基于射頻識(shí)別卡的智能飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 莎,郭媛媛

（商丘工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 商丘 476000）

1 前言

如今，市場(chǎng)上所銷(xiāo)售的飲水機(jī)產(chǎn)品很大一部分都加入了智能化的元素。所以，產(chǎn)品智能化已經(jīng)成為飲水機(jī)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的必然走向。射頻卡飲水機(jī)主要是應(yīng)用于飲水較多的公共場(chǎng)合特別是醫(yī)院、工廠(chǎng)、學(xué)校、公司而設(shè)計(jì)的高新技術(shù)節(jié)能產(chǎn)品，它能有效地克服飲水費(fèi)用高、不衛(wèi)生和等水久的難題。另外，智能卡管理模式可節(jié)約用水；即便是在寒冷的冬季人們也可隨時(shí)喝到熱水；投資成本低，單價(jià)比瓶裝飲用水便宜。

此設(shè)計(jì)完成后可實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)人們需要飲水時(shí)，可以事先根據(jù)個(gè)人用水喜好選擇冷、熱水，在保證余額充足的前提下，只需要把水杯放在所選的冷、熱水水杯座上，如果卡權(quán)限已經(jīng)獲得允許，顯示模塊則顯示出卡號(hào)，與此同時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)閉合即繼電器動(dòng)作將閥門(mén)打開(kāi)，水杯自動(dòng)加滿(mǎn)并計(jì)算飲水機(jī)流水量的多少，從射頻卡里扣除對(duì)應(yīng)的金額，實(shí)現(xiàn)出水動(dòng)作。

2 硬件設(shè)計(jì)

主要控制模塊選擇STC89C52，在MCS-51核心結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，有所大量的升級(jí)改進(jìn)。在電路設(shè)計(jì)中，主要是利用了單片機(jī)與復(fù)位電路、晶振電路、紅外（避障）傳感器模塊、射頻模塊以及1602液晶顯示模塊等構(gòu)成射頻識(shí)別卡智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)是整個(gè)射頻卡智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)的核心元件，通過(guò)程序的編寫(xiě)和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)售水功能。

在市場(chǎng)上我們能常常觸碰得到的IC卡通常有2個(gè)類(lèi)型：分別是接觸式的與免接觸式的。接觸式IC卡是一種把集在一起的電路芯片通過(guò)工業(yè)工藝技術(shù)嵌入到卡中的膠型卡片，出現(xiàn)伊始主要應(yīng)用在食堂飯卡、公用電話(huà)之類(lèi)的領(lǐng)域，但接觸式IC卡讀寫(xiě)操作速度比較慢，操作較為繁瑣，且由于芯片長(zhǎng)時(shí)間被暴露出來(lái)，易壞且易折。免接觸式IC卡又叫射頻卡，是把集成電路芯片從卡的外部轉(zhuǎn)移到卡片內(nèi)部，解決了容易被損壞、折斷的問(wèn)題，克服了嚴(yán)酷環(huán)境的影響。據(jù)此，本設(shè)計(jì)選用的是源于荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的MF1 IC S50射頻卡。它的性質(zhì)為比較通用的TYPEA類(lèi)卡?？偣卜譃槭鶄€(gè)扇區(qū)，其中各個(gè)扇區(qū)都有唯一對(duì)應(yīng)的密碼和瀏覽權(quán)限，并且所有卡片有且僅有唯一相對(duì)應(yīng)序列號(hào)，具有快速防沖突機(jī)制，能夠解決數(shù)張卡片同時(shí)出現(xiàn)在刷卡（射頻）區(qū)域的難題，它獨(dú)一無(wú)二的存儲(chǔ)方式也為自身的性能加了不少分，卡片中沒(méi)有獨(dú)立的供電電源，天線(xiàn)部分也位于卡片的內(nèi)部，并且自身?yè)碛蟹浅：玫募用苄阅堋?/p>

選擇MF-RC522作讀卡芯片[1]，RC522是一種低成本，尺寸小且高性能的無(wú)線(xiàn)讀/寫(xiě)卡集成模塊，因?yàn)槠浔旧聿捎昧颂刂频目刂菩酒约靶乱淮x取器，所以此模塊設(shè)計(jì)的IC卡讀卡器幾乎都支持13.56MHz內(nèi)任何種類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信形式及條款,適用于各種基ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)。它能夠輕易地把驅(qū)動(dòng)級(jí)部分和天線(xiàn)有效的連接在一起。MF-RC522 讀寫(xiě)模塊主要由系統(tǒng)電路、SPI接口電路以及天線(xiàn)電路構(gòu)成。MF-RC522工作流程如下：

（1）由讀取器模塊借助天線(xiàn)部分向外部發(fā)送連續(xù)不斷的載波信號(hào)；

（2）在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，逐漸靠近的射頻卡一旦收到讀取器發(fā)出的信號(hào)，立即就會(huì)被識(shí)別并通過(guò)射頻天線(xiàn)反饋至內(nèi)部電源再到卡從而完成卡的激活；

（3）射頻卡里的存取信號(hào)通過(guò)控制模塊，首先是被送至載波上等待處理，之后又借助天線(xiàn)到達(dá)到讀卡模塊；

（4）讀卡模塊把送達(dá)的存取信息先經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼操作，最終進(jìn)入到單片機(jī)中；

（5）主控芯片分析卡的ID號(hào)所給出的信息完成與之相對(duì)應(yīng)的指令與控制。

選擇LCD 1602當(dāng)作系統(tǒng)的顯示模塊，1602作為一類(lèi)可以顯示兩行且每行顯示十六個(gè)字符的液晶顯示模塊，顯示字跡清楚，價(jià)格便宜。按鍵形式選擇矩陣按鍵，這種鍵盤(pán)在一定程度上能減少很多I / O口浪費(fèi)，與獨(dú)立鍵盤(pán)比較而言能夠節(jié)約資本，在按鍵使用量相對(duì)大時(shí)，實(shí)用性更強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)使用紅外（避障）傳感器進(jìn)行空杯檢測(cè)。紅外傳感器模塊具有小尺寸、性能好、幾乎不耗電且制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)紅外射頭發(fā)出的紅外線(xiàn)遭到其他物體遮擋時(shí)，紅外線(xiàn)就會(huì)被反射回來(lái)再由紅外接收頭接收。通過(guò)運(yùn)算放大器以及外圍器件構(gòu)成電壓比較器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)出水口有無(wú)容器的檢測(cè)。

采用流量繼電器實(shí)現(xiàn)出水流量的控制，與同類(lèi)產(chǎn)品相比流量繼電器具有無(wú)彈簧裝置、無(wú)磁性元件、無(wú)水壓因素影響等特點(diǎn)，等到熱水箱內(nèi)的水加熱沸騰以后，紅外檢測(cè)系統(tǒng)如果檢測(cè)到出水口有水杯出現(xiàn)時(shí)，流量繼電器開(kāi)關(guān)便會(huì)立刻打開(kāi)。流量繼電器會(huì)對(duì)水流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要是用來(lái)控制流體的元器件。

采用蜂鳴器作為提示、報(bào)警電路，在規(guī)定的領(lǐng)域內(nèi)通過(guò)電流的大小直接決定了蜂鳴器響度的高低。由于蜂鳴器本身的頻率是隨機(jī)的且能夠借助程序來(lái)調(diào)節(jié),為確保蜂鳴器中有足夠的電流通過(guò),因此設(shè)計(jì)中通過(guò)三極管使電流增大。

此外，單片機(jī)的外圍電路可分為復(fù)位模塊、振蕩模塊和擴(kuò)展下載等部分。

3 軟件設(shè)計(jì)

射頻卡飲水機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：主程序設(shè)計(jì)、RC522讀/寫(xiě)設(shè)計(jì)和讀卡模塊外圍電路設(shè)計(jì)。

主程序的執(zhí)行總過(guò)程整體上包含鍵盤(pán)掃描、液晶顯示及讀取卡片信息等部分。如果發(fā)現(xiàn)射頻卡通過(guò)MF-RC522天線(xiàn)的有效區(qū)域，此時(shí)系統(tǒng)變開(kāi)始檢驗(yàn)射頻卡和密碼，檢驗(yàn)完成液液晶屏顯示出射頻卡中的信息，再根據(jù)持卡人操作指令執(zhí)行相對(duì)應(yīng)程序，射頻卡離開(kāi)天線(xiàn)掃描范圍后，系統(tǒng)就會(huì)重新恢復(fù)到鍵盤(pán)掃描狀態(tài)。主程序流程圖如圖1所示。

M1射頻卡與讀寫(xiě)器在完成了復(fù)位應(yīng)答，信道沖突處理，卡片的選擇、認(rèn)證及對(duì)數(shù)據(jù)塊的操作等過(guò)程后，才能對(duì)射頻卡實(shí)行詳細(xì)地讀/寫(xiě)以及其他的操作。本設(shè)計(jì)選用1602液晶顯示屏作為顯示模塊，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示射頻卡飲水機(jī)的工作狀態(tài)。設(shè)備上電以后液晶顯示屏立即被點(diǎn)亮，系統(tǒng)便進(jìn)入初始化狀態(tài)。若系統(tǒng)檢測(cè)到K1鍵被按下，則顯示屏上顯示注冊(cè)/注銷(xiāo)畫(huà)面，此時(shí)可以通過(guò)K2、K3鍵的選擇完成新卡的注冊(cè)或者是舊卡的注銷(xiāo)；若系統(tǒng)檢測(cè)到K4鍵被按下，則顯示屏顯示菜單/選擇畫(huà)面，此時(shí)可以通過(guò)按壓K4鍵選擇操作對(duì)象，之后再通過(guò)按壓K2、K3鍵完成射頻卡的充值或者單價(jià)的調(diào)整；若系統(tǒng)檢測(cè)到有射頻卡靠近時(shí)，此時(shí)顯示屏顯示卡中的余額、售水單價(jià)、出水流量以及消費(fèi)金額，接滿(mǎn)水杯射頻卡離開(kāi)檢測(cè)范圍后，系統(tǒng)返回到初始狀態(tài)。

鍵盤(pán)掃描程序在整個(gè)射頻卡飲水機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)電源接通以后，系統(tǒng)便立即上電并進(jìn)入到初始化狀態(tài)，此時(shí)鍵盤(pán)掃描程序便始終重復(fù)地對(duì)全部按鍵循環(huán)檢測(cè)，直到檢測(cè)到有按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)立即進(jìn)到此按鍵與之相對(duì)應(yīng)程序中作業(yè)；倘若此按鍵沒(méi)被按下，程序就會(huì)緊接著去檢測(cè)下一個(gè)按鍵是否被按下，以此循環(huán)下去，從而完成各個(gè)按鍵與之相對(duì)應(yīng)的功能。

4 小結(jié)

該射頻識(shí)別卡智能飲水機(jī)需將水杯經(jīng)過(guò)復(fù)雜、特殊的加工工藝處理，把集成的IC卡芯片植入到水杯底部，將飲水機(jī)的射頻模塊放置在飲水機(jī)的水杯座下方，而緊貼著水杯座上方放置一個(gè)微觸壓力開(kāi)關(guān)。與傳統(tǒng)的IC卡飲水機(jī)相比，功能上更趨于人性化、智能化。

[1]李樹(shù)良,施華莎.射頻(RF)卡原理與結(jié)構(gòu)[J].微處理機(jī),2013,16(09):17-19.