基于RFID的智能卡售水管理系統(tǒng)設(shè)計
文章出處:http://botanicstilllife.com 作者:不詳 人氣: 發(fā)表時間:2011年10月11日
RFID(Radio Frequency Identification)即無線射頻技術(shù),是近年來新興的一項自動識別技術(shù)。它結(jié)合了射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù),解決了卡中無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)抄表收費模式,用非接觸式智能卡實現(xiàn)“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,減少抄表勞動強度,促進企業(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,每個標(biāo)簽具有惟一的電子數(shù)據(jù),附著在物體上識別目標(biāo)對象。
(2)閱讀器(Reader)。讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備,可設(shè)計為手持或者固定式。用以發(fā)射無線電射頻信號,并接收由電子標(biāo)簽反射回的信號,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,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)有一個諧振電路,當(dāng)標(biāo)簽進入磁場時,就能產(chǎn)生感應(yīng)電流獲取能量、時鐘和指令,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)并進行解碼后,送入中央信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。這樣,閱讀器通過天線可實現(xiàn)無接觸式的讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的數(shù)據(jù),達到自動識別物體的目的。
2 基于RFID技術(shù)的智能卡售水系統(tǒng)總體設(shè)計
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。其中智能卡對應(yīng)RFID系統(tǒng)中的“標(biāo)簽”,由單片機系統(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、后臺軟件、售卡管理機組成,信息傳輸載體是用戶需購買的非接觸式智能卡,用戶到水司購入水量,存儲在智能卡中。用戶需用水時,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,打開閥門進行供水。用水過程中,通過脈沖采集模塊對用戶水量余額按一定量遞減,當(dāng)所購水量用完時,單片機發(fā)出信號,驅(qū)動閥門關(guān)閉。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計
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)計配合,通過軟件程序控制完成對射頻智能卡的讀寫,同時控制閥門的開關(guān)。
在水表計數(shù)轉(zhuǎn)盤中加裝永磁鐵和干簧管,其中永磁鐵安裝于計數(shù)盤上,雙干簧管固定于計數(shù)盤上方附近,計數(shù)盤轉(zhuǎn)一圈,永磁鐵經(jīng)過雙干簧管各一次,在信號端產(chǎn)生兩個計量脈沖。當(dāng)接收到有效計量脈沖時,單片機由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式,由微處理器執(zhí)行相應(yīng)的計量程序,智能表實時核算出表內(nèi)的剩余金額;當(dāng)用戶用水余額較少時,水表自動報警,提醒用戶盡快充值購水;當(dāng)用戶余額為零時,驅(qū)動閥門控制程序,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,采用無線射頻方式進行數(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,并封裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片中。讀寫時,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有制造時輸入的唯一數(shù)字辨識號碼,該號碼被編碼以后調(diào)制天線上的電流信號,再以電磁波的形式傳遞回閱讀器。閱讀器將收到的無線信號傳給現(xiàn)場控制器,由現(xiàn)場控制器進行信號處理并對執(zhí)行裝置發(fā)出指令。大多數(shù)智能卡將卡內(nèi)的身份辨識號碼(ID號碼)編碼為曼徹斯特碼,并由單片機進行解碼。
3.3 射頻天線
射頻天線設(shè)計是實現(xiàn)非接觸式讀寫的重要環(huán)節(jié),系統(tǒng)采用無線射頻感應(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,其P.LED端產(chǎn)生的電平可使89C51的INTI發(fā)生中斷,由此啟動中斷處理程序?qū)?shù)據(jù)作相應(yīng)處理。
4 軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)設(shè)計采用了模塊化設(shè)計方式,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)初始化包括對端口、中斷、LCD控制寄存器的設(shè)置,系統(tǒng)初始化以后,進入節(jié)能模式,直到有中斷源將其喚醒,再進入相應(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
非接觸式智能表實現(xiàn)的主要功能是:
(1)用戶持智能卡到水司預(yù)購一定量的水,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,水表進入工作狀態(tài)。
(2)用水過程中,水表及時將“總用水量”、“用水余額”等信息存到Flash RAM區(qū),用水余額為零時,啟動閥門控制子程序。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讀取剩余用水金額,根據(jù)余額的多少來控制電磁閥的開關(guān),同時如余額相對較低,系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)出報警信號,提醒用戶應(yīng)進行充值。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
5.1 系統(tǒng)的功耗問題
傳統(tǒng)的水表無需電源,即使有電源也容易被主觀切斷,造成系統(tǒng)無法工作。因此智能表采用堿性干電池進行供電,但是電池的容量有限,水表的功耗問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(zhí)行單元運行時的瞬間能耗。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行功耗分析,對應(yīng)用運行中的有效功耗和無效功耗分別做時間和空間域劃分,集中有效功耗的時間和空間域,同時應(yīng)用軟件優(yōu)化程序達到綜合降耗效果。
5.2 數(shù)據(jù)的自動糾錯
為防止盜水現(xiàn)象,我國大部分水表均安裝于室外,長年處于干擾的環(huán)境下,受到外界的強電、強磁等干擾時,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。針對這種想象,采用了數(shù)據(jù)自動糾錯技術(shù):增大存貯器的容量,把數(shù)據(jù)同步存放在5個不同的位置,讀取數(shù)據(jù)時,同時從5處讀取,對讀取的進行分析,只要其中的3處以上相同,就認為數(shù)據(jù)是有效的,同時,對出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)進行糾錯處理。這樣就會減少因智能表非主觀混亂而產(chǎn)生的糾紛。
5.3 防振動設(shè)計
智能表因水流經(jīng)過產(chǎn)生的振動,會引起磁敏元件的多次計數(shù)和采樣,造成電子計數(shù)和輪計數(shù)不一致,針對這個問題,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(dāng)磁敏元件吸合時,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動情況下亂計數(shù)的問題。
6 結(jié)束語
在應(yīng)用過程中,對于在強電磁波和其他復(fù)雜干擾情況下,系統(tǒng)會產(chǎn)生意外的操作錯誤,因此增強系統(tǒng)抗干擾能力,有待繼續(xù)研究的。