1 RFID系統工作原理

1.1 硬件組成

(1)標簽(Tag)。由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有惟一的電子數據，附著在物體上識別目標對象。

(2)閱讀器(Reader)。讀取電子標簽信息的設備，可設計為手持或者固定式。用以發射無線電射頻信號，并接收由電子標簽反射回的信號，經處理后獲得標簽數據信息。

(3)天線(Antenna)。在電子標簽和閱讀器之間傳遞設備信號，控制數據的獲取和通訊聯系。一般天線和閱讀器整合在一起。

1.2 工作原理

RFID的工作原理如圖1所示，閱讀器在一定區域內發射電磁波。電子標簽內有一個諧振電路，當標簽進入磁場時，就能產生感應電流獲取能量、時鐘和指令，并將有用數據以反向散射調制的方式發射出去。閱讀器接收到此標簽的數據并進行解碼后，送入中央信息系統進行數據處理。這樣，閱讀器通過天線可實現無接觸式的讀取并識別電子標簽中所保存的數據，達到自動識別物體的目的。



2 基于RFID技術的智能卡售水系統總體設計

非接觸式智能卡售水系統主要由3部分組成：售水系統、智能卡、智能表。系統結構框圖如圖2所示。其中智能卡對應RFID系統中的“標簽”，由單片機系統組成“閱讀器”，集成閱讀器功能的水表即為感應式智能水表。



智能卡售水系統由PC機、后臺軟件、售卡管理機組成，信息傳輸載體是用戶需購買的非接觸式智能卡，用戶到水司購入水量，存儲在智能卡中。用戶需用水時，使用智能卡在智能表感應區刷卡。智能表系統讀入水量金額后，打開閥門進行供水。用水過程中，通過脈沖采集模塊對用戶水量余額按一定量遞減，當所購水量用完時，單片機發出信號，驅動閥門關閉。

3 硬件系統設計

3.1 智能表

智能表是集成RFID系統中閱讀器功能的水表，主要由射頻卡閱讀模塊、微處理器89C51、閥門控制模塊、脈沖采集模塊、顯示報警等模塊組成，結構框圖如圖3所示，上述模塊以邏輯設計配合，通過軟件程序控制完成對射頻智能卡的讀寫，同時控制閥門的開關。



在水表計數轉盤中加裝永磁鐵和干簧管，其中永磁鐵安裝于計數盤上，雙干簧管固定于計數盤上方附近，計數盤轉一圈，永磁鐵經過雙干簧管各一次，在信號端產生兩個計量脈沖。當接收到有效計量脈沖時，單片機由休眠模式轉為工作模式，由微處理器執行相應的計量程序，智能表實時核算出表內的剩余金額；當用戶用水余額較少時，水表自動報警，提醒用戶盡快充值購水；當用戶余額為零時，驅動閥門控制程序，閥門關閉，并將數據保存在內部Flash中。

3.2 非接觸式智能卡

智能卡作為系統的信息傳輸媒介，決定了系統的數據傳輸形式，采用無線射頻方式進行數據交換，系統的智能卡是一種射頻卡。智能卡內集成了芯片、感應線圈及電容等元件，并封裝在一個標準的PVC卡片中。讀寫時，將射頻卡靠近閱讀器，閱讀器天線發出的電磁波在卡內的天線上產生感應電流，為卡內集成芯片提供能量。而該卡內的集成電路芯片存儲有制造時輸入的唯一數字辨識號碼，該號碼被編碼以后調制天線上的電流信號，再以電磁波的形式傳遞回閱讀器。閱讀器將收到的無線信號傳給現場控制器，由現場控制器進行信號處理并對執行裝置發出指令。大多數智能卡將卡內的身份辨識號碼(ID號碼)編碼為曼徹斯特碼，并由單片機進行解碼。

3.3 射頻天線

射頻天線設計是實現非接觸式讀寫的重要環節，系統采用無線射頻感應元件GB9。通訊主要技術指標是：發射頻率125 kHz；電源DC+5 V／90 mA；讀距離>100 mm。所需讀或寫卡片的數據分別由89C51的串行口的數據接收端(RXD)和發送端(TX)接收發送。讀到智能卡數據時，其P．LED端產生的電平可使89C51的INTI發生中斷，由此啟動中斷處理程序將數據作相應處理。

4 軟件設計

軟件系統設計采用了模塊化設計方式，主控程序包括系統初始化、中斷類型判斷、顯示處理、功耗模式處理等。系統初始化包括對端口、中斷、LCD控制寄存器的設置，系統初始化以后，進入節能模式，直到有中斷源將其喚醒，再進入相應中斷服務程序。功能模塊子程序包括：刷卡子程序、水表故障子程序、閥門控制子程序和水流量采集子程序。

4.1 系統主程序設計

非接觸式智能表實現的主要功能是：

(1)用戶持智能卡到水司預購一定量的水，然后將智能卡靠近智能表感應區刷卡，智能表讀取水量信息，控制閥門打開，水表進入工作狀態。

(2)用水過程中，水表及時將“總用水量”、“用水余額”等信息存到Flash RAM區，用水余額為零時，啟動閥門控制子程序。主程序軟件流程，如圖4所示。

4.2 閥門控制功能子程序

閥門控制子程序是通過讀取剩余用水金額，根據余額的多少來控制電磁閥的開關，同時如余額相對較低，系統系統發出報警信號，提醒用戶應進行充值。閥門控制子程序軟件流程如圖5所示。



5 關鍵技術設計

5.1 系統的功耗問題

傳統的水表無需電源，即使有電源也容易被主觀切斷，造成系統無法工作。因此智能表采用堿性干電池進行供電，但是電池的容量有限，水表的功耗問題研究就顯得尤為重要。智能表的能耗主要由3項組成：第一項是單片機運行和LCD顯示的能耗。第二項是智能表執行單元運行時的瞬間能耗。第三項是一些聲音報警等輔助功能的功耗。其中第一項是最主要的，所以首先要對單片機進行功耗分析，對應用運行中的有效功耗和無效功耗分別做時間和空間域劃分，集中有效功耗的時間和空間域，同時應用軟件優化程序達到綜合降耗效果。

5.2 數據的自動糾錯

為防止盜水現象，我國大部分水表均安裝于室外，長年處于干擾的環境下，受到外界的強電、強磁等干擾時，可能發生數據混亂現象。雖然較少發生，但用戶表數量多，覆蓋面廣，應引起重視。針對這種想象，采用了數據自動糾錯技術：增大存貯器的容量，把數據同步存放在5個不同的位置，讀取數據時，同時從5處讀取，對讀取的進行分析，只要其中的3處以上相同，就認為數據是有效的，同時，對出現錯誤的數據進行糾錯處理。這樣就會減少因智能表非主觀混亂而產生的糾紛。

5.3 防振動設計

智能表因水流經過產生的振動，會引起磁敏元件的多次計數和采樣，造成電子計數和輪計數不一致，針對這個問題，可運用遲滯比較器的技術，將磁敏元件做成特殊的遲滯器，當磁敏元件吸合時，磁鐵需靠近磁敏元件5 mm，但要使磁敏元件斷開，則需使磁鐵離開磁敏元件至8 mm，這樣就能有效解決振動動情況下亂計數的問題。

6 結束語

在應用過程中，對于在強電磁波和其他復雜干擾情況下，系統會產生意外的操作錯誤，因此增強系統抗干擾能力，有待繼續研究的。