基于射頻識別卡的智能飲水機系統設計

李 莎,郭媛媛

（商丘工學院 機械工程學院,河南 商丘 476000）

1 前言

如今，市場上所銷售的飲水機產品很大一部分都加入了智能化的元素。所以，產品智能化已經成為飲水機產業蓬勃發展的必然走向。射頻卡飲水機主要是應用于飲水較多的公共場合特別是醫院、工廠、學校、公司而設計的高新技術節能產品，它能有效地克服飲水費用高、不衛生和等水久的難題。另外，智能卡管理模式可節約用水；即便是在寒冷的冬季人們也可隨時喝到熱水；投資成本低，單價比瓶裝飲用水便宜。

此設計完成后可實現的功能是：當人們需要飲水時，可以事先根據個人用水喜好選擇冷、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，如果卡權限已經獲得允許，顯示模塊則顯示出卡號，與此同時，壓力開關閉合即繼電器動作將閥門打開，水杯自動加滿并計算飲水機流水量的多少，從射頻卡里扣除對應的金額，實現出水動作。

2 硬件設計

主要控制模塊選擇STC89C52，在MCS-51核心結構基礎上，有所大量的升級改進。在電路設計中，主要是利用了單片機與復位電路、晶振電路、紅外（避障）傳感器模塊、射頻模塊以及1602液晶顯示模塊等構成射頻識別卡智能飲水機控制系統。單片機是整個射頻卡智能飲水機控制系統的核心元件，通過程序的編寫和執行，實現售水功能。

在市場上我們能常常觸碰得到的IC卡通常有2個類型：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工業工藝技術嵌入到卡中的膠型卡片，出現伊始主要應用在食堂飯卡、公用電話之類的領域，但接觸式IC卡讀寫操作速度比較慢，操作較為繁瑣，且由于芯片長時間被暴露出來，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移到卡片內部，解決了容易被損壞、折斷的問題，克服了嚴酷環境的影響。據此，本設計選用的是源于荷蘭飛利浦公司生產的MF1 IC S50射頻卡。它的性質為比較通用的TYPEA類卡。總共分為十六個扇區，其中各個扇區都有唯一對應的密碼和瀏覽權限，并且所有卡片有且僅有唯一相對應序列號，具有快速防沖突機制，能夠解決數張卡片同時出現在刷卡（射頻）區域的難題，它獨一無二的存儲方式也為自身的性能加了不少分，卡片中沒有獨立的供電電源，天線部分也位于卡片的內部，并且自身擁有非常好的加密性能。

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線讀/寫卡集成模塊，因為其本身采用了特制的控制芯片以及新一代讀取器，所以此模塊設計的IC卡讀卡器幾乎都支持13.56MHz內任何種類無線通信形式及條款,適用于各種基ISO/IEC14443A標準。它能夠輕易地把驅動級部分和天線有效的連接在一起。MF-RC522 讀寫模塊主要由系統電路、SPI接口電路以及天線電路構成。MF-RC522工作流程如下：

（1）由讀取器模塊借助天線部分向外部發送連續不斷的載波信號；

（2）在作業區域內，逐漸靠近的射頻卡一旦收到讀取器發出的信號，立即就會被識別并通過射頻天線反饋至內部電源再到卡從而完成卡的激活；

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

（4）讀卡模塊把送達的存取信息先經過解調和解碼操作，最終進入到單片機中；

（5）主控芯片分析卡的ID號所給出的信息完成與之相對應的指令與控制。

選擇LCD 1602當作系統的顯示模塊，1602作為一類可以顯示兩行且每行顯示十六個字符的液晶顯示模塊，顯示字跡清楚，價格便宜。按鍵形式選擇矩陣按鍵，這種鍵盤在一定程度上能減少很多I / O口浪費，與獨立鍵盤比較而言能夠節約資本，在按鍵使用量相對大時，實用性更強。

本設計使用紅外（避障）傳感器進行空杯檢測。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點，當紅外射頭發出的紅外線遭到其他物體遮擋時，紅外線就會被反射回來再由紅外接收頭接收。通過運算放大器以及外圍器件構成電壓比較器，從而實現對出水口有無容器的檢測。

采用流量繼電器實現出水流量的控制，與同類產品相比流量繼電器具有無彈簧裝置、無磁性元件、無水壓因素影響等特點，等到熱水箱內的水加熱沸騰以后，紅外檢測系統如果檢測到出水口有水杯出現時，流量繼電器開關便會立刻打開。流量繼電器會對水流進行實時監控，主要是用來控制流體的元器件。

采用蜂鳴器作為提示、報警電路，在規定的領域內通過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的且能夠借助程序來調節,為確保蜂鳴器中有足夠的電流通過,因此設計中通過三極管使電流增大。

此外，單片機的外圍電路可分為復位模塊、振蕩模塊和擴展下載等部分。

3 軟件設計

射頻卡飲水機控制系統的軟件設計主要包括三個部分：主程序設計、RC522讀/寫設計和讀卡模塊外圍電路設計。

主程序的執行總過程整體上包含鍵盤掃描、液晶顯示及讀取卡片信息等部分。如果發現射頻卡通過MF-RC522天線的有效區域，此時系統變開始檢驗射頻卡和密碼，檢驗完成液液晶屏顯示出射頻卡中的信息，再根據持卡人操作指令執行相對應程序，射頻卡離開天線掃描范圍后，系統就會重新恢復到鍵盤掃描狀態。主程序流程圖如圖1所示。

M1射頻卡與讀寫器在完成了復位應答，信道沖突處理，卡片的選擇、認證及對數據塊的操作等過程后，才能對射頻卡實行詳細地讀/寫以及其他的操作。本設計選用1602液晶顯示屏作為顯示模塊，用來實時顯示射頻卡飲水機的工作狀態。設備上電以后液晶顯示屏立即被點亮，系統便進入初始化狀態。若系統檢測到K1鍵被按下，則顯示屏上顯示注冊/注銷畫面，此時可以通過K2、K3鍵的選擇完成新卡的注冊或者是舊卡的注銷；若系統檢測到K4鍵被按下，則顯示屏顯示菜單/選擇畫面，此時可以通過按壓K4鍵選擇操作對象，之后再通過按壓K2、K3鍵完成射頻卡的充值或者單價的調整；若系統檢測到有射頻卡靠近時，此時顯示屏顯示卡中的余額、售水單價、出水流量以及消費金額，接滿水杯射頻卡離開檢測范圍后，系統返回到初始狀態。

鍵盤掃描程序在整個射頻卡飲水機控制系統運行中發揮著至關重要的作用。當電源接通以后，系統便立即上電并進入到初始化狀態，此時鍵盤掃描程序便始終重復地對全部按鍵循環檢測，直到檢測到有按鍵被按下時，系統就會立即進到此按鍵與之相對應程序中作業；倘若此按鍵沒被按下，程序就會緊接著去檢測下一個按鍵是否被按下，以此循環下去，從而完成各個按鍵與之相對應的功能。

4 小結

該射頻識別卡智能飲水機需將水杯經過復雜、特殊的加工工藝處理，把集成的IC卡芯片植入到水杯底部，將飲水機的射頻模塊放置在飲水機的水杯座下方，而緊貼著水杯座上方放置一個微觸壓力開關。與傳統的IC卡飲水機相比，功能上更趨于人性化、智能化。

[1]李樹良,施華莎.射頻(RF)卡原理與結構[J].微處理機,2013,16(09):17-19.