基于RFID技术的智能卡售水管理系统

摘要 介绍了RFID技术的工作原理，提出了智能卡售水管理系统的总体设计方案，分析了应用RFID和单片机技术，实现非接触式智能卡和智能表的软硬件设计，并对系统几个关键技术问题进行探讨和研究。
关键词 无线射频；非接触式；智能卡；智能表；单片机

    RFID(Radio Frequency Identification)即无线射频技术，是近年来新兴的一项自动识别技术。它结合了射频识别技术和IC卡技术，解决了卡中无源和免接触读写的难题。RFID技术在售水系统的应用，改变了传统抄表收费模式，用非接触式智能卡实现“先付费再用水”和持卡消费的模式，提高企业效率和资金回收率，减少抄表劳动强度，促进企业管理的信息化和现代化。

1 RFID系统工作原理
1．1 硬件组成
    (1)标签(Tag)。由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子数据，附着在物体上识别目标对象。
    (2)阅读器(Reader)。读取电子标签信息的设备，可设计为手持或者固定式。用以发射无线电射频信号，并接收由电子标签反射回的信号，经处理后获得标签数据信息。
    (3)天线(Antenna)。在电子标签和阅读器之间传递设备信号，控制数据的获取和通讯联系。一般天线和阅读器整合在一起。
1．2 工作原理
    RFID的工作原理如图1所示，阅读器在一定区域内发射电磁波。电子标签内有一个谐振电路，当标签进入磁场时，就能产生感应电流获取能量、时钟和指令，并将有用数据以反向散射调制的方式发射出去。阅读器接收到此标签的数据并进行解码后，送入中央信息系统进行数据处理。这样，阅读器通过天线可实现无接触式的读取并识别电子标签中所保存的数据，达到自动识别物体的目的。

2 基于RFID技术的智能卡售水系统总体设计
    非接触式智能卡售水系统主要由3部分组成：售水系统、智能卡、智能表。系统结构框图如图2所示。其中智能卡对应RFID系统中的“标签”，由单片机系统组成“阅读器”，集成阅读器功能的水表即为感应式智能水表。

    智能卡售水系统由PC机、后台软件、售卡管理机组成，信息传输载体是用户需购买的非接触式智能卡，用户到水司购入水量，存储在智能卡中。用户需用水时，使用智能卡在智能表感应区刷卡。智能表系统读入水量金额后，打开阀门进行供水。用水过程中，通过脉冲采集模块对用户水量余额按一定量递减，当所购水量用完时，单片机发出信号，驱动阀门关闭。

3 硬件系统设计
3．1 智能表
    智能表是集成RFID系统中阅读器功能的水表，主要由射频卡阅读模块、微处理器89C51、阀门控制模块、脉冲采集模块、显示报警等模块组成，结构框图如图3所示，上述模块以逻辑设计配合，通过软件程序控制完成对射频智能卡的读写，同时控制阀门的开关。

    在水表计数转盘中加装永磁铁和干簧管，其中永磁铁安装于计数盘上，双干簧管固定于计数盘上方附近，计数盘转一圈，永磁铁经过双干簧管各一次，在信号端产生两个计量脉冲。当接收到有效计量脉冲时，单片机由休眠模式转为工作模式，由微处理器执行相应的计量程序，智能表实时核算出表内的剩余金额；当用户用水余额较少时，水表自动报警，提醒用户尽快充值购水；当用户余额为零时，驱动阀门控制程序，阀门关闭，并将数据保存在内部Flash中。
3．2 非接触式智能卡
    智能卡作为系统的信息传输媒介，决定了系统的数据传输形式，采用无线射频方式进行数据交换，系统的智能卡是一种射频卡。智能卡内集成了芯片、感应线圈及电容等元件，并封装在一个标准的PVC卡片中。读写时，将射频卡靠近阅读器，阅读器天线发出的电磁波在卡内的天线上产生感应电流，为卡内集成芯片提供能量。而该卡内的集成电路芯片存储有制造时输入的唯一数字辨识号码，该号码被编码以后调制天线上的电流信号，再以电磁波的形式传递回阅读器。阅读器将收到的无线信号传给现场控制器，由现场控制器进行信号处理并对执行装置发出指令。大多数智能卡将卡内的身份辨识号码(ID号码)编码为曼彻斯特码，并由单片机进行解码。
3．3 射频天线
    射频天线设计是实现非接触式读写的重要环节，系统采用无线射频感应元件GB9。通讯主要技术指标是：发射频率125 kHz；电源DC+5 V／90 mA；读距离>100 mm。所需读或写卡片的数据分别由89C51的串行口的数据接收端(RXD)和发送端(TX)接收发送。读到智能卡数据时，其P．LED端产生的电平可使89C51的INTI发生中断，由此启动中断处理程序将数据作相应处理。

4 软件设计
    软件系统设计采用了模块化设计方式，主控程序包括系统初始化、中断类型判断、显示处理、功耗模式处理等。系统初始化包括对端口、中断、LCD控制寄存器的设置，系统初始化以后，进入节能模式，直到有中断源将其唤醒，再进入相应中断服务程序。功能模块子程序包括：刷卡子程序、水表故障子程序、阀门控制子程序和水流量采集子程序。
4．1 系统主程序设计
    非接触式智能表实现的主要功能是：
    (1)用户持智能卡到水司预购一定量的水，然后将智能卡靠近智能表感应区刷卡，智能表读取水量信息，控制阀门打开，水表进入工作状态。
    (2)用水过程中，水表及时将“总用水量”、“用水余额”等信息存到Flash RAM区，用水余额为零时，启动阀门控制子程序。主程序软件流程，如图4所示。

4．2 阀门控制功能子程序
    阀门控制子程序是通过读取剩余用水金额，根据余额的多少来控制电磁阀的开关，同时如余额相对较低，系统系统发出报警信号，提醒用户应进行充值。阀门控制子程序软件流程如图5所示。

5 关键技术设计
5．1 系统的功耗问题
    传统的水表无需电源，即使有电源也容易被主观切断，造成系统无法工作。因此智能表采用碱性干电池进行供电，但是电池的容量有限，水表的功耗问题研究就显得尤为重要。智能表的能耗主要由3项组成：第一项是单片机运行和LCD显示的能耗。第二项是智能表执行单元运行时的瞬间能耗。第三项是一些声音报警等辅助功能的功耗。其中第一项是最主要的，所以首先要对单片机进行功耗分析，对应用运行中的有效功耗和无效功耗分别做时间和空间域划分，集中有效功耗的时间和空间域，同时应用软件优化程序达到综合降耗效果。
5．2 数据的自动纠错
    为防止盗水现象，我国大部分水表均安装于室外，长年处于干扰的环境下，受到外界的强电、强磁等干扰时，可能发生数据混乱现象。虽然较少发生，但用户表数量多，覆盖面广，应引起重视。针对这种想象，采用了数据自动纠错技术：增大存贮器的容量，把数据同步存放在5个不同的位置，读取数据时，同时从5处读取，对读取的进行分析，只要其中的3处以上相同，就认为数据是有效的，同时，对出现错误的数据进行纠错处理。这样就会减少因智能表非主观混乱而产生的纠纷。
5．3 防振动设计
    智能表因水流经过产生的振动，会引起磁敏元件的多次计数和采样，造成电子计数和轮计数不一致，针对这个问题，可运用迟滞比较器的技术，将磁敏元件做成特殊的迟滞器，当磁敏元件吸合时，磁铁需靠近磁敏元件5 mm，但要使磁敏元件断开，则需使磁铁离开磁敏元件至8 mm，这样就能有效解决振动动情况下乱计数的问题。

6 结束语
    在应用过程中，对于在强电磁波和其他复杂干扰情况下，系统会产生意外的操作错误，因此增强系统抗干扰能力，有待继续研究的。