基于RFID技术的刷卡消费系统设计

王亓剑，谢文娣，史道玲，章 华，舒敬荣，彭 霞

(安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088)

0 引言

在物联网发展背景下无线射频识别技术越来越成熟，其主要应用在自动识别领域。无线射频识别技术是通过读卡器发射无线射频信号与特定目标建立非接触联系以此来获取物体的信息。在促进电子技术发展的同时也给人们生活提供许多的便利。在日常生活中能够随处看见这一技术的广泛使用，如校园一卡通就是运用其进行读卡来获取信息。在校园生活中实行一卡通，不仅可以用卡在校园进行刷卡消费，还能使管理人员在管理图书馆时通过一卡通判别进入图书馆是否为本校学生[1]。此外，校园一卡通系统在搭建过程中，考虑到后期的灵活扩展需求，在设备配置上留有一定的空间，以后更加智能化地管理校园生活[2]。

近年来国家大力发展教育行业，如今各大校园无论是学生还是教职工数量都呈增长趋势。为了更好地管理校园生活，提出基于数字化校园建设，校园一卡通在各高校得到了广泛使用[3]。在校园生活中人们每天都要进行饮食消费，而在消费时有许多支付方式，如现金支付、饭票支付等。在校园实行一卡通能够给学生和教职工校园生活提供极大便利。

本设计主要用到无线射频识别技术和单片机技术。单片机技术指的是在芯片外设接口连接所需要控制的硬件来实现特定的功能。刷卡消费系统是以无线射频识别技术为核心进行刷卡操作完成消费者的支付，在无线射频技术上再结合单片机技术进行控制实现非接触式IC卡能进行模拟刷卡消费[4]。刷卡消费系统在运行中当有射频卡靠近射频模块感应区范围时,射频模块读取射频卡卡内标签信息，并在LCD显示屏上显示射频卡卡内的相关信息[5]。

1 系统设计原理和方案

本设计主要涉及有单片机技术和无线射频识别技术。在芯片外围接口连接液晶显示器、读卡器和矩阵键盘等主要元器件来控制整个系统工作，读卡器读取射频卡卡内信息并将信息传送给系统处理。本设计系统原理框如图1所示。

图1 系统原理框图Fig.1 System principle block diagram

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统指的是在外围接口连接最少的元器件后再给予单片机芯片通电能让单片机工作。单片机最小系统主要是晶振电路和复位电路组成。晶振电路是由两个电容和一个晶振组成，其功能是给单片机工作提供脉冲信号。复位电路是由微动开关、电阻和极性电容组成，其功能是当复位键按下后单片机重新启动程序从而恢复到最初始状态。单片机最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统Fig.2 Single-chip minimum system

电路中XTAL1和XTAL2为反向放大器的输入与输出，其可以配置成片内振荡器。若采取外部时钟源驱动器，XTAL2应不接。一个机器共有12个振荡周期，外接石英晶体振荡器工作效率为12 MHz。

2.2 RC522读卡器设计

采用的射频模块是RC522读卡器，该读卡器应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度读卡器系列芯片中的一员。RC522支持多种通信工作接口，具有奇偶校验功能，片内集成温度传感器能够感应周围温度环境从而判断是否发射射频信号进行工作。

采用RC522模块用来读取数据，RC522模块在本设计中采用串行外设接口方式与单片机进行通讯，主要工作原理是通过读卡器发射射频信号在感应区范围内寻找射频卡，当在感应区范围内感应到卡时读取卡内信息并且将获取的信息传送给单片机进行处理。RC522模块与单片机连接电路图如图3所示。

图3 连接电路图Fig.3 Connect circuit diagram

2.3 矩阵键盘设计原理

在单片机需要用到多个键盘时，采用矩阵结构键盘是合理的方法。既能实现多功能按键，又能减少单片机的接口占用。其连接原理是依次将每一行的所有微动开关中侧面双通的引脚一端全接在一根线上，其次再将每一列中所有的按键侧面一端引脚接入一根线中，最后将行和列依次接入单片机引脚口，这种连接方式与独立按键连接方式相比极大减少了单片机的接口使用。如16个按键所组成的4×4矩阵键盘只需用到8个单片机，引脚口比独立式键盘所占用单片机引脚减少一半。本设计所涉及的刷卡消费功能需要有多个数字按键，并且还需要有功能按键对系统进行管理。故采用4×4矩阵键盘能够满足本设计需求，并与P3口连接刚好占用一个I/O口。矩阵键盘电路如图4所示。

图4 矩阵键盘电路图Fig.4 Matrix keyboard circuit diagram

2.4 水位检测电路

本设计用到的AT24C02存储器是用来存储卡内信息，并采用串行总线的连接方式。存储器连接电路如图5所示。

3 系统软件的设计

3.1 主程序设计及流程图

当有按键按下时进行判断按键是功能按键还是数字按键，当按下功能按键系统进入管理员模式，在管理界面可以选择所需要的功能，注销功能是对射频卡卡内信息进行注销。注册功能是对新的射频卡卡内写入信息，只有射频卡在注册后才能进行消费使用，充值功能是对注册过的射频卡卡内进行余额充值。当按下数字按键是对消费者本次消费进行扣费。当没有任何按键按下时显示器会一直显示在初始界面。主程序流程如图6所示。

报警系统运行中，烟雾浓度数据通过ADC0832转变处置之后，借助单片机剖析处置，对报警装置启动情况做出判定。主程序还具有数码管字符显示作用、手动报警作用、报警浓度设置作用，中断子程序等，这样报警器功能非常健全，用户在使用时也更为方便。

一旦烟雾传感器侦测到火灾产生的烟雾之后，会将信号传输到ADC8032芯片中，在其中实现数据模数的转变，然后借助单片机来做出对应的处理，如果烟雾浓度大于设定值时，报警器就会进行报警。发生火灾时，周围的环境往往会随着火势的蔓延，温度不断地上升，当检测到的温度到达所设定的温度值时，蜂鸣器的响声会变得频繁起来，这样的响声持续3～5 min之后，系统会自动启动喷水装置来进行灭火。

3.2 液晶显示器流程图

本设计所采用的显示器硬件是带有文字库的LCD/2684液晶显示器。首先对该显示器进行函数初始化使其能保证正常工作。然后再根据LCD12864液晶显示器显示地址从第一行开始依次显示内容。直到显示函数扫描到末尾结束。最后依次重复对下一行进行上述操作。液晶显示函数流程如图7所示。

图7 液晶显示函数流程图Fig.7 Liquid crystal display function flow chart

3.3 匹配射频卡流程图

在本设计中最为重要的就是对射频卡卡内进行信息匹配，如果这一步不能实现，那么就无法实现本设计所涉及的功能，并且操作不当可能对系统内部信息造成混乱，会影响系统的安全使用。匹配卡内信息具体有三步骤。第一，在程序中先通过读卡器在感应区范围内对射频卡进行寻找，检测感应区范围内是否有射频卡，当没有寻找到卡将一直停留在本阶段进行寻卡，寻找到射频卡再进行下一步操作。第二，进行防碰撞检测也就是防止两张卡一起检测，然后选定一张射频卡。第三，进行密码的匹配，对选定的卡进行信息匹配。如果匹配成功能进行读卡操作，如果匹配失败则返回。匹配射频卡流程如图8所示。

图8 匹配射频卡流程图Fig.8 Matching RF card flow chart

4 测试

在系统管理界面选择充值功能后，显示器界面跳转至充值界面，管理员根据持卡人所要充值金额，在输入相应的数字后将所需要充值的卡放在读卡器感应区范围内进行模拟数字充值，当在显示器看到充值成功信息后则此消费卡已经充值相应的金额。射频卡充值成功界面如图9所示。

图9 成功界面Fig.9 Successfulinterface

5 结语

本设计在食堂进行刷卡消费操作基础上增加了充值余额、注册新卡、注销等功能。此外，考虑到硬件可扩展性，在本设计中还可以对系统进行修改或者添加相应的功能操作，并可以用作其他领域，如公交刷卡、门禁系统等。