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(jì)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(jìn)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(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，閱讀器通過天線可實(shí)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(dá)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(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)、后臺軟件、售卡管理機(jī)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(jìn)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(jī)發(fā)出信號，驅(qū)動閥門關(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(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)過雙干簧管各一次，在信號端產(chǎn)生兩個計(jì)量脈沖。當(dāng)接收到有效計(jì)量脈沖時，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(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(jìn)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(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(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(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(jìn)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(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)行時的瞬間能耗。第三項(xiàng)是一些聲音報警等輔助功能的功耗。其中第一項(xiàng)是最主要的，所以首先要對單片機(jī)進(jìn)行功耗分析，對應(yīng)用運(yùn)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(dá)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(qiáng)電、強(qiáng)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(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，對出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)

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(jì)數(shù)和采樣，造成電子計(jì)數(shù)和輪計(jì)數(shù)不一致，針對這個問題，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，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(jì)數(shù)的問題。

6 結(jié)束語

在應(yīng)用過程中，對于在強(qiáng)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(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，有待繼續(xù)研究的。