基于RFID的智能卡售水管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
文章出處:http://srpd123.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)線射頻技術(shù),是近年來(lái)新興的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它結(jié)合了射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù),解決了卡中無(wú)源和免接觸讀寫的難題。
RFID技術(shù)在售水系統(tǒng)的應(yīng)用,改變了傳統(tǒng)抄表收費(fèi)模式,用非接觸式智能卡實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi)再用水”和持卡消費(fèi)的模式,提高企業(yè)效率和資金回收率,減少抄表勞動(dòng)強(qiáng)度,促進(jìn)企業(yè)管理的信息化和現(xiàn)代化。
1 RFID系統(tǒng)工作原理
1.1 硬件組成
(1)標(biāo)簽(Tag)。由耦合元件及芯片組成,每個(gè)標(biāo)簽具有惟一的電子數(shù)據(jù),附著在物體上識(shí)別目標(biāo)對(duì)象。
(2)閱讀器(Reader)。讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備,可設(shè)計(jì)為手持或者固定式。用以發(fā)射無(wú)線電射頻信號(hào),并接收由電子標(biāo)簽反射回的信號(hào),經(jīng)處理后獲得標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。
(3)天線(Antenna)。在電子標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞設(shè)備信號(hào),控制數(shù)據(jù)的獲取和通訊聯(lián)系。一般天線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(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波。電子標(biāo)簽內(nèi)有一個(gè)諧振電路,當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí),就能產(chǎn)生感應(yīng)電流獲取能量、時(shí)鐘和指令,并將有用數(shù)據(jù)以反向散射調(diào)制的方式發(fā)射出去。閱讀器接收到此標(biāo)簽的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼后,送入中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這樣,閱讀器通過(guò)天線可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的數(shù)據(jù),達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。
2 基于RFID技術(shù)的智能卡售水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
非接觸式智能卡售水系統(tǒng)主要由3部分組成:售水系統(tǒng)、智能卡、智能表。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中智能卡對(duì)應(yīng)RFID系統(tǒng)中的“標(biāo)簽”,由單片機(jī)系統(tǒng)組成“閱讀器”,集成閱讀器功能的水表即為感應(yīng)式智能水表。
智能卡售水系統(tǒng)由PC機(jī)、后臺(tái)軟件、售卡管理機(jī)組成,信息傳輸載體是用戶需購(gòu)買的非接觸式智能卡,用戶到水司購(gòu)入水量,存儲(chǔ)在智能卡中。用戶需用水時(shí),使用智能卡在智能表感應(yīng)區(qū)刷卡。智能表系統(tǒng)讀入水量金額后,打開閥門進(jìn)行供水。用水過(guò)程中,通過(guò)脈沖采集模塊對(duì)用戶水量余額按一定量遞減,當(dāng)所購(gòu)水量用完時(shí),單片機(jī)發(fā)出信號(hào),驅(qū)動(dòng)閥門關(guān)閉。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 智能表
智能表是集成RFID系統(tǒng)中閱讀器功能的水表,主要由射頻卡閱讀模塊、微處理器89C51、閥門控制模塊、脈沖采集模塊、顯示報(bào)警等模塊組成,結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,上述模塊以邏輯設(shè)計(jì)配合,通過(guò)軟件程序控制完成對(duì)射頻智能卡的讀寫,同時(shí)控制閥門的開關(guān)。
在水表計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤中加裝永磁鐵和干簧管,其中永磁鐵安裝于計(jì)數(shù)盤上,雙干簧管固定于計(jì)數(shù)盤上方附近,計(jì)數(shù)盤轉(zhuǎn)一圈,永磁鐵經(jīng)過(guò)雙干簧管各一次,在信號(hào)端產(chǎn)生兩個(gè)計(jì)量脈沖。當(dāng)接收到有效計(jì)量脈沖時(shí),單片機(jī)由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式,由微處理器執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)量程序,智能表實(shí)時(shí)核算出表內(nèi)的剩余金額;當(dāng)用戶用水余額較少時(shí),水表自動(dòng)報(bào)警,提醒用戶盡快充值購(gòu)水;當(dāng)用戶余額為零時(shí),驅(qū)動(dòng)閥門控制程序,閥門關(guān)閉,并將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部Flash中。
3.2 非接觸式智能卡
智能卡作為系統(tǒng)的信息傳輸媒介,決定了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸形式,采用無(wú)線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,系統(tǒng)的智能卡是一種射頻卡。智能卡內(nèi)集成了芯片、感應(yīng)線圈及電容等元件,并封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片中。讀寫時(shí),將射頻卡靠近閱讀器,閱讀器天線發(fā)出的電磁波在卡內(nèi)的天線上產(chǎn)生感應(yīng)電流,為卡內(nèi)集成芯片提供能量。而該卡內(nèi)的集成電路芯片存儲(chǔ)有制造時(shí)輸入的唯一數(shù)字辨識(shí)號(hào)碼,該號(hào)碼被編碼以后調(diào)制天線上的電流信號(hào),再以電磁波的形式傳遞回閱讀器。閱讀器將收到的無(wú)線信號(hào)傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器,由現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行信號(hào)處理并對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出指令。大多數(shù)智能卡將卡內(nèi)的身份辨識(shí)號(hào)碼(ID號(hào)碼)編碼為曼徹斯特碼,并由單片機(jī)進(jìn)行解碼。
3.3 射頻天線
射頻天線設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)非接觸式讀寫的重要環(huán)節(jié),系統(tǒng)采用無(wú)線射頻感應(yīng)元件GB9。通訊主要技術(shù)指標(biāo)是:發(fā)射頻率125 kHz;電源DC+5 V/90 mA;讀距離>100 mm。所需讀或?qū)懣ㄆ臄?shù)據(jù)分別由89C51的串行口的數(shù)據(jù)接收端(RXD)和發(fā)送端(TX)接收發(fā)送。讀到智能卡數(shù)據(jù)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?qū)?shù)據(jù)作相應(yīng)處理。
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)方式,主控程序包括系統(tǒng)初始化、中斷類型判斷、顯示處理、功耗模式處理等。系統(tǒng)初始化包括對(duì)端口、中斷、LCD控制寄存器的設(shè)置,系統(tǒng)初始化以后,進(jìn)入節(jié)能模式,直到有中斷源將其喚醒,再進(jìn)入相應(yīng)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、閥門控制子程序和水流量采集子程序。
4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
非接觸式智能表實(shí)現(xiàn)的主要功能是:
(1)用戶持智能卡到水司預(yù)購(gòu)一定量的水,然后將智能卡靠近智能表感應(yīng)區(qū)刷卡,智能表讀取水量信息,控制閥門打開,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(qū),用水余額為零時(shí),啟動(dòng)閥門控制子程序。主程序軟件流程,如圖4所示。
4.2 閥門控制功能子程序
閥門控制子程序是通過(guò)讀取剩余用水金額,根據(jù)余額的多少來(lái)控制電磁閥的開關(guān),同時(shí)如余額相對(duì)較低,系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),提醒用戶應(yīng)進(jìn)行充值。閥門控制子程序軟件流程如圖5所示。
5 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)
5.1 系統(tǒng)的功耗問(wèn)題
傳統(tǒng)的水表無(wú)需電源,即使有電源也容易被主觀切斷,造成系統(tǒng)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(xiàng)組成:第一項(xiàng)是單片機(jī)運(yùn)行和LCD顯示的能耗。第二項(xiàng)是智能表執(zhí)行單元運(yùn)行時(shí)的瞬間能耗。第三項(xiàng)是一些聲音報(bào)警等輔助功能的功耗。其中第一項(xiàng)是最主要的,所以首先要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行功耗分析,對(duì)應(yīng)用運(yùn)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(yīng)用軟件優(yōu)化程序達(dá)到綜合降耗效果。
5.2 數(shù)據(jù)的自動(dòng)糾錯(cuò)
為防止盜水現(xiàn)象,我國(guó)大部分水表均安裝于室外,長(zhǎng)年處于干擾的環(huán)境下,受到外界的強(qiáng)電、強(qiáng)磁等干擾時(shí),可能發(fā)生數(shù)據(jù)混亂現(xiàn)象。雖然較少發(fā)生,但用戶表數(shù)量多,覆蓋面廣,應(yīng)引起重視。針對(duì)這種想象,采用了數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)技術(shù):增大存貯器的容量,把數(shù)據(jù)同步存放在5個(gè)不同的位置,讀取數(shù)據(jù)時(shí),同時(shí)從5處讀取,對(duì)讀取的進(jìn)行分析,只要其中的3處以上相同,就認(rèn)為數(shù)據(jù)是有效的,同時(shí),對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理。這樣就會(huì)減少因智能表非主觀混亂而產(chǎn)生的糾紛。
5.3 防振動(dòng)設(shè)計(jì)
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(jì)數(shù)和采樣,造成電子計(jì)數(shù)和輪計(jì)數(shù)不一致,針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,可運(yùn)用遲滯比較器的技術(shù),將磁敏元件做成特殊的遲滯器,當(dāng)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,則需使磁鐵離開磁敏元件至8 mm,這樣就能有效解決振動(dòng)動(dòng)情況下亂計(jì)數(shù)的問(wèn)題。
6 結(jié)束語(yǔ)
在應(yīng)用過(guò)程中,對(duì)于在強(qiáng)電磁波和其他復(fù)雜干擾情況下,系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生意外的操作錯(cuò)誤,因此增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力,有待繼續(xù)研究的。