CN109764896A - 一种水表用射频卡接近检测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水表用射频卡接近检测的系统及方法，水表用射频卡接近检测系统，包括安装在水表内的PCB天线板，PCB天线板上沿其周向设有一环形卡接近感应片，卡接近感应片设置为PCB天线板上的覆铜结构，且卡接近感应片呈开环设置，卡接近感应片内侧设有一用于读取射频卡信息的读卡天线，读卡天线设置为一空心线圈；水表内还增设一MCU控制器，MCU控制器包括检测引脚和比较引脚，检测引脚通过一电阻与卡接近感应片连接，比较引脚通过一电容接地，还增设一读卡电路，MCU控制器的读卡信号控制端与读卡电路的读卡信号接收端连接，读卡天线与读卡电路连接。本发明技术方案低成本、微功耗、且能够自动快速检测射频卡接近。

Description

一种水表用射频卡接近检测的系统及方法

技术领域

本发明涉及近距离无线通讯领域，特别涉及一种水表用射频卡接近检测的系统及方法。

背景技术

IC卡水表是以带有发讯装置的水表为流量计量基表，以IC卡为信息载体,加装控制器和电控阀所组成的一种具有结算功能的水量计量仪表。IC卡水表中内置IC卡读写电路与用户IC卡进行通信以传递信息。

IC卡水表通常采用接触式IC卡和非接触的射频卡。其中早期的接触式IC卡水表因引出触点不能防水且卡座及触点容易遭到恶意破坏，使用数量逐步减少；非接触的射频卡水表无触点引出，其防水和安全性有明显提升，逐渐成为IC卡水表的主流。目前射频卡有低频卡、高频卡和超高频卡。其中超高频卡读写器由于目前成本较高，不适合用于户用水表。低频卡和高频卡市场成熟度高且卡片及读写电路成本低，其中高频卡通信速度快对刷卡停留时间要求低，尤其是目前具有NFC功能的手机能够支持13.56MHz高频卡的读写，所以此类符合ISO14443标准的高频卡更适合用于IC卡水表，以下所述射频卡就是此类高频卡。

用户射频卡水表多为电池供电，且要求使用寿命不低于7年，在超低功耗工作条件下检测射频卡是否有刷卡动作，通常有三种方法:一种方法是在射频卡上封装磁铁，水表内置磁敏开关，射频卡靠近水表时磁敏开关闭合，此法射频卡片需特制且厚度增加2倍以上不便携带，同时磁感应范围较小；另一种方法为间歇开启读卡电路请求卡片应答，请求一次最少消耗约100uA.s的能量，所以只能数秒甚至数十秒请求一次，用户刷卡体验极差且能耗偏高；还有一种是在水表上加按键，用户按键后在一定时间内不断请求卡片应答，用户体验较差。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种低成本、微功耗、且能够自动快速检测射频卡接近的系统及方法。

为实现上述目的，本发明提出的一种水表用射频卡接近检测的系统，包括安装在水表内的PCB天线板，所述PCB天线板上沿其周向设有一环形卡接近感应片，所述卡接近感应片设置为PCB天线板上的覆铜结构，且所述卡接近感应片呈开环设置，所述卡接近感应片内侧设有一用于读取射频卡信息的读卡天线，所述读卡天线设置为一空心线圈；所述水表内还增设一MCU控制器，所述MCU控制器包括检测引脚和比较引脚，所述检测引脚通过一电阻与所述卡接近感应片连接，所述比较引脚通过一电容接地，还增设一读卡电路，所述MCU控制器的读卡信号控制端与所述读卡电路的读卡信号接收端连接，所述读卡天线通过导线与所述读卡电路连接。

优选地，所述MCU控制器设置为型号STM32L152RBT6控制器，所述MCU控制器内置有超低功耗低频时钟、及高频时钟，所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器。

优选地，所述PCB天线板外部设有树脂封装层。

优选地，所述卡接近感应片与所述读卡天线之间的间距不低于5mm。

优选地，所述读卡天线与所述读卡电路之间通过屏蔽线连接。

为实现上述目的，本发明还提出一种水表用射频卡接近检测的方法，包括以下步骤：

步骤S1：MCU控制器将比较引脚和检测引脚设置为输出低电平，并设置本次测量变量值为0；

步骤S2：MCU控制器将比较引脚设置为浮空状态、检测引脚设置为高电平，检测引脚通过电阻向卡接近感应片的寄生电容充电；

步骤S3：MCU控制器将检测引脚设置为浮空状态，连通检测引脚和比较引脚，卡接近感应片的寄生电容经电阻、检测引脚向与比较引脚连接的电容充电；

步骤S4：MCU控制器检测比较引脚的电平状态是否为低电平；

步骤S5：若比较引脚的电平状态为低电平，则本次测量变量值+1，并重复步骤S2～步骤S4；

步骤S6：若比较引脚的电平状态为高电平，计算本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量，将该变化量与预先设定的变化量阀值进行比较；

步骤S7：若本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量大于预先设定的变化量阀值，则判定射频卡接近水表，MCU控制器控制读卡电路通过读卡天线进行读卡操作；

步骤S8：若本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量小于预先设定的变化量阀值，则判定无卡接近水表，MCU控制器进入深度休眠状态。

优选地，所述步骤S5具体包括：

若比较引脚的电平状态为低电平，则本次测量变量值+1，判断本次测量变量值是否超出预先设定的超时变量阀值；

若本次测量变量值超出预先设定的超时变量阀值，则本次测量变量值丢弃，重新开始下次检测；

若本次测量变量值未超出预先设定的超时变量阀值，则重复步骤S2～步骤S4。

优选地，所述超时变量阀值>无卡接近的测量变量值>有卡接近的测量变量值。

优选地，所述MCU控制器设置为型号STM32L152RBT6控制器，所述MCU控制器内置有超低功耗低频时钟、及高频时钟，所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：控制接近感应片充电并将电荷转移到MCU的比较引脚连接的所述电容上，通过计数电容到达高电平时电荷转移次数变化就可以确定是否有射频卡的接近，如果有所述射频卡接近则启动读卡电路并通过读卡天线对射频卡进行近距离无线通信。通过这样的实现方式，既可实现无接触检测所述射频卡接近，又可实现超低功耗，并且用户刷卡响应时间短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明水表用射频卡接近检测的系统原理图；

图2为本发明水表用射频卡接近检测的方法流程图；

图3为本发明MCU控制器的电路原理图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1为本发明水表用射频卡接近检测的系统原理图，本发明提出的一种水表用射频卡接近检测的系统，包括安装在水表内的PCB天线板1，所述PCB天线板1上沿其周向设有一环形卡接近感应片2，所述卡接近感应片2设置为PCB天线板1上的覆铜结构，且所述卡接近感应片2呈开环设置，所述卡接近感应片2内侧设有一用于读取射频卡信息的读卡天线3，所述读卡天线3设置为一空心线圈，所述卡接近感应片2设置为开环结构，可以避免其对读卡天线3产生信号干扰；所述水表内还增设一MCU控制器4，所述MCU控制器4包括检测引脚和比较引脚，所述检测引脚通过一电阻R1与所述卡接近感应片2连接，所述比较引脚通过一电容C1接地，还增设一读卡电路5，所述MCU控制器4的读卡信号控制端与所述读卡电路5的读卡信号接收端连接，所述读卡天线3通过导线与所述读卡电路5连接。

应当说明的是，所述读卡电路5通过读卡天线3对射频卡进行信息读取，为本领域的常规技术手段，本实时例不做阐述。如图3所示，所述MCU控制器4设置为型号STM32L152RBT6控制器，所述MCU控制器4内置有超低功耗低频时钟、及高频时钟，所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器4。所述MCU控制器4上电初始化后工作在深度休眠模式，除所述MCU控制器4内部超低功耗低频时钟外其它电路不工作，功耗极低；所述低频时钟每秒定时唤醒所述MCU控制器4，本实施例中，低频时钟每秒唤醒所述MCU控制器4，2～5次，所述MCU控制器4被唤醒后启动高频时钟进入正常工作模式，在10个毫秒内执行完成一次射频卡接近检测和其它水表任务，此时功耗较大；之后再次进入深度休眠模式。因为深度休眠模式时间远大于正常工作模式时间，所以水表平均功耗极低。具体地，卡接近检测任务执行时电流不大于5mA，执行一次时间不大于100us，所以执行一次卡接近检测任务消耗不到0.5uAs可以实现超低功耗的需求。

本实施例中，MCU控制器4通过控制卡接近感应片2充电并将电荷转移到MCU控制器4的比较引脚连接的电容C1上，通过计数电容C1到达高电平时电荷转移次数变化就可以确定是否有射频卡的接近，如果有所述射频卡接近则启动读卡电路5并通过读卡天线3对射频卡进行近距离无线通信。通过这样的实现方式，既可实现无接触检测所述射频卡接近，又可实现超低功耗，并且用户刷卡响应时间短。

进一步地，所述PCB天线板1外部设有树脂封装层，增大其介电常数，从而提高灵敏度，同时，实现了防水功能，提高其使用寿命。

进一步地，所述卡接近感应片2与所述读卡天线3之间的间距不低于5mm，减小两者之间的信号干扰。

进一步地，所述读卡天线3与所述读卡电路5之间通过屏蔽线连接，防止外界信号的干扰。

参考图2，图2为本发明水表用射频卡接近检测的方法流程图，本发明提出一种水表用射频卡接近检测的方法，包括以下步骤：

步骤S1：MCU控制器4将比较引脚和检测引脚设置为输出低电平，并设置本次测量变量值为0；

步骤S2：MCU控制器4将比较引脚设置为浮空状态、检测引脚设置为高电平，MCU控制器4控制检测引脚通过电阻R1向卡接近感应片2的寄生电容充电；

步骤S3：卡接近感应片2的寄生电容充电完成后，MCU控制器4将检测引脚设置为浮空状态，连通检测引脚和比较引脚，卡接近感应片2的寄生电容经电阻R1、检测引脚向与比较引脚连接的电容C1充电，即电荷由卡接近感应片2转移至比较引脚连接的电容C1上；

步骤S4：MCU控制器4检测比较引脚的电平状态是否为低电平；

步骤S5：若比较引脚的电平状态为低电平，则本次测量变量值+1，并重复步骤S2～步骤S4；

步骤S6：若比较引脚的电平状态为高电平，计算本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量，将该变化量与预先设定的变化量阀值进行比较；

应当说明的是，比较引脚上的电容C1大于所述卡接近感应片2的寄生电容，因此，若需要对比较引脚上的电容C1充电，使所述比较引脚由低电平转变为高电平，需要重复步骤S2～步骤S4，即重复对卡接近感应片2的寄生电容充电，由卡接近感应片2对比较引脚上的电容C1进行多次充电。若没有射频卡接近卡接近感应片2，则其寄生电容不会发生变化，从而比较引脚由低电平转为高电平状态时，需要对比较引脚上的电容C1的充电次数不会发生变化。当有射频卡接近卡接近感应片2时，导致卡接近感应片2的寄生电容变大，比较引脚由低电平转为高电平状态时，比较引脚上的电容C1充电次数变小。将本次测量变量值(及对比较引脚上的电容C1充电次数)和前一次测量变量之间的变化量，与预先设定的变化量阀值进行比较，即可判断出是否有射频卡接近。应当说明的是，预先设定的变化量阀值通过大量实验数据得出。

步骤S7：若本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量大于预先设定的变化量阀值，则判定射频卡接近水表，MCU控制器4控制读卡电路5通过读卡天线3进行读卡操作；

步骤S8：若本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量小于预先设定的变化量阀值，则判定无卡接近水表，MCU控制器4进入深度休眠状态，等待下一次被唤醒。

进一步地，所述步骤S5具体包括：

若比较引脚的电平状态为低电平，则本次测量变量值+1，判断本次测量变量值是否超出预先设定的超时变量阀值；

若本次测量变量值超出预先设定的超时变量阀值，则本次测量变量值丢弃，重新开始下次检测；

若本次测量变量值未超出预先设定的超时变量阀值，则重复步骤S2～步骤S4。

应当说明的是，所述超时变量阀值通过多次实验数据得出，且所述超时变量阀值>无卡接近的测量变量值>有卡接近的测量变量值。

进一步地，所述MCU控制器4设置为型号STM32L152RBT6控制器，所述MCU控制器4内置有超低功耗低频时钟、及高频时钟，所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器4。所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器4。所述MCU控制器4上电初始化后工作在深度休眠模式，除所述MCU控制器4内部超低功耗低频时钟外其它电路不工作，功耗极低；所述低频时钟每秒定时唤醒所述MCU控制器4，本实施例中，低频时钟每秒唤醒所述MCU控制器4，2～5次，所述MCU控制器4被唤醒后启动高频时钟进入正常工作模式，在10个毫秒内执行完成一次射频卡接近检测和其它水表任务，此时功耗较大；之后再次进入深度休眠模式。因为深度休眠模式时间远大于正常工作模式时间，所以水表平均功耗极低。具体地，卡接近检测任务执行时电流不大于5mA，执行一次时间不大于100us，所以执行一次卡接近检测任务消耗不到0.5uAs可以实现超低功耗的需求。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种水表用射频卡接近检测的系统，其特征在于，包括安装在水表内的PCB天线板，所述PCB天线板上沿其周向设有一环形卡接近感应片，所述卡接近感应片设置为PCB天线板上的覆铜结构，且所述卡接近感应片呈开环设置，所述卡接近感应片内侧设有一用于读取射频卡信息的读卡天线，所述读卡天线设置为一空心线圈；所述水表内还增设一MCU控制器，所述MCU控制器包括检测引脚和比较引脚，所述检测引脚通过一电阻与所述卡接近感应片连接，所述比较引脚通过一电容接地，还增设一读卡电路，所述MCU控制器的读卡信号控制端与所述读卡电路的读卡信号接收端连接，所述读卡天线通过导线与所述读卡电路连接。

2.如权利要求1所述的水表用射频卡接近检测的系统，其特征在于，所述MCU控制器设置为型号STM32L152RBT6控制器，所述MCU控制器内置有超低功耗低频时钟、及高频时钟，所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器。

3.如权利要求1所述的水表用射频卡接近检测的系统，其特征在于，所述PCB天线板外部设有树脂封装层。

4.如权利要求1所述的水表用射频卡接近检测的系统，其特征在于，所述卡接近感应片与所述读卡天线之间的间距不低于5mm。

5.如权利要求1所述的水表用射频卡接近检测的系统，其特征在于，所述读卡天线与所述读卡电路之间通过屏蔽线连接。

6.一种水表用射频卡接近检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：MCU控制器将比较引脚和检测引脚设置为输出低电平，并设置本次测量变量值为0；

步骤S2：MCU控制器将比较引脚设置为浮空状态、检测引脚设置为高电平，检测引脚通过电阻向卡接近感应片的寄生电容充电；

步骤S3：MCU控制器将检测引脚设置为浮空状态，连通检测引脚和比较引脚，卡接近感应片的寄生电容经电阻、检测引脚向与比较引脚连接的电容充电；

步骤S4：MCU控制器检测比较引脚的电平状态是否为低电平；

步骤S5：若比较引脚的电平状态为低电平，则本次测量变量值+1，并重复步骤S2～步骤S4；

步骤S6：若比较引脚的电平状态为高电平，计算本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量，将该变化量与预先设定的变化量阀值进行比较；

步骤S7：若本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量大于预先设定的变化量阀值，则判定射频卡接近水表，MCU控制器控制读卡电路通过读卡天线进行读卡操作；

步骤S8：若本次测量变量值与前一次测量变量值之间的变化量小于预先设定的变化量阀值，则判定无卡接近水表，MCU控制器进入深度休眠状态。

7.如权利要求6所述的水表用射频卡接近检测的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

若比较引脚的电平状态为低电平，则本次测量变量值+1，判断本次测量变量值是否超出预先设定的超时变量阀值；

若本次测量变量值超出预先设定的超时变量阀值，则本次测量变量值丢弃，重新开始下次检测；

若本次测量变量值未超出预先设定的超时变量阀值，则重复步骤S2～步骤S4。

8.如权利要求7所述的水表用射频卡接近检测的方法，其特征在于，所述超时变量阀值>无卡接近的测量变量值>有卡接近的测量变量值。

9.如权利要求6所述的水表用射频卡接近检测的方法，其特征在于，所述MCU控制器设置为型号STM32L152RBT6控制器，所述MCU控制器内置有超低功耗低频时钟、及高频时钟，所述低频时钟用于每秒定时唤醒所述MCU控制器。