據交換，系統的智能卡是一種射頻卡。智能卡內集成了芯片、感應線(xiàn)圈及電容等元件，并封裝在一個(gè)標準的PVC卡片中。讀寫(xiě)時(shí)，將射頻卡靠近閱讀器，閱讀器天線(xiàn)發(fā)出的電磁波在卡內的天線(xiàn)上產(chǎn)生感應電流，為卡內集成芯片提供能量。而該卡內的集成電路芯片存儲有制造時(shí)輸入的唯一數字辨識號碼，該號碼被編碼以后調制天線(xiàn)上的電流信號，再以電磁波的形式傳遞回閱讀器。閱讀器將收到的無(wú)線(xiàn)信號傳給現場(chǎng)控制器，由現場(chǎng)控制器進(jìn)行信號處理并對執行裝置發(fā)出指令。大多數智能卡將卡內的身份辨識號碼(ID號碼)編碼為曼徹斯特碼，并由單片機進(jìn)行解碼。
3．3 射頻天線(xiàn)
射頻天線(xiàn)設計是實(shí)現非接觸式讀寫(xiě)的重要環(huán)節，系統采用無(wú)線(xiàn)射頻感應元件GB9。通訊主要技術(shù)指標是：發(fā)射頻率125 kHz；電源DC+5 V／90 mA；讀距離>100 mm。所需讀或寫(xiě)卡片的數據分別由89C51的串行口的數據接收端(RXD)和發(fā)送端(TX)接收發(fā)送。讀到智能卡數據時(shí)，其P．LED端產(chǎn)生的電平可使89C51的INTI發(fā)生中斷，由此啟動(dòng)中斷處理程序將數據作相應處理。
4 軟件設計
軟件系統設計采用了模塊化設計方式，主控程序包括系統初始化、中斷類(lèi)型判斷、顯示處理、功耗模式處理等。系統初始化包括對端口、中斷、LCD控制寄存器的設置，系統初始化以后，進(jìn)入節能模式，直到有中斷源將其喚醒，再進(jìn)入相應中斷服務(wù)程序。功能模塊子程序包括：刷卡子程序、水表故障子程序、閥門(mén)控制子程序和水流量采集子程序。
4．1 系統主程序設計
非接觸式智能表實(shí)現的主要功能是：
(1)用戶(hù)持智能卡到水司預購一定量的水，然后將智能卡靠近智能表感應區刷卡，智能表讀取水量信息，控制閥門(mén)打開(kāi)，水表進(jìn)入工作狀態(tài)。
(2)用水過(guò)程中，水表及時(shí)將“總用水量”、“用水余額”等信息存到Flash RAM區，用水余額為零時(shí)，啟動(dòng)閥門(mén)控制子程序。主程序軟件流程，如圖4所示。
4．2 閥門(mén)控制功能子程序
閥門(mén)控制子程序是通過(guò)讀取剩余用水金額，根據余額的多少來(lái)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，同時(shí)如余額相對較低，系統系統發(fā)出報警信號，提醒用戶(hù)應進(jìn)行充值。閥門(mén)控制子程序軟件流程如圖5所示。
5 關(guān)鍵技術(shù)設計
5．1 系統的功耗問(wèn)題
傳統的水表無(wú)需電源，即使有電源也容易被主觀(guān)切斷，造成系統無(wú)法工作。因此智能表采用堿性干電池進(jìn)行供電，但是電池的容量有限，水表的功耗問(wèn)題研究就顯得尤為重要。智能表的能耗主要由3項組成：第一項是單片機運行和LCD顯示的能耗。第二項是智能表執行單元運行時(shí)的瞬間能耗。第三項是一些聲音報警等輔助功能的功耗。其中第一項是最主要的，所以首先要對單片機進(jìn)行功耗分析，對應用運行中的有效功耗和無(wú)效功耗分別做時(shí)間和空間域劃分，集中有效功耗的時(shí)間和空間域，同時(shí)應用軟件優(yōu)化程序達到綜合降耗效果。
5．2 數據的自動(dòng)糾錯
為防止盜水現象，我國大部分水表均安裝于室外，長(cháng)年處于干擾的環(huán)境下，受到外界的強電、強磁等干擾時(shí)，可能發(fā)生數據混亂現象。雖然較少發(fā)生，但用戶(hù)表數量多，覆蓋面廣，應引起重視。針對這種想象，采用了數據自動(dòng)糾錯技術(shù)：增大存貯器的容量，把數據同步存放在5個(gè)不同的位置，讀取數據時(shí)，同時(shí)從5處讀取，對讀取的進(jìn)行分析，只要其中的3處以上相同，就認為數據是有效的，同時(shí)，對出現錯誤的數據進(jìn)行糾錯處理。這樣就會(huì )減少因智能表非主觀(guān)混亂而產(chǎn)生的糾紛。
5．3 防振動(dòng)設計
智能表因水流經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì )引起磁敏元件的多次計數和采樣，造成電子計數和輪計數不一致，針對這個(gè)問(wèn)題，可運用遲滯比較器的技術(shù)，將磁敏元件做成特殊的遲滯器，當磁敏元件吸合時(shí)，磁鐵需靠近磁敏元件5 mm，但要使磁敏元件斷開(kāi)，則需使磁鐵離開(kāi)磁敏元件至8 mm，這樣就能有效解決振動(dòng)動(dòng)情況下亂計數的問(wèn)題。
6 結束語(yǔ)
在應用過(guò)程中，對于在強電磁波和其他復雜干擾情況下，系統會(huì )產(chǎn)生意外的操作錯誤，因此增強系統抗干擾能力，有待繼續研究的。
