基于射頻識(shí)別技術(shù)的垃圾分類(lèi)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

周碧茜，王 青，范祥祥

(湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

實(shí)行垃圾分類(lèi)關(guān)系廣大人民群眾生活環(huán)境，關(guān)系節(jié)約使用資源，也是社會(huì)文明水平的一個(gè)重要體現(xiàn)[1-2].在垃圾分類(lèi)即將全面普及的大環(huán)境下，人們對(duì)垃圾分類(lèi)知識(shí)訓(xùn)練裝置的需求越來(lái)越突顯.目前我國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了多款針對(duì)垃圾分類(lèi)的輔助設(shè)備，如：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)羅學(xué)論帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款可以查詢垃圾分類(lèi)信息的智能垃圾桶[3]；江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院的吳新華設(shè)計(jì)了一個(gè)可以追蹤垃圾袋來(lái)源的垃圾分類(lèi)彩色二維碼[4].射頻識(shí)別無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其原理是通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別[5].本文將利用射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)一款兼顧學(xué)習(xí)性和趣味性的新型垃圾分類(lèi)訓(xùn)練裝置.

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)模塊、讀卡器模塊、顯示模塊、語(yǔ)音模塊和電源模塊，以印有不同種類(lèi)垃圾圖片的IC卡作為垃圾模型.當(dāng)感應(yīng)到IC卡時(shí)，讀卡器模塊讀取IC卡扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)判別該卡所代表的垃圾種類(lèi)，最后播報(bào)和顯示垃圾的種類(lèi).通過(guò)該過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶進(jìn)行垃圾分類(lèi)知識(shí)培訓(xùn)的目的.垃圾分類(lèi)訓(xùn)練裝置硬件原理如圖1所示.

2 硬件部分

2.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)的單片機(jī)(SCM)模塊采用STC公司的51系列單片機(jī)STC89C52.復(fù)位電路設(shè)計(jì)主要采用兩種復(fù)位方式[6]：上電復(fù)位和按鍵復(fù)位.振蕩電路由一個(gè)11.059 2 MHz的晶振和兩個(gè)33 pF的電容組成，如圖2所示.

2.2 讀卡器模塊

實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)功能最核心的是讀卡器模塊，它通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別[7]，使用者可以進(jìn)行垃圾分類(lèi)訓(xùn)練的基礎(chǔ)是通過(guò)RFID讀卡器模塊對(duì)IC卡的感應(yīng)讀取卡內(nèi)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)后面的一系列功能.本設(shè)計(jì)采用的讀卡器模塊為RC522模塊(圖3)，IC卡選用Mifare S50卡.

RC522是一個(gè)高集成度的非接觸式通信芯片，兼顧讀、寫(xiě)功能[8]，它支持ISO/IEC 14443A/Mifare協(xié)議[9]，與本文設(shè)計(jì)選用的Mifare S50卡相匹配.RC522讀卡距離長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)較遠(yuǎn)距離的感應(yīng)讀卡.Mifare S50卡是一款大容量的非接觸式IC卡，本設(shè)計(jì)不同種類(lèi)垃圾的信息數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于扇區(qū)[10]，讀卡器模塊通過(guò)讀取數(shù)據(jù)并由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同垃圾信息進(jìn)行辨別的功能.

2.3 顯示模塊

本設(shè)計(jì)需要的功能包括讀卡器讀取S50卡中的垃圾數(shù)據(jù)后，顯示該垃圾的種類(lèi).顯示模塊選擇0.96寸的OLED顯示屏，它支持顯示漢字、字母、數(shù)字、特殊符號(hào)等，滿足本設(shè)計(jì)顯示模塊需要顯示漢字的要求[11].

2.4 語(yǔ)音模塊

本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能是播報(bào)垃圾的種類(lèi)，語(yǔ)音模塊采用JQ8400-Fl芯片和A25Q32芯片組合的模式，如圖4所示.

JQ8400芯片可以控制語(yǔ)音播報(bào)，8002A芯片具有音頻功率放大的功能，A25Q32是一款內(nèi)存為16 M的FLASH芯片，USB接口可以連接電腦.JQ8400芯片和A25Q32芯片組合的模式使本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊可以靈活更換SPI-Flash，且可以作為U盤(pán)使用，方便更新語(yǔ)音信息.本設(shè)計(jì)的語(yǔ)音文件可以通過(guò)USB接口以MP3格式置于FLASH芯片中供JQ8400調(diào)用.

2.5 電源模塊

本設(shè)計(jì)的電源模塊采用鋰電池供電，其輸出電壓為3.7 V，而實(shí)際電路需要電源電路提供兩種工作電壓.其中，單片機(jī)模塊、語(yǔ)音模塊和顯示模塊需要5 V供電；讀卡器模塊需要3.3 V供電.因此，本設(shè)計(jì)的電源模塊采用以SX1308芯片為核心的5 V升壓電路和以RT9193芯片為核心的3.3 V降壓電路，為給鋰電池充電，電源模塊還包括以TC4056芯片為核心的鋰電池充電電路.電源模塊電路原理如圖5所示.

3 軟件系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的總體流程如圖6所示.程序開(kāi)始后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括語(yǔ)音模塊初始化、顯示模塊初始化和RFID讀卡器初始化；然后讀卡器模塊讀取S50卡扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，接著播報(bào)和顯示垃圾的種類(lèi)；最后返回讀卡器程序.

3.2 讀卡器程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)讀卡器模塊程序需要實(shí)現(xiàn)的功能主要是尋找S50卡，選定卡片驗(yàn)證密碼后讀取S50卡扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷垃圾類(lèi)別.如圖7所示，讀卡器模塊一直保持尋卡模式，若感應(yīng)到S50卡則進(jìn)行下一步，若未感應(yīng)到S50卡則保持尋卡狀態(tài).感應(yīng)到S50卡后，執(zhí)行防沖撞程序和選定卡片程序，單片機(jī)驗(yàn)證S50卡密碼后讀取卡扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并對(duì)卡內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，辨別該S50卡對(duì)應(yīng)的垃圾種類(lèi).因?yàn)檫x定卡片程序經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤讀的情況，所以在執(zhí)行防沖撞程序與選定卡片程序間加入防誤讀程序，以提高本設(shè)計(jì)的精密性.最后返回主程序.

4 實(shí)物展示與效果

4.1 實(shí)物展示

將印有不同種類(lèi)垃圾圖片的IC卡與本設(shè)計(jì)的讀卡器模塊感應(yīng)，讀卡器模塊讀取IC卡扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，進(jìn)而判別該卡所代表的垃圾種類(lèi)，最后顯示和播報(bào)該垃圾的種類(lèi).以印有“香蕉皮”圖片的S50卡為例，單片機(jī)判斷該“香蕉皮”屬于易腐垃圾，則控制顯示模塊顯示“易腐垃圾”，并控制語(yǔ)音模塊播報(bào)“易腐垃圾”，如圖8所示.

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為明確讀卡器與IC卡的感應(yīng)距離及裝置判斷的準(zhǔn)確度，將該裝置置于室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，并保證測(cè)試環(huán)境3 m內(nèi)無(wú)其他讀卡器和IC卡，以避免對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾.考慮到實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)讀卡器進(jìn)行封裝，測(cè)試采用厚度為4 mm的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)塑料作為外殼.為保證測(cè)試的可靠性，隨機(jī)選用不同的IC卡測(cè)試10次，測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 裝置對(duì)IC卡的感應(yīng)距離和判斷準(zhǔn)確性Tab.1 The induction distance and judgment accuracy of the device to the IC cards

由表1可知，無(wú)遮擋時(shí)讀卡器能夠感應(yīng)到IC卡的平均距離為5.0 cm，ABS遮擋時(shí)平均感應(yīng)距離會(huì)減小至3.14 cm，且在能夠感應(yīng)到的情況下，讀卡器的判斷準(zhǔn)確度為100%，表明該裝置能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款新型垃圾分類(lèi)訓(xùn)練裝置.通過(guò)手持印有不同垃圾模型的IC卡與本裝置讀卡器感應(yīng)，裝置可以播報(bào)和顯示垃圾種類(lèi)，從而達(dá)到垃圾分類(lèi)訓(xùn)練的目的.該裝置可以在ABS遮擋的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的感應(yīng)，且判斷準(zhǔn)確度為100%，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求.但本設(shè)計(jì)裝置的感應(yīng)距離較小，下一步可通過(guò)對(duì)讀卡器進(jìn)行改進(jìn)增加感應(yīng)距離.