基于射频IC卡的机井灌溉用水管理机的设计

1 引言 

    射频卡(RF卡)是一种新式非接触式IC卡，它应用电磁感应原理，只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，读写方便、快捷，在公交车收费、车库与楼字管理等很多领域都得到广泛的应用。在我国北方地区大面积机井灌溉用水的管理上一直是个难题，通过IC卡管理水费合理方便，是—个有效的方法，有利于提高管理效率。

2 硬件组成 

图1 硬件原理图 

    整个系统由主控芯片、射频模块、存储器、语音芯片、时钟芯片、显示模块、水流量传感器以及电机保护和控制电路几大部分组成，如图1所示。流量传感器采集的脉冲信号送到主控芯片，主控芯片记录脉冲数量并进行换算、计量出用水量和费用，并更新数据到EEPROM以防止中途非正常断电，根据射频IC卡读出的用户信息控制机井电机的工作状态。 

    (1)主控芯片采用89C52，它片内集成8KB的ROM，256字节的RAM，三个可工作在四种不同方式下的16位定时／计数器，具有低功耗的待机模式和掉电工作模式，完全符合整个系统要求.

表1 Mifareone卡的存储结构

    (2)非接触式IC卡选用Mfare one射频IC卡，其内部包括高速CM08 EEPROM、数字逻辑模块和高效率射频天线模块，卡片无源，工作时使用的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上的天线产生。Mifare one卡片的存储容量为1K*8位字长，采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为l6个扇区，每个扇区4个块，每个块包含l6个字节，全部存储空间共有64个块。Mifare one卡的存储结构如表1所示。在Mifare one的64个块中，扇区0的第0块用于存储该卡的序列号和生产厂商的标志信息，该块是只读。其余扇区的块0、块l和块2用于保存数据，块3用于对该扇区的控制，被称为控制块。在这l6个字节中，包括了密匙A、B和控制字，其具体结构如下： 

    (3)显示部分采用HD7279A芯片，HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。HD7279A 内部含有译码器可直接接受
    BCD码或l6进制编码并同时具有2种译码方式，此外还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A还具有片选信号可方便地实现多于8位的显示，可以完成用水量、费用以及余额的显示。

    (4)存储器芯片采用24CXX系列，24CXX系列EEPROM是串行接口器件，严格遵守II C总线的时序和数据格式，由于89C52芯片内没有IIC总线接口，可以用89C52的两根I／O线P1．4和P1．5模拟IIC的时序，实现IIC总线的功能，其中P1．4作为串行时钟控制线，P1．5作为串行数据传输线。 

    (5)射频IC卡读写模块采用PHILIPS公司的非接触技术设计的微型嵌入式非接触式IC卡读写模块，内嵌MF RC500射频基站，整个模块也是采用IIC协议与主控芯片进行数据通信。 

    (6)语音模块；为了使系统更加人生化，除了LED显示外，本系统采用芯片ISD4004对各项操作进行语音向导或警告提示。 ISD4004语音模块与单片机之间采用SPI串行通讯方式。 

    (7)流量传感器采用灵敏度较高的涡街流量传感器，它的脉冲信号经光电耦合传给主控芯片的TO口。 

    (8)电机控制系统由交流接触器完成，交流接触器通过主控芯片的PI．6 El间接控制，同时还受到电机保护系统的控制，电机保护系统中交流互感器采集到电流信号并加以分析处理，当电机供电系统中出现缺相、倒序、过流、欠压等不正常隋况时电机保护系统采取保护措施断开交流接触器。

3 软件设计 

3．1 主程序 

    主程序主要完成系统的初始化，循环检测射频IC卡读写器的天线周围是否有卡，读取卡上的数据，存储数据，记录脉冲，计算用水费用，显示用水量及余额。本系统采用2KB的24C02作为存储器，主要存储的数据有：四字节的用户卡编号、六字节的密码、五字节的金额。程序流程如图2所示。

图2 程序流程图 

3．2 对射频lC卡的操作程序

图3 射频卡读写器对IC卡的读写流程图

    如图3所示为射频IC卡读写器对IC卡的读写流程，Mifare one卡读写器上电后会不断地寻卡，尝试对在其有效工作范围内的射频IC卡按事先准备好的协议进行通讯，检验该卡是否为Mifare one卡，如果在读写器操作范围内有多张卡片，防冲突机制会检测到所有卡片的序列号以便对各张卡片进行区分，选中其中一张卡片对其进行下一步操作。在选定卡片之后，读写器根据命令选择要访问的扇区号，并对该扇区的密匙进行校验，其方式为三次认证令牌机制，如果密码验证通过就可以通过加密流进行通信，对扇区中的各个块进行读块、写块、加值、减值等操作了，如果改变扇区需重复密匙验证。 

3．3 显示程序 

    显示采用HD7279A芯片，该芯片提供了详细的单片机接口程序，并且可以很方便的进行键盘的扩展。 

4 结束语 

    由于采用了HD7279A芯片，该管理机预留键盘接口，根据需要稍作修改就可以完成对IC卡的充值管理。经过实际应用，本系统的设计符合可靠．陛、安全性要求，可以应付各种较复杂的环境，具有一定的使用价值。 

    参考文献： 
    陈林林、孙仁云等．基于89C52的IC卡读／写器的设计与应用．四川工业学院学报，2004(增刊)：ll6一ll9
    张培仁．基于C语言编程MCS一5l单片机原理与应用．北京，清华大学出版社，2002 

    作者简介：肖健华(1981--)，男，在读研究生，研究方向：智能控制与智能系统。