单片机实例分享，射频卡流量监控系统

回想以前，学校浴室的收费标准是1.5元/次，每次可以持续洗一个小时，但是很多人洗澡的时间并不是很长，根本用不了一个小时，于是浪费水的情况便时有出现。我经常看到有些同学在浴室里洗衣服，所以这样的收费方式有滋生学生浪费习惯的弊端。为此我想到了通过改进浴室管理方案，修改计费方式，从而遏制大学生的浪费行为，这个系统可先在饮水机上进行测试。

我所在学校使用的“一卡通”是一张 IC 卡，用它可以到图书馆借书、到食堂就餐，学校还能通过IC卡获得使用者的详细信息等。我设想也可以利用IC卡对淋浴流量管理，每秒或者每几秒读取一次流量器的数据，再经过计算然后扣费，如果某个同学一直开启喷头，那么他一卡通内的钱也会随着流量的增加被更多地扣除。

我们设计的射频卡进行流量计费管理的系统具有以下优点。

(1)存储容量大。磁卡的存储容量大约在200个字符;IC卡的存储容量根据型号不同，小的有几百个字符，大的有上百万个字符。

(2)安全保密性好，不容易被复制，IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码。

(3)IC卡具有数据处理能力。在与读卡器进行数据交换时，可对数据进行加密、解密，以确保交换数据的准确可靠;而磁卡则无此功能。

(4)使用寿命长,可以重复充值。

(5)IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息保存年限长，读写次数在数万次以上。

(6)IC卡能广泛应用于金融、电信、交通、商贸、社保、税收、医疗、保险等方面，几乎涵盖所有的公共事业领域。

设计思路

通过单片机对流量计、射频卡、电磁阀等实施控制。单片机会按照流量，对射频卡内的信息进行修改(修改余额信息，对其他信息无影响)，单片机访问流量计的频率大约为3s访问一次，也就是，单片机每3s扫描一次流量计的数据，同时进行运算费用，然后修改射频卡内的信息(修改余额)。余额不足会通过12864液晶显示器显示。整个系统的设计框图如图19.1所示。

图19.1 整个系统同的设计框图

本系统的主控采用STC12C5A60S2单片机，该单片机是增强型51单片机，ROM高达61KB,运算速度是普通51单片机的8倍。STC12C5A60S2兼容51单片机的指令、引脚，而且该单片机具有A/D转换功能、高速低功耗、抗干扰等特点。电磁阀采用12V六分管通水电磁阀，直流持续式工作模式，工作压力在0.02～0.8MPa，介质温度在1～85℃。并且导体与非导体之间应能承受AC2500V电压，1min不击穿以及产生飞弧等现象。流量计采用六分管高精度水流量传感器，频率F=26×Q(Q表示流量，单位为L/min)，内径3.0mm，流量范围0.5～5L/min。射频卡采用RFID读卡模块和EHUOYAN IC卡。

本系统的设计分为3个具体实施阶段。

第一个阶段，如图19.2所示，识别IC卡，读取IC卡信息，检查余额，满足条件后打开电磁阀，准备读取流量计数据。如果余额不足，则产生提示。

图19.2 第一阶段

射频卡相关知识

IC卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷;在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。

IC卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦式可编程只读存储器集成电路芯(EEPROM)来存储数据信息的。

作为电子货币的IC卡，其上记录有大量重要信息，安全性是很重要的，作为IC卡应用系统开发者必须为IC卡系统提供合理有效的安全措施，以保证IC卡及其应用系统的数据安全。影响IC卡及应用系统安全的主要方式有：使用用户丢失或被窃的IC卡，冒充合法用户进入应用系统，获得非法利益;用伪造的或空白卡非法复制数据，进入应用系统;使用系统外的IC卡读写设备，对合法卡上的数据进行修改，改变操作级别等;在IC卡交易过程中，用正常卡完成身份认证后，中途变换IC卡，从而使卡上存储的数据与系统中不一致;在IC卡读写操作中，对接口设备与IC卡通信时所作交换的信息流进行截听、修改，甚至插入非法信息，以获取非法利益，或破坏系统。常用的安全技术有:身份鉴别和IC卡合法性确认、指纹鉴别技术、数据加密通信技术等。这些技术采用可以保证IC卡的数据在存储和交易过程中的完整性、有效性和真实性，从而有效地防止对IC卡进行非法读写和修改。总体上，IC卡的安全包括物理安全和逻辑安全两方面。

物理安全包括：IC卡本身的物理特性上的安全性，通常指对一定程度的应力、化学、电气、静电作用的防范能力;对外来的物理攻击的抵抗能力，要求IC卡应能防止复制、窜改、伪造或截听等。常采用的措施有：采用高技术和昂贵的制造工艺，使之无法被伪造;在制造和发行过程中，一切参数严格保密;制作时在存储器外面加若干保护层，防止分析其中内容，即很难破译;在卡内安装监控程序，以防止处理器或存储器数据总线和地址总线的截听。

常用的逻辑安全措施有：存储器分区保护，一般将IC卡中存储器的数据分成3个基本区：公开区、工作区和保密区;用户鉴别，用户鉴别又叫个人身份鉴别，一般有验证用户个人识别PIN、生物鉴别。

卡片有着16个扇区，每个扇区包含4个数据块，每个数据块具有16byte的存储容量。扇区被定义为扇区0～扇区15，数据块被分为数据块0～数据块3，整个卡共有64个数据块。

每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块(包括数据块和控制块)的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。

第二个阶段，如图19.3所示，首先采集流量计数据，然后流量计产生的脉冲通过单片机计数。目前市场上常见的流量计是1L水共输出450个脉冲。1L水的质量是1kg，一个脉冲大概是2.2g水，利用单片机对脉冲数进行计数，每过一个脉冲扣除一定费用(单价×2.2即可)。实时监测IC卡内余额，如果余额不足，则触发单片机中断，等待关闭电磁阀，延迟1min后关闭电磁阀。

图19.3 第二阶段

第三阶段，如图19.4所示，监测IC卡状态，如果未识别到IC卡，则关闭电磁阀(防止使用者不关喷头直接拔卡)。

图19.4 第三阶段

制作过程

表19.1 制作所需材料

制作所需材料见表19.1，整个系统的电路图和PCB如图19.5所示。

图19.5 电路图和PCB图

PCB图是外加工的，需要注意的是，图中长方形白色框体是射频卡模块，尺寸可根据购买的射频卡模块尺寸进行修改。焊接电路板时，遵循“先贴片后插件，先低后高，先小后大”的原则，这样做会让你事半功倍，按照电路图焊接完成并通电之后的的系统可以进行简要的操作(见图19.6～图19.9)。

图19.6 驱动12864，没有用户，等待模式

图19.7 读到卡了，显示姓名、学号、钱包

图19.8 随着流量计脉冲个数增长，单片机进行计费，同时进行扣款操作，操作完毕显示当前余额

图19.9 用户移走卡，蜂鸣器长鸣一声，提示卡已移走

简单的测试之后，下位机就制作完成了，接下来就是进行上位机的编写，上位机(改变姓名、充值、初始化等操作依赖于模块)是用于改变射频卡信息的PC软件，我使用C#语言编写，第一次编写上位机软件，虽然界面很普通，但是功能还是比较完备的(见图19.10～图19.12)。

图19.10 没选择串口前所有的都是灰色表示不可操作

图19.11 选择串口后，按钮可操作更改框可以进行改写

此制作需要用到的射频卡通信设备(此设备需要和上位机搭配使用)如图19.13所示，设备上面黄色的纸是打印的，然后用双面胶贴上去，内部使用一个USB转TTL模块以及一个射频卡读写卡模块。

图19.12 单击读卡按钮后的显示

图19.13 此制作需要用到的的射频卡通信设备

程序部分

按照设计的流程图编写程序，由于程序过多，我不一一附上，只截取部分进行说明。下列程序是本制作要用到的命令数组、处理数组、显示数组等程序，也是上位机和下位机都需要的部分，需要注意的地方是，数组的个数和串口发送与接收命令的长度一定要搭配，否则会出错。比如某个命令的返回值的数组大小为10，如果我们在写串口中断处理函数的时候，没注意接收的个数，写成了9，那么处理函数会一直等待最后一个数，才满足跳出函数的条件，当然，你可以写个报错的函数，调试完成后关闭它。

//search card and get card serial number

uchar xdata ComSearchCard[5] = {0xAA,0xBB,0x02,0x20};// 寻卡，返回AA BB 06 20 92 BF 72 59 20

//read block No.x

uchar xdata ComReadBlock[13] = {0xAA, 0xBB, 0x0a, 0x21, 0x00, 0x08, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};// 读哪一块，第6位就是0x0几

//read block No.8

//uchar ComReadBlock6[13] = {0xAA, 0xBB, 0x0a, 0x21, 0x00, 0x06, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};

// write block No.8 with 0x01 to 0x0f

uchar xdata ComWriteBlock[29] = {0xAA, 0xBB, 0x1a, 0x22, 0x00, 0x08, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,//0xff 是密码

0x02, 0x00, 0x01, 0x01, 0x00, 0x07, 0x00, 0x01,//

0x04, 0x02, 0x04, 0x08, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};// 要写的数据

//initialize block No.8 as a purse

uchar xdata ComIntiPurse[17] = {0xAA, 0xBB, 0x0e, 0x23, 0x00, 0x05, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,0xff, 0xff, 0x00, 0x00};//初始化钱包。分区5为钱包

//read purse value of block No.5

uchar xdata ComReadPurse[13] = {0xAA,0xBB,0x0a, 0x24, 0x00, 0x05,0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};// 读取分区5的钱包返回4字节的数据

// purse in block No.5 increase with value“2”

uchar xdata ComIncrPurse[17] = {0xAA,0xBB,0x0e, 0x25, 0x00, 0x05, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, //增加钱包的余额

0x01, 0x00, 0x00, 0x00};//要增加的值

// purse in block No.5 decrease with value“1”

uchar xdata ComDecrPurse[17] = {0xAA,0xBB,0x0e, 0x26, 0x00, 0x05, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,//扣费

0x01, 0x00, 0x00, 0x00};//要减少的值

提取数据的数组：

uchar xdata user_block8[12]={0}; //学号(8位)

uchar xdata user_card[4]={0}; //卡号

uchar xdata user_cash[4]={0}; //现金

uchar xdata user_name[6]={0}; //姓名

程序中有一个举足轻重的“指令选择”函数，由于程序太长，就不附上，有兴趣的朋友可以到我的QQ群下载。这个函数是一个带返回值的函数，整个系统的命令都由这个函数发出。下面的解释一目了然，以后如果需要升级本系统，在这个函数内部添加命令即可。

指令选择入口函数：

输入：j 1～8

输出：1或0

功能概述：

a. 确认返回数组的正确性(数组最后一个数据的异或校验以及数组的长度)。

b. 序号说明：

(1)寻卡，返回射频卡序列号;

(2)读取某个模块的值，返回16位数值;

(3)写某个模块，返回成功命令;

(4)初始化钱包，即定义制定射频卡分区为钱包返回成功命令;

(5)读取钱包的值;

(6)增加钱包的值;

(7)减少钱包的值;

(8)返回增加、减少后钱包的值。

由于这个制作的初步设想是在学校里使用的，因此价格基本稳定，就没有给管理员权限使用输入设备更改资费。更改资费需要改动源代码，当然，做成产品肯定需要设计输入设备，由于本次制作的用户就是我，所以就简化了。

更改资费的程序段如下：

EX0 = 0;

countflag = 0;//脉冲标志清零

feetemp = 0x01;//这里是扣的金额

feecount = feecount + feetemp;//计算使用总额，需要显示也可以显示的

ComDecrPurse[12] = feetemp;//写入扣钱金额

j = Command_choic(7);//100个脉冲减少一分钱

关于脉冲个数与消费金额关系的问题，在外部中断里去修改一下就好了，建议大家使用宏定义，直接在顶部修改。

count++;

if (count == 1) //这里更改脉冲个数

{

countflag = 1;

count = 0;

}

注：之所以使用双串口单片机是有原因的，因为一边要和模块通信，一边要打印出来数据观察是否正确，所以要使用两个串口，当然，此制作我用串口2与模块通信，这也是为什么用12C5A60S2的原因。

流量管理系统制作好了，现在就试着将它搭建到饮水机上进行测试。总的来说，就是先断开饮水机的水管，把电磁阀和流量计串连进去，再连接上即可。但连接的时候需要用一些胶布，以防止漏水，并避免饮水机发生漏电危险。

总结

此制作的射频卡读取模块，使用的是串口协议，它的所有命令都是以“AA BB”开头，最后一位数据是前面除开头以外的异或结果，串口收数据的时候本来就不知道收多长，这个版本的模块没有解决这个问题。例如，寻卡的命令是“AA BB 02 20 22”，“AA BB”为开头，22是前面02和20的异或结果。因此推荐大家使用其他协议，其他协议可以自己规定头和尾，检测的时候非常方便，当然也纯属个人意见。

如何使用4G模块通过MQTT协议传输温湿度数据到onenet

本次实验是采用SIM7600CE 4G cat4 模块进行操作的，本模块支持GNSS定位功能。也可以采用别的4G模块，只要支持TCP传输就行。本模块支持的AT命令相当强大，拥有TCP&UDP命令集，HTTP命令集，MQTT命令集。本模块虽然已经支持了MQTT功能，但是我们在实际研发项目中，为了保持项目的可移植性和兼容性，通常不会使用模块自带的MQTT命令集，而是用代码实现MQTT上层功能，底层再调用模块的TCP AT命令集。

一、MQTT简介

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。它是IBM 1999年发布的一个用于物联网的协议.MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。

在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT设计思想是开放、简单、轻量、易于实现。这些特点使它适用于受限环境。

例如，但不仅限于此：网络代价昂贵，带宽低、不可靠。在嵌入设备中运行，处理器和内存资源有限。

该协议的特点有：

使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；对负载内容屏蔽的消息传输；使用 TCP/IP 提供网络连接；有三种消息发布服务质量：小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；使用 Last Will 和 Testament 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

二、ONENET平台

OneNET是由中国移动打造的物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，为智能硬件、智能家居产品提供完善的物联网解决方案。

OneNET具备如下功能：

专网专号：中国移动基于物联网特点打造的专业化网络通道，提供“云-管-端”一体化的智能管道和支撑系统，支持工业级、车规级的专网卡和通信模组；海量连接：基于多类型标准协议和API开发满足海量设备的高并发快速接入；在线监控：实现终端设备的监控管理、在线调试、实时控制功能；数据存储：基于分布式云存储、消息对象结构、丰富的数据调用接口实现数据高并发读、写库操作，有效保障数据的安全；消息分发：将采集的各类数据通过消息转发、短彩信推送、APP信息推送方式快速告知业务平台、用户手机、APP客户端，建立双向通信的有效通道；能力输出：汇聚中国移动短彩信、位置服务、视频服务、公有云等核心能力，提供标准API接口，缩短终端与应用的开发周期；事件告警：打造事件触发引擎，用户可以基于引擎快速实现应用逻辑编排；数据分析：基于Hadoop等提供统一的数据管理与分析能力。

三、如何接入OneNet

用户要接入 OneNet，

首先要在 OneNet 平台上进行注册用户、创建设备等一系列准备工作，然后要通过网络和 OneNet 服务器建立TCP 连接，最后将用户数据按照一定的协议(比如：EDP、RestFul API，MQTT)打包上传至 OneNet 平台，从而实现设备终端接入。用户注册:在接入 OneNet 之前，需在平台网站注册用户账户，登陆网址：http://open.iot.10086.cn/，显示如下界面：