RFID技術(shù)在紙幣錢箱ID識別中的應(yīng)用

王晶鑫+蔡銘

【摘 要】廣州地鐵AFC系統(tǒng)自動售票機(jī)（簡稱TVM）紙幣錢箱ID識別的方式為接觸式，故障率較高主要是由于ID識別的連接器與安裝在錢箱的ID芯片接觸不良的問題導(dǎo)致。ID識別的故障會導(dǎo)致紙幣模塊的停用，本文介紹了RFID（射頻識別）技術(shù)的原理是如何應(yīng)用在在廣州地鐵AFC系統(tǒng)中TVM紙幣錢箱ID中，并給出具體的解決方案。

【關(guān)鍵詞】AFC系統(tǒng)、；紙幣錢箱、；RFID技術(shù)、；ID識別

一、引言

廣州地鐵AFC系統(tǒng)TVM采用接觸式ID識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)ID識別功能，此類ID識別技術(shù)原理較簡單，依靠金屬片的接觸產(chǎn)生信號，使紙幣模塊可以識別出錢箱的ID信息。同時，因?yàn)樗枰牟牧陷^簡單，設(shè)備較輕便，所以在要求不高的層面上都可以得到廣泛的應(yīng)用。

雖然接觸式ID識別技術(shù)原理較為簡單，但是也存在一些不足。接觸片由于長時間裸露于空氣中，產(chǎn)生不可逆的氧化作用，使接觸電阻大大的增大，影響其正常工作，從而不能達(dá)到ID識別的作用。

而RFID技術(shù)可以從根本上解決目前接觸式ID識別的現(xiàn)有的故障，從而提高工作的效率，降低故障率。

二、RFID自動識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。典型的射頻標(biāo)簽（射頻識別系統(tǒng)）工作頻率按載波頻率分為低頻射頻標(biāo)簽、中頻射頻標(biāo)簽和高頻射頻標(biāo)簽。

考慮到TVM的紙幣錢箱支架是全金屬外殼，而且錢箱在支架空間狹小等因素，若采用RFID技術(shù)就必須選擇適當(dāng)?shù)念l率范圍，以達(dá)到準(zhǔn)確識別的目的。要提高讀寫速度，增大金屬的穿透率以及控制標(biāo)簽的適當(dāng)大小，符合這樣條件的頻率是在HF、UHF頻段。

三、RFID在紙幣錢箱ID識別中的實(shí)現(xiàn)

（一）錢箱ID識別結(jié)構(gòu)和不足

紙幣錢箱支架的功能是將TVM接收的紙幣整齊地壓進(jìn)錢箱、檢測錢箱狀態(tài)和讀取錢箱ID。原紙幣錢箱ID識別模塊包括ID芯片和ID觸板兩部分：

ID芯片安裝于錢箱側(cè)面，使用的是可編程FLASH微處理器，管腳以金屬觸點(diǎn)的形式與外電路連接并進(jìn)行通信。為改善金屬觸點(diǎn)的傳導(dǎo)性能，觸點(diǎn)表面進(jìn)行了鍍金處理，使用過程中也需要經(jīng)常清潔觸點(diǎn)表面，保證良好的傳導(dǎo)。

ID觸板安裝于支架側(cè)面，五根金屬爪等距地焊在PCB板上，ID觸板通過連接鐵片固定在支架側(cè)面，ID觸板是可以活動的，并有一扭轉(zhuǎn)彈簧。觸板中設(shè)有一個可滾動的輥?zhàn)?，?dāng)打開錢箱支架鎖的同時，有聯(lián)動機(jī)構(gòu)會頂起此輥?zhàn)?，斷開其與ID芯片的接觸，此時可以取出紙幣錢箱。

ID觸板有五根相同的彎曲造型的金屬爪，五根金屬爪分別對應(yīng)ID芯片的五個金屬觸點(diǎn)，在主控與ID芯片的通信過程中，兩者必須保證良好接觸才能完成錢箱ID數(shù)據(jù)的讀取。若ID金屬爪不能與ID芯片觸點(diǎn)良好接觸，會導(dǎo)致支架主控與ID芯片的通信無法建立，出現(xiàn)E53故障（與ID芯片失去通信故障）。

（二）RDID（射頻識別）技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

根據(jù)上述分析，ID識別故障主要是ID識別模塊容易發(fā)生接觸不良導(dǎo)致的。通過市場調(diào)查和在用的ID識別模塊進(jìn)行分析，基本確定了利用RFID（射頻識別）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方案。

通過在錢箱側(cè)面安裝ID票卡，在支架安裝讀卡器的方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)讀卡距離要求和安裝尺寸，首先確定了選用的讀卡模塊，從而制定了具體的整改方案。整改方案主要包含支架錢箱機(jī)械加工、支架錢箱工作控制流程分析、支架板控制程序編寫、電路板設(shè)計(jì)、射頻讀卡模塊五個部分。

3.2.11.支架錢箱機(jī)械加工

由于支架和錢箱都是金屬材質(zhì)，金屬環(huán)境會影響射頻信號導(dǎo)致讀卡性能不滿足要求，因此需要對支架錢箱在原安裝孔位上再進(jìn)行開孔加工，開孔位置用來安裝讀卡天線和ID票卡，以達(dá)到讀卡性能要求。

本項(xiàng)目采用型號為Philips mifare ultralight 的TOKEN作為ID票卡，因?yàn)榻饘俑蓴_的原因，票卡不能直接安裝在錢箱金屬表面，所以需要對錢箱側(cè)面進(jìn)行開孔并裝上塑料票卡安裝板，票卡安裝在圓槽處。

3.2.22.支架控制板工作流程研究

本項(xiàng)目采用了新的方式實(shí)現(xiàn)紙幣錢箱ID識別功能，需要設(shè)計(jì)支架控制板與RFID讀卡模塊的通信協(xié)議。除ID識別模塊控制部分，支架控制板需要保持原有的所有控制功能，包括與上位主控的通信、執(zhí)行上位主控的指令、返回錢箱支架狀態(tài)、支架各個器件的驅(qū)動和控制，實(shí)現(xiàn)接收紙幣的壓鈔、檢測錢箱鎖/取出狀態(tài)等。另外需要選用合適的讀卡模塊，開發(fā)讀卡模塊的接口通信和控制程序，使ID識別功能滿足實(shí)際使用需求。

3.2.33.通信協(xié)議和程序編寫

支架主控通過RS232與上位主控進(jìn)行通信，上位主控以數(shù)據(jù)包的形式向支架主控發(fā)送執(zhí)行指令和狀態(tài)詢問指令，支架主控接收到執(zhí)行指令后，執(zhí)行相應(yīng)的動作；支架主控接收到狀態(tài)詢問指令后，反饋實(shí)時狀態(tài)碼。假如信息被正確接收，對方便會分別在隨后回復(fù)[ACK]（06H），否則回復(fù)[NAK]（15H）。

當(dāng)紙幣模塊接收到B1指令（將紙幣收進(jìn)錢箱）后，紙幣被移送入支架，壓鈔電磁閥動作將紙幣夾緊并移送至壓鈔區(qū)，壓鈔區(qū)的傳感器檢測到紙幣被送進(jìn)來以后，壓鈔裝置動作，將紙幣壓進(jìn)錢箱。

讀卡器不斷檢測天線附近是否有卡，并根據(jù)檢測結(jié)果改變SDA腳的狀態(tài)供支架控制板查詢?？刂瓢逋ㄟ^查詢SDA腳的狀態(tài)來判斷是否有卡，為確保判斷的準(zhǔn)確性，設(shè)定需檢測到連續(xù)254次的狀態(tài)變化才真正判斷“有卡”狀態(tài)。收到讀取錢箱ID的指令后，支架控制板將SCL腳置零，讀卡器檢測到SCL腳被置零，開始發(fā)送卡號。

3.2.44.電路硬件電路設(shè)計(jì)

讀卡模塊設(shè)計(jì)選用Type A標(biāo)準(zhǔn)，硬件電路選用13.56MHz 非接觸式通信中高集成讀寫卡芯片MF RC531和STC 89C54RD+微處理器，讀卡器的設(shè)計(jì)能滿足正常環(huán)境下讀卡距離達(dá)到70MM以上，天線和讀卡控制板一體化設(shè)計(jì)是為了安裝方便和E54傳感器的準(zhǔn)確定位。

由于讀卡器需要在封閉的金屬環(huán)境下使用，天線的調(diào)諧要放在最終的使用環(huán)境中進(jìn)行調(diào)諧，主要是調(diào)節(jié)天線匹配電路中CS、CP兩個電容的值。

由于支架側(cè)面與錢箱側(cè)面的距離只有10MM左右，所以對讀卡距離要求不高，讀卡距離只需要達(dá)到25MM至30MM即可保證可靠讀取錢箱ID。通過兩個可調(diào)電容進(jìn)行調(diào)試，最終確定了天線的匹配電路設(shè)計(jì)。

四、結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了TVM紙幣錢箱ID識別在目前的一些不足，找出了ID識別故障發(fā)生的主要原因。同時，介紹RFID技術(shù)的原理，指出RFID系統(tǒng)的非接觸式感應(yīng)ID識別的優(yōu)點(diǎn)，從技術(shù)上提出解決目前ID識別的不足的方案。

當(dāng)然，系統(tǒng)并不是完美的，許多方面還要繼續(xù)改善，譬如可能在不能預(yù)見的情況下所出現(xiàn)的電磁干擾等，不過相信在工作人員在未來中一定可以一一解決這些問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 付麗華.RFID技術(shù)及產(chǎn)品設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社， 2017年4月

[2] 高建良，賀建飚.物聯(lián)網(wǎng)RFID原理與技術(shù). 電子工業(yè)出版社， 2013年7月

[3] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社， 2009年7月

[4] 彭力，徐華. 無線射頻識別技術(shù)與應(yīng)用. 西安電子科技大學(xué)出版社， 2014年1月endprint