基于射频识别卡的智能饮水机系统设计

李 莎,郭媛媛

（商丘工学院 机械工程学院,河南 商丘 476000）

1 前言

如今，市场上所销售的饮水机产品很大一部分都加入了智能化的元素。所以，产品智能化已经成为饮水机产业蓬勃发展的必然走向。射频卡饮水机主要是应用于饮水较多的公共场合特别是医院、工厂、学校、公司而设计的高新技术节能产品，它能有效地克服饮水费用高、不卫生和等水久的难题。另外，智能卡管理模式可节约用水；即便是在寒冷的冬季人们也可随时喝到热水；投资成本低，单价比瓶装饮用水便宜。

此设计完成后可实现的功能是：当人们需要饮水时，可以事先根据个人用水喜好选择冷、热水，在保证余额充足的前提下，只需要把水杯放在所选的冷、热水水杯座上，如果卡权限已经获得允许，显示模块则显示出卡号，与此同时，压力开关闭合即继电器动作将阀门打开，水杯自动加满并计算饮水机流水量的多少，从射频卡里扣除对应的金额，实现出水动作。

2 硬件设计

主要控制模块选择STC89C52，在MCS-51核心结构基础上，有所大量的升级改进。在电路设计中，主要是利用了单片机与复位电路、晶振电路、红外（避障）传感器模块、射频模块以及1602液晶显示模块等构成射频识别卡智能饮水机控制系统。单片机是整个射频卡智能饮水机控制系统的核心元件，通过程序的编写和执行，实现售水功能。

在市场上我们能常常触碰得到的IC卡通常有2个类型：分别是接触式的与免接触式的。接触式IC卡是一种把集在一起的电路芯片通过工业工艺技术嵌入到卡中的胶型卡片，出现伊始主要应用在食堂饭卡、公用电话之类的领域，但接触式IC卡读写操作速度比较慢，操作较为繁琐，且由于芯片长时间被暴露出来，易坏且易折。免接触式IC卡又叫射频卡，是把集成电路芯片从卡的外部转移到卡片内部，解决了容易被损坏、折断的问题，克服了严酷环境的影响。据此，本设计选用的是源于荷兰飞利浦公司生产的MF1 IC S50射频卡。它的性质为比较通用的TYPEA类卡。总共分为十六个扇区，其中各个扇区都有唯一对应的密码和浏览权限，并且所有卡片有且仅有唯一相对应序列号，具有快速防冲突机制，能够解决数张卡片同时出现在刷卡（射频）区域的难题，它独一无二的存储方式也为自身的性能加了不少分，卡片中没有独立的供电电源，天线部分也位于卡片的内部，并且自身拥有非常好的加密性能。

选择MF-RC522作读卡芯片[1]，RC522是一种低成本，尺寸小且高性能的无线读/写卡集成模块，因为其本身采用了特制的控制芯片以及新一代读取器，所以此模块设计的IC卡读卡器几乎都支持13.56MHz内任何种类无线通信形式及条款,适用于各种基ISO/IEC14443A标准。它能够轻易地把驱动级部分和天线有效的连接在一起。MF-RC522 读写模块主要由系统电路、SPI接口电路以及天线电路构成。MF-RC522工作流程如下：

（1）由读取器模块借助天线部分向外部发送连续不断的载波信号；

（2）在作业区域内，逐渐靠近的射频卡一旦收到读取器发出的信号，立即就会被识别并通过射频天线反馈至内部电源再到卡从而完成卡的激活；

（3）射频卡里的存取信号通过控制模块，首先是被送至载波上等待处理，之后又借助天线到达到读卡模块；

（4）读卡模块把送达的存取信息先经过解调和解码操作，最终进入到单片机中；

（5）主控芯片分析卡的ID号所给出的信息完成与之相对应的指令与控制。

选择LCD 1602当作系统的显示模块，1602作为一类可以显示两行且每行显示十六个字符的液晶显示模块，显示字迹清楚，价格便宜。按键形式选择矩阵按键，这种键盘在一定程度上能减少很多I / O口浪费，与独立键盘比较而言能够节约资本，在按键使用量相对大时，实用性更强。

本设计使用红外（避障）传感器进行空杯检测。红外传感器模块具有小尺寸、性能好、几乎不耗电且制造成本低的优点，当红外射头发出的红外线遭到其他物体遮挡时，红外线就会被反射回来再由红外接收头接收。通过运算放大器以及外围器件构成电压比较器，从而实现对出水口有无容器的检测。

采用流量继电器实现出水流量的控制，与同类产品相比流量继电器具有无弹簧装置、无磁性元件、无水压因素影响等特点，等到热水箱内的水加热沸腾以后，红外检测系统如果检测到出水口有水杯出现时，流量继电器开关便会立刻打开。流量继电器会对水流进行实时监控，主要是用来控制流体的元器件。

采用蜂鸣器作为提示、报警电路，在规定的领域内通过电流的大小直接决定了蜂鸣器响度的高低。由于蜂鸣器本身的频率是随机的且能够借助程序来调节,为确保蜂鸣器中有足够的电流通过,因此设计中通过三极管使电流增大。

此外，单片机的外围电路可分为复位模块、振荡模块和扩展下载等部分。

3 软件设计

射频卡饮水机控制系统的软件设计主要包括三个部分：主程序设计、RC522读/写设计和读卡模块外围电路设计。

主程序的执行总过程整体上包含键盘扫描、液晶显示及读取卡片信息等部分。如果发现射频卡通过MF-RC522天线的有效区域，此时系统变开始检验射频卡和密码，检验完成液液晶屏显示出射频卡中的信息，再根据持卡人操作指令执行相对应程序，射频卡离开天线扫描范围后，系统就会重新恢复到键盘扫描状态。主程序流程图如图1所示。

M1射频卡与读写器在完成了复位应答，信道冲突处理，卡片的选择、认证及对数据块的操作等过程后，才能对射频卡实行详细地读/写以及其他的操作。本设计选用1602液晶显示屏作为显示模块，用来实时显示射频卡饮水机的工作状态。设备上电以后液晶显示屏立即被点亮，系统便进入初始化状态。若系统检测到K1键被按下，则显示屏上显示注册/注销画面，此时可以通过K2、K3键的选择完成新卡的注册或者是旧卡的注销；若系统检测到K4键被按下，则显示屏显示菜单/选择画面，此时可以通过按压K4键选择操作对象，之后再通过按压K2、K3键完成射频卡的充值或者单价的调整；若系统检测到有射频卡靠近时，此时显示屏显示卡中的余额、售水单价、出水流量以及消费金额，接满水杯射频卡离开检测范围后，系统返回到初始状态。

键盘扫描程序在整个射频卡饮水机控制系统运行中发挥着至关重要的作用。当电源接通以后，系统便立即上电并进入到初始化状态，此时键盘扫描程序便始终重复地对全部按键循环检测，直到检测到有按键被按下时，系统就会立即进到此按键与之相对应程序中作业；倘若此按键没被按下，程序就会紧接着去检测下一个按键是否被按下，以此循环下去，从而完成各个按键与之相对应的功能。

4 小结

该射频识别卡智能饮水机需将水杯经过复杂、特殊的加工工艺处理，把集成的IC卡芯片植入到水杯底部，将饮水机的射频模块放置在饮水机的水杯座下方，而紧贴着水杯座上方放置一个微触压力开关。与传统的IC卡饮水机相比，功能上更趋于人性化、智能化。

[1]李树良,施华莎.射频(RF)卡原理与结构[J].微处理机,2013,16(09):17-19.