馬蓉

摘要：鑒于“RFID應用技術”課程在高職教學中遇到的困難，專門為該課程研究設計了校園一卡通系統(tǒng)。本文主要闡述了如何將校園一卡通系統(tǒng)融入課程教學，詳細說明了該系統(tǒng)框架的設計過程。最終目標是利用該框架，進一步指導學生著手開發(fā)一系列的RFID應用，使學生從一個僅了解RFID通訊原理的學習者轉換成為一個RFID應用的開發(fā)者。

關鍵詞： 物聯(lián)網；RFID技術；Arduino

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0096-02

RFID技術是物聯(lián)網的核心技術之一，因此，“RFID應用技術”課程是物聯(lián)網專業(yè)的核心課程之一。課程的最終目標是使學生對RFID技術有清晰的了解，并能夠進行實際運用。而市面上多數(shù)的RFID實訓教學設備所提供的開發(fā)環(huán)境大多建立在業(yè)務層之上，而接觸不到底層的通訊過程，整個課程的內容與信息系統(tǒng)開發(fā)無異。

鑒于這種情況，我們本著簡潔、復用的設計思想，專門為這門課程設計開發(fā)了一套校園一卡通系統(tǒng)的開發(fā)框架。我們要求學生在完成校園一卡通系統(tǒng)的學習后能夠獨立完成另外一項RFID應用系統(tǒng)的開發(fā)。最終使學生從一個僅了解RFID通訊原理的學習者轉換成為一個RFID應用的開發(fā)者。

1校園一卡通系統(tǒng)設計的總體思路

在實際的一卡通系統(tǒng)的設計過程中會出現(xiàn)許多商業(yè)化的設施：硬件平臺、卡片與閱讀器的結構、通訊協(xié)議、開源（第三方）庫源碼等，同時也會涉及一些設計模式等不易理解的內容。鑒于高職學生的理論基礎有限，我們設計了一個能夠滿足各種RFID應用場景的開發(fā)框架（包括簡單的數(shù)據表示及使用方法），并完成了一套校園消費一卡通全部功能作為示例程序，以支撐課程內容。該框架選取Arduino與MFRC500系列作為硬件平臺，選取C/C++作為開發(fā)語言，盡可能的少引入其他商業(yè)（或開源）設施，從而將注意力集中在如何應用RFID技術本身。學生只需有基本的C語言開發(fā)基礎即可看懂示例程序，后期參考該系統(tǒng)的設計、利用該系統(tǒng)提供的函數(shù)庫資源，自己就可以完成一個可實際應用的RFID項目。

2 校園一卡通系統(tǒng)框架的整體設計

2.1硬件設計

系統(tǒng)的硬件設施包括4個部分：Arduino UNO、MFRC522、Joystick、卡片。Arduino UNO是Arduino開發(fā)板家族成員之一，Arduino本身即為一單片機系統(tǒng)以及開發(fā)IDE的統(tǒng)稱，可以認為一卡通系統(tǒng)是存放并且運行在這個單片機系統(tǒng)中的。MFRC522是一塊連接在Arduino UNO開發(fā)板上的芯片，它作為 “閱讀器”的角色。JoyStick是一個簡易的控制搖桿，它能夠測量四個方向的輸入并將其以模擬信號的形式傳送給Arduino UNO。在本系統(tǒng)中，JoyStick扮演了用戶輸入控制器的角色，一卡通系統(tǒng)的所有功能選項都以上、下、左、右四項菜單方式提供給用戶使用，比使用傳統(tǒng)的鍵盤控制更加直觀，有良好的用戶體驗?？ㄆ窍到y(tǒng)操作的對象，系統(tǒng)所使用的卡片為當前應用最為廣泛的Mifare One系列卡片。

2.2軟件設計

系統(tǒng)的軟件設施為一套函數(shù)庫文件以及工程文件，工程的編譯工作須由Arduino IDE完成，編譯完成后同樣由Arduino IDE將二進制文件上傳至Arduino UNO開發(fā)板中。上傳完畢后，項目即開始運行，直到UNO斷電停止運行。在運行的過程中，一卡通系統(tǒng)將一直提供服務，接收用戶的控制指令并做出響應。系統(tǒng)的輸出是以串口信息的方式呈現(xiàn)，通過觀察Arduino IDE提供的串口來獲取系統(tǒng)響應。

2.3功能介紹

一卡通系統(tǒng)具有基本卡片的管理功能，即開卡與銷毀卡操作，除此之外還具備充值、消費、查詢功能。其中，開卡可以理解為：將一張新的Mifare One卡片納入本系統(tǒng)進行管理，此卡片將用于本系統(tǒng)，且僅用于本系統(tǒng)。銷毀卡的功能則與開卡相反，即從本系統(tǒng)中刪除本卡片的所有信息，卡片今后還可以使用于其他系統(tǒng)。既然系統(tǒng)具有記錄卡片信息的功能，所以還應該具有一些列管理數(shù)據的功能，如查詢已有數(shù)據、清除數(shù)據、統(tǒng)計等等。

總結校園一卡通系統(tǒng)應該具有的功能如表1所示：

系統(tǒng)運行后，首先顯示主功能菜單，每一項主菜單下都有一個二級菜單。所有的功能菜單將以4項為一組的方式顯示，分別對應JoyStick的上下左右操作，如圖1所示。

撥動JoyStick搖桿可以選擇二級功能。每一個二級功能菜單都設置down操作（向下）為返回一級菜單。

3 校園一卡通系統(tǒng)開發(fā)框架的設計與實現(xiàn)

對于系統(tǒng)開發(fā)框架的設計我們有兩個設計原則：

第一，系統(tǒng)必須具有非常強的復用性以滿足不同的RFID應用場景。也就是說這套框架不是僅僅為了校園一卡通這一種應用場景來設計，還應該可以滿足公交卡系統(tǒng)、地鐵計費卡系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等不同場景的需要。因此，就要求系統(tǒng)中的各個模塊具有清晰的接口，盡可能全面的功能，以及簡明易用的整合方法以提高整個框架的復用性。

第二，系統(tǒng)必須較少的引入其他商業(yè)設施，以方便教學。其中Mifare卡片、MFRC522閱讀器，這是RFID不可缺少的設施，除此之外，我們在希望構建系統(tǒng)時盡量少的引入其他的內容，從而將核心放在RFID技術本身。所以，系統(tǒng)框架中的控制主機的功能，例如數(shù)據存儲，僅考慮在Arduino UNO上完成，同時，用戶控制也僅考慮使用JoyStick的四個方向作為按鍵，從而完全脫離對開發(fā)端PC機的依賴，PC機僅僅起到一個串口輸出監(jiān)視器的作用。

3.1數(shù)據管理功能的實現(xiàn)

在Storage.h中我們將實現(xiàn)對數(shù)據存儲的所有操作，通過定義類：STORAGE。我們設想的STORAGE類應該具有這樣的特性：

1）它負責一切保存關于Data的數(shù)據到EEPROM中；

2）為了簡明、復用，所有函數(shù)盡可能少的傳遞參數(shù)。所以我們設置成員：

unsigned char ptr；

Data& data；

ptr的作用看作一個指向EEPROM記錄塊首的指針，即ptr * 10總是指向index塊所在的位置，這樣，由于EEPROM中所有記錄塊的結構相同，在訪問特定的記錄塊內地址時，可以采用ptr * 10 + 塊內偏移量這樣的固定公式來完成。index與ptr之間始終保持著index = ptr + 1的數(shù)學關系。

data作為對Data類的引用，將要處理的數(shù)據傳給操作者STORAGE類。

3.2金額處理

由于在RFID類中，我們沒有實現(xiàn)ISO/IEC 14443中的Increment與Decrement這兩種操作，所以我們不得不將金額信息存放在普通的數(shù)據塊中。在數(shù)據塊中，數(shù)據被逐字節(jié)識別，這對消費與充值操作這樣加減運算造成了一定的麻煩，我們必須實現(xiàn)字符到數(shù)值的轉換。也就是首先把來自PC機串口監(jiān)視器輸入的字符串轉換為數(shù)值，然后把來自卡片的字節(jié)數(shù)據轉換為數(shù)值，最后把經過加減運算的數(shù)值轉換回字節(jié)數(shù)據發(fā)送給卡片。

在Money類中，我們通過三個函數(shù)來完成這樣的轉換。有了這些技術上的準備，我們可以著手設計MONEY類了，其中cardBuffer[]用于保存卡片數(shù)值塊的數(shù)據，只保留其前4字節(jié)，serialBuffer[]用于保存串口監(jiān)視器輸入的字符串，而balance則作為真正做加減運算的金額數(shù)值。

3.3菜單的設計與實現(xiàn)

對于菜單的設計，通過校園一卡通管理系統(tǒng)的展示可以看出，所有的界面最多顯示4個功能，分別對應控制搖桿的4個方向。我們希望系統(tǒng)能有統(tǒng)一的界面，所以我們將所有的界面用長度為40個字符的“*”裝飾在界面的最上與最下，其中最上行中要在中央位置放置功能名的大寫英文。我們創(chuàng)建CreateUI類，它的功能分別為打印最上行裝飾、打印最下行裝飾、打印其中的菜單這三項。

3.4用戶交互功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)中，JoyStick僅僅是在2個模擬管腳給Arduino一個信號，這遠遠不夠。所以我們專門定義一個類：OPTION，來對這兩個模擬管腳適當?shù)奶幚怼＿@個類必須具有以下特性：

1） 能夠得知JoyStick輸入值所對應的方向；

2）能夠將用戶輸入過的值保存下來，提供給系統(tǒng)使用；

3）能夠使系統(tǒng)需要用戶輸入時停下來等待用戶搖動JoyStick。

4 結束語

通過設計開發(fā)校園一卡通系統(tǒng)的系統(tǒng)框架，進一步提高了“RFID應用技術”課程的教學效果。利用這個框架，我們可以指導學生著手開發(fā)一系列的RFID應用，包括公交卡系統(tǒng)、地鐵卡系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等等。最終使大部分學生從一個僅了解RFID通訊原理的學習者轉換成為一個RFID應用的開發(fā)者。

參考文獻：

[1] 陳呂州.Arduino程序設計基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2] 貝毅君.RFID技術在物聯(lián)網中的應用[M].北京：人民郵電出版社，2013.

【通聯(lián)編輯：光文玲】