基于射频识别技术的垃圾分类训练装置设计

周碧茜，王 青，范祥祥

(湖州师范学院 信息工程学院，浙江 湖州 313000)

实行垃圾分类关系广大人民群众生活环境，关系节约使用资源，也是社会文明水平的一个重要体现[1-2].在垃圾分类即将全面普及的大环境下，人们对垃圾分类知识训练装置的需求越来越突显.目前我国已经出现了多款针对垃圾分类的辅助设备，如：华中农业大学罗学论带领的团队研发了一款可以查询垃圾分类信息的智能垃圾桶[3]；江苏工程职业技术学院的吴新华设计了一个可以追踪垃圾袋来源的垃圾分类彩色二维码[4].射频识别无线射频识别技术是一种自动识别技术，其原理是通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别[5].本文将利用射频识别技术设计一款兼顾学习性和趣味性的新型垃圾分类训练装置.

1 设计方案

本设计主要包括单片机模块、读卡器模块、显示模块、语音模块和电源模块，以印有不同种类垃圾图片的IC卡作为垃圾模型.当感应到IC卡时，读卡器模块读取IC卡扇区内的数据，并将数据传回单片机，单片机根据数据判别该卡所代表的垃圾种类，最后播报和显示垃圾的种类.通过该过程实现对用户进行垃圾分类知识培训的目的.垃圾分类训练装置硬件原理如图1所示.

2 硬件部分

2.1 单片机模块

本设计的单片机(SCM)模块采用STC公司的51系列单片机STC89C52.复位电路设计主要采用两种复位方式[6]：上电复位和按键复位.振荡电路由一个11.059 2 MHz的晶振和两个33 pF的电容组成，如图2所示.

2.2 读卡器模块

实现本设计功能最核心的是读卡器模块，它通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别[7]，使用者可以进行垃圾分类训练的基础是通过RFID读卡器模块对IC卡的感应读取卡内数据，从而实现后面的一系列功能.本设计采用的读卡器模块为RC522模块(图3)，IC卡选用Mifare S50卡.

RC522是一个高集成度的非接触式通信芯片，兼顾读、写功能[8]，它支持ISO/IEC 14443A/Mifare协议[9]，与本文设计选用的Mifare S50卡相匹配.RC522读卡距离长，可以实现本设计较远距离的感应读卡.Mifare S50卡是一款大容量的非接触式IC卡，本设计不同种类垃圾的信息数据都存储于扇区[10]，读卡器模块通过读取数据并由单片机对数据进行处理，实现对不同垃圾信息进行辨别的功能.

2.3 显示模块

本设计需要的功能包括读卡器读取S50卡中的垃圾数据后，显示该垃圾的种类.显示模块选择0.96寸的OLED显示屏，它支持显示汉字、字母、数字、特殊符号等，满足本设计显示模块需要显示汉字的要求[11].

2.4 语音模块

本设计的语音模块需要实现的功能是播报垃圾的种类，语音模块采用JQ8400-Fl芯片和A25Q32芯片组合的模式，如图4所示.

JQ8400芯片可以控制语音播报，8002A芯片具有音频功率放大的功能，A25Q32是一款内存为16 M的FLASH芯片，USB接口可以连接电脑.JQ8400芯片和A25Q32芯片组合的模式使本设计的语音模块可以灵活更换SPI-Flash，且可以作为U盘使用，方便更新语音信息.本设计的语音文件可以通过USB接口以MP3格式置于FLASH芯片中供JQ8400调用.

2.5 电源模块

本设计的电源模块采用锂电池供电，其输出电压为3.7 V，而实际电路需要电源电路提供两种工作电压.其中，单片机模块、语音模块和显示模块需要5 V供电；读卡器模块需要3.3 V供电.因此，本设计的电源模块采用以SX1308芯片为核心的5 V升压电路和以RT9193芯片为核心的3.3 V降压电路，为给锂电池充电，电源模块还包括以TC4056芯片为核心的锂电池充电电路.电源模块电路原理如图5所示.

3 软件系统

3.1 系统总体程序设计

本设计的总体流程如图6所示.程序开始后，首先进行系统初始化，包括语音模块初始化、显示模块初始化和RFID读卡器初始化；然后读卡器模块读取S50卡扇区内的数据，并对读取的数据进行判断，接着播报和显示垃圾的种类；最后返回读卡器程序.

3.2 读卡器程序设计

本设计读卡器模块程序需要实现的功能主要是寻找S50卡，选定卡片验证密码后读取S50卡扇区内的数据，然后对数据进行处理，判断垃圾类别.如图7所示，读卡器模块一直保持寻卡模式，若感应到S50卡则进行下一步，若未感应到S50卡则保持寻卡状态.感应到S50卡后，执行防冲撞程序和选定卡片程序，单片机验证S50卡密码后读取卡扇区内的数据，并对卡内数据进行判断，辨别该S50卡对应的垃圾种类.因为选定卡片程序经常会出现误读的情况，所以在执行防冲撞程序与选定卡片程序间加入防误读程序，以提高本设计的精密性.最后返回主程序.

4 实物展示与效果

4.1 实物展示

将印有不同种类垃圾图片的IC卡与本设计的读卡器模块感应，读卡器模块读取IC卡扇区内的数据，并将数据传回单片机，单片机对数据进行判断，进而判别该卡所代表的垃圾种类，最后显示和播报该垃圾的种类.以印有“香蕉皮”图片的S50卡为例，单片机判断该“香蕉皮”属于易腐垃圾，则控制显示模块显示“易腐垃圾”，并控制语音模块播报“易腐垃圾”，如图8所示.

4.2 实验测试与结果分析

为明确读卡器与IC卡的感应距离及装置判断的准确度，将该装置置于室内进行测试，并保证测试环境3 m内无其他读卡器和IC卡，以避免对实验结果产生干扰.考虑到实际生产中需要对读卡器进行封装，测试采用厚度为4 mm的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)塑料作为外壳.为保证测试的可靠性，随机选用不同的IC卡测试10次，测试结果如表1所示.

表1 装置对IC卡的感应距离和判断准确性Tab.1 The induction distance and judgment accuracy of the device to the IC cards

由表1可知，无遮挡时读卡器能够感应到IC卡的平均距离为5.0 cm，ABS遮挡时平均感应距离会减小至3.14 cm，且在能够感应到的情况下，读卡器的判断准确度为100%，表明该装置能够满足实际应用需求.

5 结 语

本文设计了一款新型垃圾分类训练装置.通过手持印有不同垃圾模型的IC卡与本装置读卡器感应，装置可以播报和显示垃圾种类，从而达到垃圾分类训练的目的.该装置可以在ABS遮挡的情况下实现对IC卡的感应，且判断准确度为100%，能够满足实际应用需求.但本设计装置的感应距离较小，下一步可通过对读卡器进行改进增加感应距离.