基于RFID技術(shù)的刷卡消費系統(tǒng)設(shè)計

王亓劍，謝文娣，史道玲，章 華，舒敬榮，彭 霞

(安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，安徽 合肥 230088)

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下無線射頻識別技術(shù)越來越成熟，其主要應(yīng)用在自動識別領(lǐng)域。無線射頻識別技術(shù)是通過讀卡器發(fā)射無線射頻信號與特定目標建立非接觸聯(lián)系以此來獲取物體的信息。在促進電子技術(shù)發(fā)展的同時也給人們生活提供許多的便利。在日常生活中能夠隨處看見這一技術(shù)的廣泛使用，如校園一卡通就是運用其進行讀卡來獲取信息。在校園生活中實行一卡通，不僅可以用卡在校園進行刷卡消費，還能使管理人員在管理圖書館時通過一卡通判別進入圖書館是否為本校學(xué)生[1]。此外，校園一卡通系統(tǒng)在搭建過程中，考慮到后期的靈活擴展需求，在設(shè)備配置上留有一定的空間，以后更加智能化地管理校園生活[2]。

近年來國家大力發(fā)展教育行業(yè)，如今各大校園無論是學(xué)生還是教職工數(shù)量都呈增長趨勢。為了更好地管理校園生活，提出基于數(shù)字化校園建設(shè)，校園一卡通在各高校得到了廣泛使用[3]。在校園生活中人們每天都要進行飲食消費，而在消費時有許多支付方式，如現(xiàn)金支付、飯票支付等。在校園實行一卡通能夠給學(xué)生和教職工校園生活提供極大便利。

本設(shè)計主要用到無線射頻識別技術(shù)和單片機技術(shù)。單片機技術(shù)指的是在芯片外設(shè)接口連接所需要控制的硬件來實現(xiàn)特定的功能。刷卡消費系統(tǒng)是以無線射頻識別技術(shù)為核心進行刷卡操作完成消費者的支付，在無線射頻技術(shù)上再結(jié)合單片機技術(shù)進行控制實現(xiàn)非接觸式IC卡能進行模擬刷卡消費[4]。刷卡消費系統(tǒng)在運行中當有射頻卡靠近射頻模塊感應(yīng)區(qū)范圍時,射頻模塊讀取射頻卡卡內(nèi)標簽信息，并在LCD顯示屏上顯示射頻卡卡內(nèi)的相關(guān)信息[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理和方案

本設(shè)計主要涉及有單片機技術(shù)和無線射頻識別技術(shù)。在芯片外圍接口連接液晶顯示器、讀卡器和矩陣鍵盤等主要元器件來控制整個系統(tǒng)工作，讀卡器讀取射頻卡卡內(nèi)信息并將信息傳送給系統(tǒng)處理。本設(shè)計系統(tǒng)原理框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle block diagram

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)指的是在外圍接口連接最少的元器件后再給予單片機芯片通電能讓單片機工作。單片機最小系統(tǒng)主要是晶振電路和復(fù)位電路組成。晶振電路是由兩個電容和一個晶振組成，其功能是給單片機工作提供脈沖信號。復(fù)位電路是由微動開關(guān)、電阻和極性電容組成，其功能是當復(fù)位鍵按下后單片機重新啟動程序從而恢復(fù)到最初始狀態(tài)。單片機最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)Fig.2 Single-chip minimum system

電路中XTAL1和XTAL2為反向放大器的輸入與輸出，其可以配置成片內(nèi)振蕩器。若采取外部時鐘源驅(qū)動器，XTAL2應(yīng)不接。一個機器共有12個振蕩周期，外接石英晶體振蕩器工作效率為12 MHz。

2.2 RC522讀卡器設(shè)計

采用的射頻模塊是RC522讀卡器，該讀卡器應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀卡器系列芯片中的一員。RC522支持多種通信工作接口，具有奇偶校驗功能，片內(nèi)集成溫度傳感器能夠感應(yīng)周圍溫度環(huán)境從而判斷是否發(fā)射射頻信號進行工作。

采用RC522模塊用來讀取數(shù)據(jù)，RC522模塊在本設(shè)計中采用串行外設(shè)接口方式與單片機進行通訊，主要工作原理是通過讀卡器發(fā)射射頻信號在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)尋找射頻卡，當在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)感應(yīng)到卡時讀取卡內(nèi)信息并且將獲取的信息傳送給單片機進行處理。RC522模塊與單片機連接電路圖如圖3所示。

圖3 連接電路圖Fig.3 Connect circuit diagram

2.3 矩陣鍵盤設(shè)計原理

在單片機需要用到多個鍵盤時，采用矩陣結(jié)構(gòu)鍵盤是合理的方法。既能實現(xiàn)多功能按鍵，又能減少單片機的接口占用。其連接原理是依次將每一行的所有微動開關(guān)中側(cè)面雙通的引腳一端全接在一根線上，其次再將每一列中所有的按鍵側(cè)面一端引腳接入一根線中，最后將行和列依次接入單片機引腳口，這種連接方式與獨立按鍵連接方式相比極大減少了單片機的接口使用。如16個按鍵所組成的4×4矩陣鍵盤只需用到8個單片機，引腳口比獨立式鍵盤所占用單片機引腳減少一半。本設(shè)計所涉及的刷卡消費功能需要有多個數(shù)字按鍵，并且還需要有功能按鍵對系統(tǒng)進行管理。故采用4×4矩陣鍵盤能夠滿足本設(shè)計需求，并與P3口連接剛好占用一個I/O口。矩陣鍵盤電路如圖4所示。

圖4 矩陣鍵盤電路圖Fig.4 Matrix keyboard circuit diagram

2.4 水位檢測電路

本設(shè)計用到的AT24C02存儲器是用來存儲卡內(nèi)信息，并采用串行總線的連接方式。存儲器連接電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計及流程圖

當有按鍵按下時進行判斷按鍵是功能按鍵還是數(shù)字按鍵，當按下功能按鍵系統(tǒng)進入管理員模式，在管理界面可以選擇所需要的功能，注銷功能是對射頻卡卡內(nèi)信息進行注銷。注冊功能是對新的射頻卡卡內(nèi)寫入信息，只有射頻卡在注冊后才能進行消費使用，充值功能是對注冊過的射頻卡卡內(nèi)進行余額充值。當按下數(shù)字按鍵是對消費者本次消費進行扣費。當沒有任何按鍵按下時顯示器會一直顯示在初始界面。主程序流程如圖6所示。

報警系統(tǒng)運行中，煙霧濃度數(shù)據(jù)通過ADC0832轉(zhuǎn)變處置之后，借助單片機剖析處置，對報警裝置啟動情況做出判定。主程序還具有數(shù)碼管字符顯示作用、手動報警作用、報警濃度設(shè)置作用，中斷子程序等，這樣報警器功能非常健全，用戶在使用時也更為方便。

一旦煙霧傳感器偵測到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧之后，會將信號傳輸?shù)紸DC8032芯片中，在其中實現(xiàn)數(shù)據(jù)模數(shù)的轉(zhuǎn)變，然后借助單片機來做出對應(yīng)的處理，如果煙霧濃度大于設(shè)定值時，報警器就會進行報警。發(fā)生火災(zāi)時，周圍的環(huán)境往往會隨著火勢的蔓延，溫度不斷地上升，當檢測到的溫度到達所設(shè)定的溫度值時，蜂鳴器的響聲會變得頻繁起來，這樣的響聲持續(xù)3～5 min之后，系統(tǒng)會自動啟動噴水裝置來進行滅火。

3.2 液晶顯示器流程圖

本設(shè)計所采用的顯示器硬件是帶有文字庫的LCD/2684液晶顯示器。首先對該顯示器進行函數(shù)初始化使其能保證正常工作。然后再根據(jù)LCD12864液晶顯示器顯示地址從第一行開始依次顯示內(nèi)容。直到顯示函數(shù)掃描到末尾結(jié)束。最后依次重復(fù)對下一行進行上述操作。液晶顯示函數(shù)流程如圖7所示。

圖7 液晶顯示函數(shù)流程圖Fig.7 Liquid crystal display function flow chart

3.3 匹配射頻卡流程圖

在本設(shè)計中最為重要的就是對射頻卡卡內(nèi)進行信息匹配，如果這一步不能實現(xiàn)，那么就無法實現(xiàn)本設(shè)計所涉及的功能，并且操作不當可能對系統(tǒng)內(nèi)部信息造成混亂，會影響系統(tǒng)的安全使用。匹配卡內(nèi)信息具體有三步驟。第一，在程序中先通過讀卡器在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)對射頻卡進行尋找，檢測感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)是否有射頻卡，當沒有尋找到卡將一直停留在本階段進行尋卡，尋找到射頻卡再進行下一步操作。第二，進行防碰撞檢測也就是防止兩張卡一起檢測，然后選定一張射頻卡。第三，進行密碼的匹配，對選定的卡進行信息匹配。如果匹配成功能進行讀卡操作，如果匹配失敗則返回。匹配射頻卡流程如圖8所示。

圖8 匹配射頻卡流程圖Fig.8 Matching RF card flow chart

4 測試

在系統(tǒng)管理界面選擇充值功能后，顯示器界面跳轉(zhuǎn)至充值界面，管理員根據(jù)持卡人所要充值金額，在輸入相應(yīng)的數(shù)字后將所需要充值的卡放在讀卡器感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)進行模擬數(shù)字充值，當在顯示器看到充值成功信息后則此消費卡已經(jīng)充值相應(yīng)的金額。射頻卡充值成功界面如圖9所示。

圖9 成功界面Fig.9 Successfulinterface

5 結(jié)語

本設(shè)計在食堂進行刷卡消費操作基礎(chǔ)上增加了充值余額、注冊新卡、注銷等功能。此外，考慮到硬件可擴展性，在本設(shè)計中還可以對系統(tǒng)進行修改或者添加相應(yīng)的功能操作，并可以用作其他領(lǐng)域，如公交刷卡、門禁系統(tǒng)等。