基于STM8S单片机的档案数字化

罗 倩，邓成中*，王静梅，杨 勇，崔志锐

(1.西华大学机械工程学院，四川 成都 610039；2.西华大学档案馆，四川 成都 610039；3.西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039；4.成都市三级科技有限公司，四川 成都 610225)

近年来，随着信息技术和物联网技术的发展，射频识别(radio frequency identification，RFID)作为一种非接触式自动识别技术，在公共安全、仓储物流、智慧城市等领域获得广泛应用[1-2]。射频识别装置的基本工作原理是利用射频信号及其空间耦合和传输特性，实现对静止或移动物体的识别[3-4]。

在传统的档案管理方式下，档案入库须先进行分类、排序、装订，然后由人工撰写档案盒的相关信息，最后手工抄写档案目录，并将档案连同目录一起封装入档案盒内。这种手工处理方式使得整个流程既繁琐又低效。针对这个问题，现有的解决方案是利用移动读写器(或手持机)扫描条形码进行档案上架、盘点等操作[5]，利用磁条和条形码技术实现档案的借还；但要实现档案的盘点就要逐个扫描每个密集架内的格子，效率低下，而且不能及时地实现档案的错位管理[6]。在考虑现有解决方案不足的基础上，本文将RFID技术应用于档案管理中，提出一种基于STM8S单片机的档案数字化管理的解决方案，以实现档案的快速入库，档案储位的快速调整，档案错位的及时发现，从而提高档案管理效率和质量，最终实现档案管理智能化[7]。

1 系统总体设计

基于STM8S单片机的档案数字化系统流程如图1所示。首先将档案分别装入贴有RFID标签的文件夹，其中每个贴有标签的文件夹都有一个RFID读写器与之对应。然后由RFID读写器通过无线射频技术与RFID标签双向通信，实现RFID标签信息(包括RFID标签的名称、内容、存放位置等)的快速“读/写”。其中“写”是指PC机通过集中控制器下发写命令至RFID读写器，实现RFID标签信息的录入也即档案的入库。“读”是指RFID读写器通过集中控制器将读取的RFID标签信息上传至PC机，实现档案信息的存储、盘查等。最后由PC机对所有上传的档案数据信息进行分类和管理。

图1 系统流程图

该系统中RFID标签信息的读/写遵循RFID标签编码格式，如表1所示。通过此编码格式可以实现RFID标签的名称、内容、存放位置等的录入和输出，以实现档案的入库、出库及盘查等。

表1 RFID标签编码格式

表1中：b表示字节数；长度表示数据帧总字节数，这里的数据帧包含名称、保留字、位置信息；命令字表示2种状态，D0为写卡，D1为读卡；id号表示每个RFID标签的唯一编码号；名称表示RFID标签对应档案文件的名称，由用户通过写命令实现命名；保留字为可选字节，表示为用户预留的字节，可由用户自定义档案文件的其他信息，如分类信息等。

系统原理框图如图2所示，该系统主要由RFID读写器、集中控制器、设备终端(PC机)等模块构成，其中RFID读写器包括以STM8S为核心的主控制器、红外光电传感器模块、无线射频模块、串口通信模块、复位电路、LED指示灯等。红外光电传感器用于检测被测区域是否有文件靠近或离开，当检测到有文件靠近或离开时，红外光电传感器发射数字信号给单片机，单片机则激活无线射频模块，无线射频模块接收单片机发来的信号之后将其转换成射频信号，再通过天线对RFID标签进行读/写操作，完成标签信息的录入或输出。集中控制器通过串口RS232分别与主控制器和PC机通信，实现信息的接收和发送。PC机接收所有上传的数字标签信息并实现其分类、存储和读取等操作，同时实现命令的下发。

图2 系统原理框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片的选择

该系统的主控芯片选择STM8S103F3P6单片机，因为它采用高级STM8内核，具有3级流水线哈佛结构，支持扩展指令集，支持多串口通信[8]，提供了640字节真正的EEPROM数据读写操作，可达30万次擦写，工作电压范围为2.95～5.5 V，具有强大的I/O功能，支持多个定时器中断等[9]。主控芯片参考电路如图3所示。

图3 STM8S103F3P6电路图

2.2 红外光电传感器模块

该系统中红外光电传感器用于检测被测区域文件状态的变化(是否有文件靠近或离开)。在文件状态发生变化时，它发送信号至单片机，单片机收到此信号会激活无线射频模块。在文件状态不发生变化时，单片机不会接收到信号，则无线射频模块不会被激活，在此期间，无线射频模块处于休眠状态，从而实现系统的低功耗。

红外光电传感器模块采用TCRT5000红外反射式光电传感器，该传感器由高发射功率红外光电二极管和高灵敏光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠[10]。

LM293是一款电压比较器，其输入端和TCRT5000的信号输出端相连，输出引脚EXIT INT和MCU相连，其参考电压为1.65 V。如图4所示，在传感器正常工作的情况下，TCRT5000传感器的红外光电二极管不断发射红外线，若当前检测区域没有文件遮挡时，没有红外线被反射回来，光敏三极管一直处于关断状态，此时传感器信号输出端C经比较器输出高电平(约3.3 V)；若当前监测区域出现文件遮挡，由红外光电二极管发射的红外线会被反射回来，光敏三极管CE导通，此时传感器信号输出端C经比较器输出低电平(约0 V)。

图4 红外光电传感电路图

2.3 无线射频模块

无线射频模块主要包括MFRC522射频电路、PCB天线和电子标签。其中射频读写芯片MFRC522与主控制器STM8S之间以SPI接口的方式通信，PCB天线与电子标签内的线圈以非接触的方式进行耦合，实现数据和能量的传输[11]。相比于有线识别模块，无线射频模块以非接触方式识别，其使用更加方便且不会对文件夹造成损坏；同时无线射频技术具备扫描速度快、耐久性好、安全性高、标签数据可动态更改等优势，可以提升档案管理的质量和效率。

MFRC522是一款高集成度的非接触式射频读写卡芯片，工作频率为高频13.56 MHz，支持ISO14443A多层应用，提供SPI、I2C和UART 3种主机接口方式，读写模式下的最大读卡距离为50 mm，其内部发送器可驱动射频模块天线与ISO 14443A和应答机的通信，接收器提供解调和解码电路，用于处理ISO14443A 兼容的应答器信号[12]。无线射频模块电路如图5所示。

图5 MFRC522芯片图

当有电流通过时，PCB天线的线圈会产生一个磁场，一部分磁场会穿过RFID标签的线圈，由磁生电原理，卡片天线会感应出一个电压，这个电压会让卡片的IC产生复位而被激活，就可以进行正常的通信。PCB天线电路如图6所示，可将其分为EMC滤波电路、匹配电路、接收电路以及天线4部分。

图6 PCB天线部分电路图

EMC滤波电路：用一个晶振来产生MFRC522所需工作频率13.56 MHz，同时会产生高次谐波，因此选用LC低通滤波器将13.56 MHz的3阶、5阶及更高阶的谐波滤掉，以符合EMC规定。匹配电路：将天线部分的谐振频率点调整到13.56 MHz附近，增加PCB线圈上的信号幅度，增强磁场辐射，使天线部分获得最大功率从而有利于增加读卡距离。接收电路：由R2、R3组成一个分压电路，以改变RX处的信号幅度；图5中的电容C2滤除一些干扰，以稳定MFRC522芯片内部产生的参考电压VMID。

3 系统软件设计

系统软件包括系统主程序(TCRT5000传感器模块采集信号及发送程序)和中断服务程序(RFID射频模块数据收发程序)。

系统主程序流程如图7所示，上电后主程序初始化MCU(GPIO初始化、SPI初始化、时钟初始化等)、外部模块初始化(TCRT5000和RFID模块复位、寄存器参数配置、初始化状态配置等)和中断初始化(设置中断优先级，配置中断模式)，然后系统进入等待模式，直到TCRT5000检测到当前检测区域有文件时，通过EXIT INT引脚向CPU发送中断请求，进入RFID射频模块数据收发程序。

图7 系统主程序流程图

中断服务程序流程图(以RFID射频模块读取数据为例)如图8所示。打开总中断之后就进入等待中断模式，当CPU检测到EXIT INT引脚发来的中断请求时，单片机向无线射频模块发送读/写的数字信号，无线射频模块接收到此数字信号后将其转化为射频信号，通过天线对RFID标签读/写数据。若执行读数据操作，数据读取完成之后由CPU发送至集中控制器，再由集中控制器发送至PC机。

4 系统测试与分析

如图9所示，将RFID读写器与外部模块连接并进行系统测试。使用设备包括USB转串口转换器、直流稳压电源、笔记本电脑、贴有RFID标签的文件夹。测试方法如下：首先将RFID读写器通过USB转串口转换器与电脑连接，并用直流稳压电源为其供电，设置好上位机参数，进行当前文件状态的检测、读卡、写卡等操作。

图8 中断服务程序流程图

图9 硬件测试图

上位机测试界面如图10所示，测试结果表明：1)该系统结合TCRT5000光电传感器，能够准确地检测当前的文件状态，检测距离约为3.75 cm；2)该系统能快速地对RFID标签进行读/写操作，平均读/写时间为20 ms，且读卡和写卡的系统返回数据和程序设定相符，没有发生漏读或错读的现象，能快速而准确地实现档案文件的入库和出库；3)该系统在没有文件放入或取出的状态下，进入休眠模式，能够实现系统低功耗，节约成本；4)该系统的RFID标签中的测试数据满足系统设定，根据RFID唯一的ID编码能够找到指定文件的名称及位置信息等。

例如图10所标出的第1组实验数据，其写卡响应为

其中：id号表示当前测试的RFID标签的唯一编码号；15表示数据帧即名称、保留字和位置的总字节数；位置信息可以根据档案柜的实际情况进行编码。当RFID标签信息都写入后就与id号形成了一一对应关系，由此可以实现档案的快速盘查、出库和借阅登记等。

图10 上位机测试图

图10所标出的第2组实验数据，其读卡响应为

其中：id号表示当前测试的RFID标签的唯一编码号；15表示数据帧即名称、保留字和位置的总字节数。通过读卡操作，可以快速盘查所有在册档案的数据帧信息。

5 结论

本文设计了一种基于STM8S的档案数字化管理系统，该系统通过TCRT5000光电传感器模块和无线射频模块共同监测的方式，实现了档案文件状态的监测，数据的读/写。相比于传统的人工扫描和条形码检测，该系统可以大大地提升档案文件入库与出库的效率。该系统采用一个RFID读卡器读取一个档案文件的方式，相比于一对多的读卡器其成本更低，且更加准确，不会出现错读漏读的现象。通过使用光电传感器来检测档案文件的放入和取走的状态，使无线射频模块在档案文件状态不改变的情况下进入休眠模式，实现整个系统的低功耗。该系统在图书管理和仓库管理系统中同样有广泛的应用前景。