基于射頻識(shí)別技術(shù)的智能信箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　信箱是一種人際的溝通工具之一。信件送來，收件者因?yàn)橥獬龌蛘呙β?，無閑親身接收，只有由信箱代勞，待收件人有空才開信箱，一次拆閱、處理來信。普通鎖是信箱的常用安防工具，但隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，這種傳統(tǒng)工具越來越不能滿足人們的生活需求，給生活帶來諸多不便。如果能安裝一套不僅適合于單個(gè)家庭，而且也適合于多個(gè)家庭或社會(huì)團(tuán)體的簡(jiǎn)易智能信箱，將會(huì)給人們的生活帶來極多方便。

　　智能信箱是一種新型現(xiàn)代化的電子系統(tǒng)，集射頻識(shí)別技術(shù)和機(jī)電控制技術(shù)為一體，涉及電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)等諸多新技術(shù)。智能信箱按其組合結(jié)構(gòu)形式通常分為獨(dú)立信箱和組合智能信箱兩種，獨(dú)立智能信箱可應(yīng)用于單個(gè)家庭，組合智能信箱一般應(yīng)用于小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、大廈等社會(huì)團(tuán)體區(qū)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

　　智能信箱系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)信箱的智能化，它主要由卡片、讀卡器、電子鎖、控制器、電源、鍵盤、液晶顯示器、蜂鳴器、指示燈、接近開關(guān)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)圖可簡(jiǎn)述系統(tǒng)的工作原理：電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電壓，當(dāng)信箱內(nèi)有信件時(shí)，控制器接收接近開關(guān)信號(hào)，并控制信件指示燈變亮。用戶除使用密碼開鎖外，還可用卡片靠近在讀寫器的感應(yīng)區(qū)，控制器對(duì)從讀寫器處接收到的信息進(jìn)行判別。若卡片是用戶卡，則進(jìn)行開鎖處理，并控制開鎖指示燈變亮，當(dāng)用戶關(guān)上箱門時(shí)，關(guān)門接近開關(guān)輸送感應(yīng)信號(hào)至控制器，控制器控制電子鎖模塊進(jìn)行上鎖處理。若為管理卡，則可使用鍵盤進(jìn)行添加用戶、刪除用戶、修改密碼等動(dòng)作。

　　2 射頻識(shí)別技術(shù)原理及特點(diǎn)

　　2.1 工作原理

　　射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。一般情況下，射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由控制器、讀卡器、非接觸式IC卡三部分構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　IC卡：又稱電子標(biāo)簽，主要由IC芯片及感應(yīng)天線組成，并完全封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片中，無外露部分。IC卡通常通過無線電波來實(shí)現(xiàn)與讀寫器之間的讀寫操作。非接觸式IC卡本身是無源的，它能保存事物的屬性、狀態(tài)及編號(hào)等信息。當(dāng)讀寫器發(fā)出信號(hào)對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，其信號(hào)有兩部分：(1)電源信號(hào)。IC卡接收此信號(hào)后，該信號(hào)會(huì)與卡中的LC電路產(chǎn)生諧振，從而產(chǎn)生一個(gè)供芯片進(jìn)行相關(guān)工作的能量。(2)數(shù)據(jù)信號(hào)。該信號(hào)能指揮芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、修改、更新等操作，并在操作完成后回發(fā)給讀寫器。此外，IC卡具有加密通信功能。

　　讀寫器：又稱通信器或掃描器，主要由天線、發(fā)射器、接收器、調(diào)制器、解調(diào)器、編碼器及解碼器組成，其作用是實(shí)現(xiàn)控制器與IC卡之間的信息傳輸。

　　控制器：控制器的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)、以及通過讀寫器對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫操作等。

　　射頻識(shí)別工作原理：控制器對(duì)讀寫器發(fā)送讀寫命令，讀寫器接收命令、并將信息進(jìn)行編碼和調(diào)制處理送給發(fā)射器，發(fā)射器將調(diào)制后的信息加載到13.56 MHz的載波信號(hào)中，經(jīng)天線以無線電波的形式發(fā)送出去。進(jìn)入讀寫器感應(yīng)區(qū)的IC卡接收后獲得一種疊加信號(hào)，其中一部分信號(hào)與自身內(nèi)部LC電路諧振而產(chǎn)生的工作電壓、復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)，另一部分信號(hào)IC卡芯片內(nèi)部電路會(huì)對(duì)其進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后對(duì)命令請(qǐng)求或密碼權(quán)限進(jìn)行判斷。若為讀命令，則會(huì)讀取芯片E2PROM內(nèi)的信息，并對(duì)信息進(jìn)行編碼和調(diào)制，而后通過卡內(nèi)集成天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器經(jīng)天線接收信息后對(duì)信息進(jìn)行解調(diào)和解碼操作，最后送給控制器處理。若為寫命令，則將控制芯片內(nèi)有關(guān)電路提升電壓，直提升至E2PROM能工作為止，然后對(duì)E2PROM進(jìn)行改寫操作。若密碼權(quán)限與芯片內(nèi)信息不一致，則通過讀寫器給控制器發(fā)送錯(cuò)誤信息。這就是IC卡、讀寫器、控制器三者之間的通信過程[1]。

　　2.2 主要特點(diǎn)

　　RFID系統(tǒng)通過射頻信號(hào)能自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。其主要特點(diǎn)有：(1)體積小、識(shí)別準(zhǔn)確性強(qiáng)、能適應(yīng)于各種不同環(huán)境、具有強(qiáng)抗干擾的能力、使用壽命長(zhǎng)且操作簡(jiǎn)單方便;(2)具有強(qiáng)穿透性及無屏障識(shí)別功能，所以可進(jìn)行長(zhǎng)距離識(shí)別，并可同時(shí)識(shí)別多IC卡;(3)讀寫器與IC卡之間的安全通信使其具有比較高安全性;(4)IC卡除可存儲(chǔ)事物的屬性、特征、信息外，還可用算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)所存數(shù)據(jù)的管理;(5)RFID系統(tǒng)識(shí)別速度快，能在10 ms之內(nèi)完成讀寫操作，并可在100 ms之內(nèi)完成數(shù)據(jù)的認(rèn)證和交換[2]。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本文采用單片機(jī)C8051F020作為系統(tǒng)控制器，它具有功耗低、端口多、速度快、中斷源多等特點(diǎn)，還擁有全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字交叉開關(guān)等功能。下面分別介紹各模塊電路的設(shè)計(jì)。

　　3.1 讀寫器電路

　　讀寫器作為控制器與IC卡通信的中介，以MF-RC500為核心而設(shè)計(jì)的讀寫器完全具備系統(tǒng)所需的編碼、調(diào)制、發(fā)射、接收、解調(diào)、解碼等功能。讀寫器與IC卡之間通過無線電波來完成信息交換，IC卡接收的是米勒編碼，而讀寫器接收的是曼切斯特編碼。圖3為以芯片MF-RC500為核心的讀寫電路。在圖3中，MF-RC500的引腳D0～D7接單片機(jī)引腳P7.0～P7.7，而引腳IRQ、ALE、NCS、NWR、NRD分別接C8051F020的外部中斷引腳INT0、使能信號(hào)引腳ALE、I/O口P2.7、寫信號(hào)引腳WR、讀信號(hào)引腳RD，而引腳VMID、TX1、TX2、RX與天線的匹配電路相連接。

　　天線安裝在讀寫器中，用于發(fā)射和接收信號(hào)，并須與讀寫電路相匹配，圖4為天線的匹配電路。在圖4中，L1、L2、C11和C13構(gòu)成了一個(gè)低通濾波器，R9和R10對(duì)VMID進(jìn)行分壓，為了防止高次諧波干擾VMID和RX分別增設(shè)了C9與C10。

　　3.2 開鎖電路

　　開鎖電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，如果單純地利用C8051F020輸出一個(gè)高電平來控制繼電器的斷開與閉合，就會(huì)產(chǎn)生開鎖不牢靠的結(jié)果。因此，本文采用達(dá)林頓管放大單片機(jī)I/O口的輸出信號(hào)控制繼電器的斷開與閉合，從而達(dá)到開關(guān)箱鎖的目的。8個(gè)達(dá)林頓可控制8個(gè)繼電器，其電路連接圖如圖5所示。

　　3.3 顯示電路

　　液晶顯示器是一種常用的顯示裝置。當(dāng)有人刷卡時(shí)，系統(tǒng)需要顯示一些信息提供給刷卡者參考，如信箱編號(hào)、輸入密碼提示、錯(cuò)誤密碼提示、修改密碼提示、鎖已開提示等信息。本文采用OCMJ4x8C系列液晶顯示器，此顯示器具有自帶字庫的功能。因單片機(jī)只有64 KB的閃存，若每個(gè)漢字都用點(diǎn)陣顯示，根據(jù)液晶顯示原理，則每個(gè)字要占32 B，而64 KB的閃存能放2 000個(gè)字，所以使用OCMJ4x8C能解決C8051F020閃存不足的問題。

　　3.4 其他電路

　　智能信箱多用于人群比較密集的場(chǎng)所，用戶較多，所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較大，而且必須保證在突然斷電的情況下系統(tǒng)仍保存數(shù)據(jù)不至于丟失。FM20L08型存儲(chǔ)器具有128 K×8 bit位的容量，且掉電后保存數(shù)據(jù)的時(shí)間可達(dá)10年，所以使用FM20L08型存儲(chǔ)器完全能解決存儲(chǔ)容量不足和掉電后丟失數(shù)據(jù)的問題。

　　鍵盤是提供給用戶進(jìn)行手動(dòng)操作的裝置，在電路中可把它設(shè)計(jì)成4×4型，共16個(gè)按鍵，其中數(shù)字0～9占10個(gè)，其余按鍵分別設(shè)置為“輸入箱號(hào)”、“輸入密碼”、“增加用戶”、“刪除用戶”、“確定”、“取消”。系統(tǒng)直接采用12 V的開關(guān)電源，12 V直流電壓經(jīng)兩級(jí)穩(wěn)壓電路后分別輸出5 V和3.3 V電壓。

　　蜂鳴器是用來提示用戶每次按下按鍵的響應(yīng)，其電路形式可直接在單片機(jī)的I/O口加一個(gè)4.7 kΩ電阻，并在電阻后接一個(gè)PNP型三極管9012驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。本文采用歐姆龍公司生產(chǎn)的接近開關(guān)E2E-X4MD1作為傳感器，E2E-X4MD1具有體積小、價(jià)格低、易安裝等特點(diǎn)，檢測(cè)距離為3～25 mm，工作直流電壓為10%max(10～40 V)，輸出信號(hào)可直接送往單片機(jī)I/O口。其中一個(gè)安裝在信箱底部正中位置，作為探物器;另一個(gè)安裝在箱門側(cè)，用于感應(yīng)箱門關(guān)閉。設(shè)計(jì)指示燈的目的有兩個(gè)：一是用來提示用戶箱鎖是否打開;二是用來提示用戶信箱內(nèi)是否有信。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件功能如下：

　　(1)與讀寫器之間的通信及數(shù)據(jù)接收與發(fā)送;

　　(2)用戶卡與管理卡數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ);

　　(3)液晶顯示與鍵盤操作;

　　(4)接近開關(guān)信號(hào)的接收;

　　(5)蜂鳴器、指示燈及電子鎖的控制;

　　限于篇幅，本文只介紹系統(tǒng)執(zhí)行如圖6所示的有卡程序時(shí)的流程。

　　在系統(tǒng)軟件進(jìn)入有卡程序時(shí)，液晶顯示器同時(shí)顯示相應(yīng)的信息，如：“此卡無效!”、“鎖已開!”、“已上鎖”、“請(qǐng)輸入箱號(hào)”、“請(qǐng)輸入密碼”等。

　　充分運(yùn)用射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)智能信箱系統(tǒng)，不僅使信箱具有自動(dòng)識(shí)別功能，而且與傳統(tǒng)信箱相比，智能信箱具有無與倫比的便捷性和安全性，極大地滿足了人們的生活需求。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王愛英.智能卡技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

　　[2] 潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

　　[3] 唐海琳，鄒逢興.基于MF-RC500的RFID讀寫器的天線及匹配電路設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化，2007，26(11).