智能信箱是一种新型现代化的电子系统，集射频识别技术和机电控制技术为一体，涉及电子技术、传感器技术、微计算机控制技术、通信技术等诸多新技术。智能信箱按其组合结构形式通常分为独立信箱和组合智能信箱两种，独立智能信箱可应用于单个家庭，组合智能信箱一般应用于小区、学校、医院、大厦等社会团体区。

1 系统结构与原理

智能信箱系统的主要功能是实现信箱的智能化，它主要由卡片、读卡器、电子锁、控制器、电源、键盘、液晶显示器、蜂鸣器、指示灯、接近开关及数据存储器等几部分组成，其结构框图如图1所示。

根据结构图可简述系统的工作原理：电源模块为整个系统提供工作电压，当信箱内有信件时，控制器接收接近开关信号，并控制信件指示灯变亮。用户除使用密码开锁外，还可用卡片靠近在读写器的感应区，控制器对从读写器处接收到的信息进行判别。若卡片是用户卡，则进行开锁处理，并控制开锁指示灯变亮，当用户关上箱门时，关门接近开关输送感应信号至控制器，控制器控制电子锁模块进行上锁处理。若为管理卡，则可使用键盘进行添加用户、删除用户、修改密码等动作。

2 射频识别技术原理及特点

2.1 工作原理

射频识别(RFID)技术是一种自动识别技术。一般情况下，射频识别系统主要由控制器、读卡器、非接触式IC卡三部分构成，其具体结构如图2所示。

IC卡：又称电子标签，主要由IC芯片及感应天线组成，并完全封装在一个标准的PVC卡片中，无外露部分。IC卡通常通过无线电波来实现与读写器之间的读写操作。非接触式IC卡本身是无源的，它能保存事物的属性、状态及编号等信息。当读写器发出信号对卡进行读写操作时，其信号有两部分：(1)电源信号。IC卡接收此信号后，该信号会与卡中的LC电路产生谐振，从而产生一个供芯片进行相关工作的能量。(2)数据信号。该信号能指挥芯片进行数据的存储、修改、更新等操作，并在操作完成后回发给读写器。此外，IC卡具有加密通信功能。

读写器：又称通信器或扫描器，主要由天线、发射器、接收器、调制器、解调器、编码器及解码器组成，其作用是实现控制器与IC卡之间的信息传输。

控制器：控制器的功能是实现数据的处理与存储、以及通过读写器对IC卡进行读写操作等。

射频识别工作原理：控制器对读写器发送读写命令，读写器接收命令、并将信息进行编码和调制处理送给发射器，发射器将调制后的信息加载到13.56 MHz的载波信号中，经天线以无线电波的形式发送出去。进入读写器感应区的IC卡接收后获得一种叠加信号，其中一部分信号与自身内部LC电路谐振而产生的工作电压、复位信号、时钟信号，另一部分信号IC卡芯片内部电路会对其进行解调和解码，然后对命令请求或密码权限进行判断。若为读命令，则会读取芯片E2PROM内的信息，并对信息进行编码和调制，而后通过卡内集成天线发送给读写器，读写器经天线接收信息后对信息进行解调和解码操作，最后送给控制器处理。若为写命令，则将控制芯片内有关电路提升电压，直提升至E2PROM能工作为止，然后对E2PROM进行改写操作。若密码权限与芯片内信息不一致，则通过读写器给控制器发送错误信息。这就是IC卡、读写器、控制器三者之间的通信过程[1]。

2.2 主要特点

RFID系统通过射频信号能自动识别目标对象并获得相关数据，可工作于各种恶劣环境。其主要特点有：(1)体积小、识别准确性强、能适应于各种不同环境、具有强抗干扰的能力、使用寿命长且操作简单方便;(2)具有强穿透性及无屏障识别功能，所以可进行长距离识别，并可同时识别多IC卡;(3)读写器与IC卡之间的安全通信使其具有比较高安全性;(4)IC卡除可存储事物的属性、特征、信息外，还可用算法来实现对所存数据的管理;(5)RFID系统识别速度快，能在10 ms之内完成读写操作，并可在100 ms之内完成数据的认证和交换[2]。

3 系统硬件设计

本文采用单片机C8051F020作为系统控制器，它具有功耗低、端口多、速度快、中断源多等特点，还拥有全速、非侵入式的在系统调试接口、模数转换和数字交叉开关等功能。下面分别介绍各模块电路的设计。

3.1 读写器电路

读写器作为控制器与IC卡通信的中介，以MF-RC500为核心而设计的读写器完全具备系统所需的编码、调制、发射、接收、解调、解码等功能。读写器与IC卡之间通过无线电波来完成信息交换，IC卡接收的是米勒编码，而读写器接收的是曼切斯特编码。图3为以芯片MF-RC500为核心的读写电路。在图3中，MF-RC500的引脚D0～D7接单片机引脚P7.0～P7.7，而引脚IRQ、ALE、NCS、NWR、NRD分别接C8051F020的外部中断引脚INT0、使能信号引脚ALE、I/O口P2.7、写信号引脚WR、读信号引脚RD，而引脚VMID、TX1、TX2、RX与天线的匹配电路相连接。

天线安装在读写器中，用于发射和接收信号，并须与读写电路相匹配，图4为天线的匹配电路。在图4中，L1、L2、C11和C13构成了一个低通滤波器，R9和R10对VMID进行分压，为了防止高次谐波干扰VMID和RX分别增设了C9与C10。

3.2 开锁电路

开锁电路是整个系统的重要组成部分，如果单纯地利用C8051F020输出一个高电平来控制继电器的断开与闭合，就会产生开锁不牢靠的结果。因此，本文采用达林顿管放大单片机I/O口的输出信号控制继电器的断开与闭合，从而达到开关箱锁的目的。8个达林顿可控制8个继电器，其电路连接图如图5所示。

3.3 显示电路

液晶显示器是一种常用的显示装置。当有人刷卡时，系统需要显示一些信息提供给刷卡者参考，如信箱编号、输入密码提示、错误密码提示、修改密码提示、锁已开提示等信息。本文采用OCMJ4x8C系列液晶显示器，此显示器具有自带字库的功能。因单片机只有64 KB的闪存，若每个汉字都用点阵显示，根据液晶显示原理，则每个字要占32 B，而64 KB的闪存能放2 000个字，所以使用OCMJ4x8C能解决C8051F020闪存不足的问题。

3.4 其他电路

智能信箱多用于人群比较密集的场所，用户较多，所需存储的数据量较大，而且必须保证在突然断电的情况下系统仍保存数据不至于丢失。FM20L08型存储器具有128 K×8 bit位的容量，且掉电后保存数据的时间可达10年，所以使用FM20L08型存储器完全能解决存储容量不足和掉电后丢失数据的问题。

键盘是提供给用户进行手动操作的装置，在电路中可把它设计成4×4型，共16个按键，其中数字0～9占10个，其余按键分别设置为“输入箱号”、“输入密码”、“增加用户”、“删除用户”、“确定”、“取消”。系统直接采用12 V的开关电源，12 V直流电压经两级稳压电路后分别输出5 V和3.3 V电压。

蜂鸣器是用来提示用户每次按下按键的响应，其电路形式可直接在单片机的I/O口加一个4.7 kΩ电阻，并在电阻后接一个PNP型三极管9012驱动蜂鸣器。本文采用欧姆龙公司生产的接近开关E2E-X4MD1作为传感器，E2E-X4MD1具有体积小、价格低、易安装等特点，检测距离为3～25 mm，工作直流电压为10%max(10～40 V)，输出信号可直接送往单片机I/O口。其中一个安装在信箱底部正中位置，作为探物器;另一个安装在箱门侧，用于感应箱门关闭。设计指示灯的目的有两个：一是用来提示用户箱锁是否打开;二是用来提示用户信箱内是否有信。

4 系统软件设计

系统软件功能如下：

(1)与读写器之间的通信及数据接收与发送;

(2)用户卡与管理卡数据信息的存储;

(3)液晶显示与键盘操作;

(4)接近开关信号的接收;

(5)蜂鸣器、指示灯及电子锁的控制;

限于篇幅，本文只介绍系统执行如图6所示的有卡程序时的流程。

在系统软件进入有卡程序时，液晶显示器同时显示相应的信息，如：“此卡无效!”、“锁已开!”、“已上锁”、“请输入箱号”、“请输入密码”等。

充分运用射频识别技术设计智能信箱系统，不仅使信箱具有自动识别功能，而且与传统信箱相比，智能信箱具有无与伦比的便捷性和安全性，极大地满足了人们的生活需求。