1 RFID系統(tǒng)工作原理

1.1 硬件組成

(1)標簽(Tag)。由耦合元件及芯片組成,，每個標簽具有惟一的電子數(shù)據(jù),，附著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)射無線電射頻信號,，并接收由電子標簽反射回的信號,，經(jīng)處理后獲得標簽數(shù)據(jù)信息,。

(3)天線(Antenna)。在電子標簽和閱讀器之間傳遞設備信號,，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,。電子標簽內(nèi)有一個諧振電路，當標簽進入磁場時,，就能產(chǎn)生感應電流獲取能量,、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RFID系統(tǒng)中的“標簽”,，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)行相應的計量程序,，智能表實時核算出表內(nèi)的剩余金額；當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、感應線圈及電容等元件,，并封裝在一個標準的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?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)作相應處理。

4 軟件設計

軟件系統(tǒng)設計采用了模塊化設計方式,，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,，再進入相應中斷服務程序。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購一定量的水,，然后將智能卡靠近智能表感應區(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

在應用過程中,，對于在強電磁波和其他復雜干擾情況下,，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,。