非接触式IC卡水表的设计与实现.pdf

收稿日期 2008 02 25 作者简介 杨瑞霞 1974 女 河北省吴桥市人 山东省政法学院讲师 硕士学位 研究方向 电子技术与嵌入式系统 文章编号 1004 4280 2008 02 0051 03 非接触式IC卡水表的设计与实现 杨瑞霞 山东政法学院 信息科学与技术系 山东 济南250014 摘要 该文针对使用传统水表过程中 人工抄表和收费费时费力 可靠性差等缺点 提出了使用非接触式IC卡进行 水表收费的方案 该方案具有方便 可靠的优点 并可以大力促进供水的科学管理水平 具有很高的应用与研究价 值 详细讨论了方案的设计原理与具体实现 关键词 水表 非接触式 IC卡 微控制器 中图分类号 TP368 1 文献标识码 A Design and implementation of water meter based on non contact smartcard Y ANG Rui xia Department of Information Science and Technology Shandong political legality Institute Jinan 250014 China Abstract This paper presents a solution by using non contact smartcard to control water meter aiming at the shortcoming of human reading meter and charging in water supply system such as expanding more people and more time low reliability The solution has advantages of convenience reliability and makes for promoting the management of water supply This project is worth studying and putting to use This paper discusses the design theory and implement in detail Key words water meter non contact smartcard IC card micro control unit 0 引言 长期以来 自来水用户的用水量管理依靠人工 抄表 然后由收费员到各家收费或各用户去银行交 费 这种传统的收取水费的做法需要的工作人员 多 费时 费力 效率低 常常出现用户欠费 迟缴或 漏缴水费等问题 采用IC卡智能水表后 可以改变 自来水收费及管理的现状 达到实现 先付费后用 水 促进自来水公司管理科学化 提高自来水公司 的服务质量和竞争力的目的 1 非接触式IC卡 又称射频卡 是近几年发展起 来的新技术 它成功地将射频识别技术和IC卡技术 结合起来 解决了无源和免接触难题 射频卡无需 专门的供电电源 它与读写器间无机械接触 避免了 接触故障 它的表面无裸露芯片 可防水 且不易产 生静电击空及弯曲损坏等问题 射频卡使用时没有 正反面 因此 使用非接触式IC卡开发的IC卡水 表具有可靠性高 使用方便 操作速度快等特点 1 非接触式IC卡水表系统方案 1 1 非接触式IC卡工作原理 非接触式IC卡系统由读写器和非接触式IC卡 两部分组成 应用系统通过读写器对卡进行操作 读卡器通过射频信号同步进行近距离通讯 并为卡 上的芯片提供能量 非接触式IC卡响应读写器的指 令 并报告处理的结果 非接触式IC卡通过连接IC 第22卷 第2期 2008年 6月 山 东 轻 工 业 学 院 学 报 JOURNALOFSHANDONG INSTITUTE OF LIGHTINDUSTRY Vol 22 No 2 June 2008 芯片的线圈在特定交变磁场中耦合获得高压能量 非接触式IC卡的读写器通过发射线圈发射交变强 磁场 给予IC卡能量 通过磁场的断 续编码写入数 据 并通过线圈感应IC卡发生的磁场阅读IC卡发 来的数据 IC卡通过交变磁场获得能量 通过检验 磁场的编码获得读写头写来的数据 并按设定的模 式编码 调制 向读写头发出数据 系统中使用的非接触式IC卡为最常见MIFARE One卡 其读写模块为Piliphs公司的RC500 RC500 是工作在13 56 MHz频率的非接触式通讯的读写芯 片 它完全兼容ISO14443A所要求的各层次通讯的 要求 RC500与MCU的接口非常方便 只须简单的 外围电路和天线就可以可完成读写器与IC卡之间 的各种交互功能 包括调制 解调 加密 解密 认证 读写 加 减等 2 1 2 水表工作原理 非接触式IC卡水表与传统水表最大区别在于 加入了IC卡模块 对用户的用水进行控制 其主要 的功能是使用IC卡记载用户的交费信息 水表读取 IC卡内的交费信息 根据交费情况进行供水 具体 工作步骤如下 1 用户持IC卡到供水部门交款时 供水部门 把用户的IC卡放在与PC机相连的读写器上 由写 卡程序在IC卡上写入与用户交款数相符的一定用 水数量 2 用户把IC放到家中预收费水表上 水表读 出IC卡中的用水数 与预收费水表中来剩余的水量 相加 由于机内采用备用电池 不怕掉电失去数据 3 智能水表中的MCU通过水量传感器监测用 水量 并对内存的用水数进行扣减 4 MCU随时监测内存中剩余用水量是否小于 1 m3 如果是 则点亮报警的发光二极管指示器 提 示用户持卡到供水部门重新交钱 5 当MCU发现用户水表中剩余用水量完全用 完时 关闭用户水表阀门 停止供水 6 付费用的非接触式IC卡按一表一卡配置 卡内存有相应的的卡号和用户编号 以及IC卡的传 输密钥 用户把IC卡放在供水部门充值用的读写 器上时 PC机在为用户写入所购用水量的同时 记 录该卡的卡号 日期和相应的款数 并写入数据库 使得供水部门可随时在PC机上查询用户购水情 况 实现了供水管理部门的管理现代化 2 非接触式IC卡水表硬件设计 智能水表主要由以下几个单元电路组成 传感 器电路 阀门控制电路 抄表电路 显示电路 电源管 理电路 故障处理电路 数据备份电路及时钟电路 等 系统原理框图见图1 图1 水表硬件原理框图 系统采用TI公司的MSP430413作为主控MCU TI公司MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合 信号控制器 它们具有16位RISC结构 CPU的16 个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到 最高的代码效率 灵活的时钟源可以使器件达到最 低的功率消耗 数字控制的振荡器 DCO 可使器件 从低功耗模式迅速唤醒 在小于6 us的时间内被激 活到正常的工作方式 MSP430的16位定时器是应 用于工业控制如纹波计数器 数字化电机控制 电 表 水表和手持式仪表等的理想配置 内置的硬件 乘法器大大加强了其功能并提供了软硬件相兼容的 范围 提高了数据处理能力 3 系统中的读卡模块RC500读取非接触式IC卡 中的信息 把需要信息存储到口串行EEPROM 流 量传感器检测用水量的大小 需要扣减时 读取 EEPROM中的数据进行对比扣减 如果已经达到预 付款的可用水量警戒值 系统进行报警 如果可用水 量为0 则驱动电机关闭阀门 显示部分是为了用 户方便显示用水量等值 电源管理主要是检测水表 的电池状态 如果电量不足 则先报警 电量太低则 关闭水表 RS485功能是方便水表扩展通讯功能使 用的 3 系统软件设计 水表的软件设计是根据功能而定的 主要流程 见图2 主要包括有以下几个功能 1 读取非接触式IC卡功能 对进入有效识别 范围的非接触式IC卡进行防冲突 密码认证 卡号 25 山 东 轻 工 业 学 院 学 报第22卷 图2 系统软件流程 认证等操作 如果是合法卡片 读出卡中存储的数 据 然后将卡清零 停卡 2 完成水表的预收费功能 将从IC卡中读出 的可用水数量与单片机内存剩余的数相加 并存入 内存 3 显示功能 系统周期性地扫描 动态显示水 表内剩余的可用水数 此外 当出现读写IC卡发生 错误等意外情况时 显示出错信号 4 串行通讯中断功能 可与外部电路组成网 络 实现自动抄表等功能 5 用水计数功能 系统使用流量传感器实时 监测用水量 当用水量需要计数时 剩余用水数量减 1 用水量加1 6 报警断电功能 当水表内可用水量小于 1 m3时 点亮预告用电量将尽的发光二极管指示器 提示用户到供水部门进行付款 而当用户可用水量 完全用完时 电机关闭阀门 用户只有再次存入用 水量后 才能继续供水 水表在不工作时 为了节电 系统进入睡眠状 态 此时系统可以检测IC卡 电量过低报警 用水等 中断 当中断出现时 激活水表进入正常工作状态 4 结束语 本文讨论了非接触式IC卡开发的智能水表 该 系统实现了用水收费的电子化 改变了先用水后收 费的不合理状况 促进了用水计量 收费的科学化管 理 该装置具有方便 可靠等特点 适于推广使用 参考文献 1 FINKENIELLER K 射频识别 RFID 技术 无线电感应的应答