基于RFID的會議席位卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

錢承山，丁金卉，李 俊，孫 鵬

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

目前，在安排與會人員的席位時，通常使用的是普通硬紙板或透明塑料牌制成的三角牌。會議組織單位根據(jù)安排將與會人員的標(biāo)簽手寫或者打印在紙片上，然后插在三角牌內(nèi)，放置在各會議代表的座位前，以方便與會者入座。每次會議結(jié)束后這些紙片都要作廢，造成浪費(fèi)并且污染環(huán)境，并且每次開會前準(zhǔn)備紙片這項(xiàng)工作十分繁瑣，尤其是在會議出席人員臨時變動時更顯得不便;組織大型會議時，工作量大，需要工作人員準(zhǔn)備相當(dāng)長的時間才能夠完成。

RFID通稱電子標(biāo)簽技術(shù)，作為一種快速、實(shí)時、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，被列為21世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。RFID技術(shù)通過對實(shí)體對象的唯一有效標(biāo)識，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個行業(yè)［1］。

1 系統(tǒng)方案論述

本文提出了基于RFID的會議席位卡系統(tǒng)，席位卡系統(tǒng)包含席位卡終端和上位機(jī)軟件，其具體要求與功能為:席位卡終端要求具有從射頻卡中讀出數(shù)據(jù)的能力，本席位卡終端系統(tǒng)同時具有配合上位機(jī)向射頻卡寫入數(shù)據(jù)的能力。寫入射頻卡中的數(shù)據(jù)就是要顯示的席位信息在12864屏幕字庫中的編碼，每次會議開始前只要把對應(yīng)編號的射頻卡寫入席位信息對應(yīng)的字庫編碼，待將要正式開會的時候打開席位卡終端，將射頻卡靠近席位卡終端的射頻模塊，按下按鍵，席位卡終端就能讀出射頻卡中的數(shù)據(jù)并且將對應(yīng)的席位信息顯示在液晶屏上。通過這種方法，就可以有效減少會議組織人員工作量，并且使用成本低、能夠重復(fù)利用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

完整的基于RFID的席位卡系統(tǒng)包括:讀寫器、通訊總線、液晶屏、按鍵組、天線、標(biāo)簽等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由MCU(AT89S52)控制讀寫器模塊完成對電子標(biāo)簽的讀寫操作，將獲取的數(shù)據(jù)在液晶屏顯示和存儲器進(jìn)行相關(guān)操作。MCU集中控制外設(shè)，負(fù)責(zé)和外設(shè)交換數(shù)據(jù)，與RF模塊通信。RF(射頻)接口負(fù)責(zé)調(diào)制解調(diào)信號，并從載波信號中提取數(shù)字信號［2］。席位卡系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 席位卡系統(tǒng)組成框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 射頻模塊

射頻模塊對標(biāo)簽的讀寫是通過發(fā)射高頻電磁波，電子標(biāo)簽內(nèi)置的線圈在電磁感應(yīng)原理下產(chǎn)生電流驅(qū)動內(nèi)置的芯片，進(jìn)行應(yīng)答。讀寫器的射頻模塊接收到回波信號將其調(diào)制成基帶信號，提取有用的信息并送到AT89S52進(jìn)行處理，射頻模塊功能框圖見圖2。

圖2 射頻模塊的功能框圖

該模塊以MFRC522為核心芯片，應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式IC卡的讀寫。支持該頻率下CLASS1非接觸通訊協(xié)議，支持多種加密算法。不需要增加有源電路就可以驅(qū)動近距離天線，最遠(yuǎn)作用距離可達(dá)10 cm。采用正交解調(diào)電路解調(diào)RX引腳的負(fù)載波信號。天線部分原理圖如圖3所示，射頻模塊原理圖如圖4所示。

圖3 天線原理圖

圖4 射頻模塊原理圖

MFRC522是 Philips公司開發(fā)的一款13.56 MHz非接觸式低功耗高集成讀卡基站芯片。該讀卡芯片系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通讀方式和支持ISO14443A協(xié)議［3］。MFRC522傳輸速度最高達(dá)424 kbit/s，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近距離天線，接收部分提供了一個堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于接收ISO14443A兼容的應(yīng)答信號。數(shù)字處理部分提供奇偶和CRC檢測功能。MFRC522具有3種接口方式可方便地與任何MCU通訊:SPI模式、UART模式、I2C模式。甚至可通過RS232或RS485通訊方式直接與PC機(jī)相聯(lián)，給終端設(shè)計(jì)提供了前所未有的靈活性［4-5］。MCU通過 SPI接口與 MFRC522通信。本設(shè)計(jì)采用的是SPI接口方式連接AT89S52和射頻模塊，具體連接如圖5所示。

2.1.2 液晶顯示模塊

為了使得本系統(tǒng)擁有良好的人機(jī)交互界面，采用液晶屏進(jìn)行顯示每個席位的席位信息。本設(shè)計(jì)采用OCMJ4X8C液晶顯示屏，是一種具有4 bit/8 bit并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊;其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16×16點(diǎn)漢字，和128個16×8點(diǎn)ASCⅡ字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面［6］。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下:

電源:低電源電壓(VDD:+3.0 V～+5.5 V);

背光方式:側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10;

顯示分辨率:128×64點(diǎn);

字庫:內(nèi)置漢字字庫，提供8192個16×16點(diǎn)陣漢字;

LCD類型:STN;

通訊方式:并行或串行兩種控制方式，本文采用的是并行連接的方式。

2.1.3 電源模塊

為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，本文采用LM317三端穩(wěn)壓管，設(shè)計(jì)了一個電壓穩(wěn)壓電路，提供+5 V電壓。LM317是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM317的輸出電壓范圍是1.2 V至37 V，負(fù)載電流最大為1.5 A［7］。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。圖6是電源模塊電路原理圖。

圖5 MCU與RF模塊的連接方式

2.2 席位終端軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)工作流程

在本系統(tǒng)中AT89S52和射頻模塊之間的通訊采用的是SPI方式，當(dāng)然也可選擇I2C、或UART方式，可以根據(jù)不同情況進(jìn)行選擇。射頻卡里存儲的主要是要在LCD上顯示的信息的字庫編碼，可以通過上位機(jī)通過串口向射頻卡寫入信息。MCU首先對MFRC522進(jìn)行初始化配置，寄存器設(shè)置好后，MFRC522就可以接收MCU的命令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)AT89S52與Mifare(感應(yīng)式智能IC卡)卡片通信。Mifare卡可以根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是MCU并不是通過簡單的指令就可以讀寫IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括:

圖6 電源模塊電路原理圖

(1)請求喚醒;

(2)防重疊(防止多張卡片重疊造成的數(shù)據(jù)錯誤);

(3)選擇卡片;

(4)密碼認(rèn)證;

(5)讀寫操作。

MCU對Mifare卡片的這一系列操作流程必須按固定的順序進(jìn)行。

圖7 席位終端讀卡程序流程圖

2.2.2 席位卡終端軟件部分介紹

席位卡終端從射頻卡中讀出數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖7所示。當(dāng)有Mifare卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，此時按下按鍵，射頻模塊接收到讀卡命令，將數(shù)據(jù)從射頻卡讀出并通過SPI接口發(fā)送給AT89S52，AT89S52收到數(shù)據(jù)后將對應(yīng)的席位信息顯示在12864液晶屏上。

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Qt是1991年奇趣科技開發(fā)的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能［8］。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件正是用QT開發(fā)，選用的集成開發(fā)環(huán)境是Qt Creator。

2.3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議介紹

表1～表3是上位機(jī)和席位終端之間數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)所遵循的協(xié)議介紹。下面分別對從射頻卡中讀出數(shù)據(jù)、往射頻卡中寫入數(shù)據(jù)、修改射頻卡扇區(qū)密碼等操作的協(xié)議進(jìn)行簡要的說明。

表1 上位機(jī)從射頻卡中讀數(shù)據(jù)

表2 上位機(jī)從射頻卡中讀數(shù)據(jù)

表3 上位機(jī)從射頻卡中讀數(shù)據(jù)

(1)上位機(jī)從射頻卡中讀出數(shù)據(jù):表1是上位機(jī)從射頻卡中讀數(shù)據(jù)所遵循的協(xié)議，協(xié)議的開頭部分是數(shù)據(jù)的總長度，A1是讀標(biāo)志，之后的12 byte的數(shù)據(jù)是射頻卡扇區(qū)塊的密碼，最后2 byte的數(shù)據(jù)是用來指定讀哪一個扇區(qū)塊，射頻卡一共有六個扇區(qū)，本設(shè)計(jì)所用的數(shù)據(jù)都是放在第一個扇區(qū)，也就是編號為0的扇區(qū)。

(2)往射頻卡中寫入數(shù)據(jù):往射頻卡中寫入數(shù)據(jù)是通過遵循上位機(jī)和下位機(jī)之間約定的協(xié)議寫入數(shù)據(jù)的，具體的協(xié)議如表2所示。

(3)修改射頻卡密碼:射頻卡的每個扇區(qū)默認(rèn)的密碼是FFFFFFFFFFFF，表3是修改射頻卡扇區(qū)塊密碼所遵循的協(xié)議。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用射頻卡數(shù)據(jù)的可修改性，設(shè)計(jì)了一種基于RFID的席位卡系統(tǒng)。首先通過上位機(jī)往射頻卡中寫入數(shù)據(jù)，寫入的數(shù)據(jù)就是要顯示的漢字在液晶字庫中的編碼;席位卡終端可以實(shí)現(xiàn)讀取射頻卡中的數(shù)據(jù)并且根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)顯示相應(yīng)的席位信息到液晶顯示屏。在本設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證，能夠有效減少會議組織人員工作量、使用成本低、更改方便，提高了會議的智能化管理。解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的組織人員工作量大、不能重復(fù)利用等技術(shù)問題。

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