基于RFID的智能家居節(jié)能自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文闡述一種家用自控系統(tǒng)，它可以智能控制家用電器的使用，達(dá)到節(jié)能目的。該系統(tǒng)以單片微型計(jì)算機(jī)為控制核心，采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行信息采集，并根據(jù)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)智能地控制家用電器。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別技術(shù) 智能家居 單片微型計(jì)算機(jī)

家用電器的使用是人們繁忙工作生活必不可少的部分，但往往存在著人走不斷電，或者忘記關(guān)閉家用電器的現(xiàn)象，造成了能源的浪費(fèi)，還存在著安全隱患。例如，公用樓梯內(nèi)的路燈，沒有人路過的時(shí)候，燈也總是亮的，很浪費(fèi)電。如果能使路燈在有人走過的時(shí)候點(diǎn)亮，當(dāng)人走過之后，路燈再熄滅，這樣不但節(jié)省能源，而且還不影響正常使用。

節(jié)能環(huán)保的生活主題，使得智能家居系統(tǒng)更加引人注目。智能家居系統(tǒng)與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)最大區(qū)別在于，賦予了家庭里所有物品以“智慧”，使它們能夠“自發(fā)”、“主動(dòng)”地與家庭網(wǎng)關(guān)、與人溝通并實(shí)現(xiàn)信息的交互。RFID技術(shù)可以首先使智能家居系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、感知家用電器，系統(tǒng)然后再智能管理，從而達(dá)到節(jié)能自控的目的。

1 總體方案

本系統(tǒng)是以51系列單片微型計(jì)算機(jī)為控制核心，RFID無線射頻技術(shù)為識(shí)別手段的智能家居節(jié)能自控系統(tǒng)。本系統(tǒng)需要人員攜帶門卡進(jìn)出房間，單片機(jī)通過讀取門卡上的編號(hào)和信息識(shí)別來客是否是本房間的。如果不是則會(huì)對(duì)其進(jìn)行抓拍照片，因此能在室內(nèi)的東西丟失后快速的辨別盜竊人身份。

智能照明管理系統(tǒng)是本系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)室內(nèi)的人離開房間后，單片機(jī)控制的各個(gè)模塊會(huì)判斷室內(nèi)是否有人，如果沒人，將進(jìn)行斷電；當(dāng)房間再進(jìn)入人時(shí)，重新給房間供電。智能照明管理系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)功能以外，還能感測諸如人體運(yùn)動(dòng)和周圍環(huán)境照度，以自動(dòng)控制燈的開關(guān)及調(diào)光，做到“人來燈亮，人走燈滅”。智能照明中的燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠依照需要模擬自然界太陽光的變化，用戶只要輕觸開關(guān)或手中的遙控器就可以感受從夏到冬，從春到秋的模擬性季節(jié)變化，甚至可以模擬一天中的不同時(shí)段。

2 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)組成框圖

本系統(tǒng)應(yīng)用了多種傳感器采集室內(nèi)物理參數(shù)，然后通過多方面的信息綜合判斷室內(nèi)人員、環(huán)境情況。避免了房間內(nèi)有人斷電、房間內(nèi)無人供電的失誤操作。如圖1所示，系統(tǒng)由下面幾部分組成：①紅外傳感器。利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。②聲音傳感器。用來接收聲波，聲波使駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，傳給單片微型計(jì)算機(jī)。③釋熱傳感器。傳感器的作用是把各種被測物體的釋熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。④RFID傳感器。一般包含射頻信號(hào)發(fā)射單元器，高頻接收單元和控制單元。⑤微型攝像頭。負(fù)責(zé)抓拍圖像，具有體積小、隱蔽性比較好。⑥家電控制器。主要包括與智能家電的各種控制接口和驅(qū)動(dòng)電路。

單片機(jī)控制器通過紅外傳感器、聲音傳感器、釋熱傳感器采集信息，對(duì)室內(nèi)是否有人進(jìn)行分析。紅外傳感器為第一層檢測，當(dāng)有人進(jìn)入房間的時(shí)候紅外傳感器就會(huì)感應(yīng)到，聲音傳感器為第二層檢測、釋熱傳感器為第三層檢測。單片機(jī)綜合分析后進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后控制驅(qū)動(dòng)電路對(duì)家用電器供電。當(dāng)人從房間內(nèi)走出去之后，紅外傳感器首先判斷房間內(nèi)是否有人，然后聲音傳感器，最后結(jié)合釋熱傳感器，只有當(dāng)三種傳感器都確定房間內(nèi)沒有人的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行斷電。當(dāng)有人進(jìn)入房間的時(shí)候，RFID會(huì)檢測你是否帶有房卡，房卡是否滿足要求，如果有房卡并且符合要求，則進(jìn)行傳感器檢測；否則，則會(huì)對(duì)進(jìn)入房間的人進(jìn)行拍照，開啟防盜功能，進(jìn)行報(bào)警。

3 RFID模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用符合ISO/IEC 14443A協(xié)議Mifare one S50格式的RFID標(biāo)簽及讀寫器。首先，智能家居系統(tǒng)用戶佩戴RFID標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽的電氣部分只由一個(gè)天線和ASIC組成。電子標(biāo)簽的天線是只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0電子標(biāo)簽中。電子標(biāo)簽的ASIC由一個(gè)高速（106KB波特率）的RF接口，一個(gè)控制單元和一個(gè)EEPROM組成。發(fā)射或接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Mifare one電子標(biāo)簽內(nèi)的EEPROM內(nèi)。EEPROM分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由4塊組成，第0扇區(qū)的塊0（即絕對(duì)地址0塊），它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。每個(gè)扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，可用于存貯數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊可作兩種應(yīng)用：一種用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進(jìn)行讀、寫操作；另一種用作數(shù)據(jù)值，可以進(jìn)行初始化值、加值、減值、讀值操作。每個(gè)扇區(qū)的塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。

其次，RFID讀寫器CY-14443A系列射頻讀寫模塊采用基于ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片。采用0.6 微米CMOS EEPROM 工藝，支持ISO14443 type A 協(xié)議，支持MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的加密算法。芯片內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，只需最少量的外圍電路就可以工作，支持UART接口（-C），I2C接口（-U），或者SPI接口（-P），數(shù)字電路具有TTL、CMOS 兩種電壓工作模式。

本系統(tǒng)控制核心單片機(jī)使用RFID讀寫模塊的UART接口與其交互信息，完成智能家居系統(tǒng)對(duì)用戶的身份識(shí)別。單片機(jī)通過UART接口向RFID讀寫模塊芯片發(fā)送命令后，讀寫模塊按照非接觸式射頻卡協(xié)議格式，通過天線及其匹配電路向附近發(fā)出一組固定頻率的調(diào)制信號(hào)13.56MHZ進(jìn)行尋卡。當(dāng)有RFID卡片在有效工作范圍內(nèi)時(shí)，卡片將回復(fù)卡片類型，建立卡片與讀寫模塊的第一步聯(lián)系，密碼驗(yàn)證通過后就可以對(duì)卡片進(jìn)行讀寫等應(yīng)用操作。

4 RFID讀寫模塊軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)與RFID模塊通信規(guī)則制定如下：①通信波特率：19200bps，即每秒傳送19200比特。②命令幀格式為：前導(dǎo)頭+通信長度+命令字+數(shù)據(jù)域+校驗(yàn)碼。③送命令幀之后，返回值的格式如下：前導(dǎo)頭+通信長度+上次所發(fā)送的命令字+數(shù)據(jù)域+校驗(yàn)碼。其中，前導(dǎo)頭表示0xAA0xBB兩個(gè)字節(jié)，若數(shù)據(jù)域中也包含0xAA那么緊隨其后為數(shù)據(jù)0，但是長度字不增加。通信長度表示去掉前導(dǎo)頭之外的通信幀所有字節(jié)數(shù)。校驗(yàn)碼表示去掉前導(dǎo)頭和校驗(yàn)碼字節(jié)之外，所有通訊幀所含字節(jié)的異或值。

RFID命令幀數(shù)組cmdsend賦值的核心代碼如下：

#define PCD_PN 0x01//設(shè)備型號(hào)命令字常量被賦初值。

#define AUTOSEARCH 0x13//自動(dòng)尋卡命令字常量被賦初值。

cmdsend[0] = 0xAA；

cmdsend[1] = 0xBB； //命令幀的前導(dǎo)頭由0xAA0xBB 兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成。

switch（m_MODE） //根據(jù)命令字在命令表中的序列號(hào)分別填充命令幀數(shù)組cmdsend。

{case 1：//命令表中第1號(hào)命令字，作用是獲得8個(gè)字節(jié)的設(shè)備型號(hào)。

cmdsend[2]=2； //通信長度字段賦值。

cmdsend[3]=PCD_PN； //命令字字段賦值。

CheckSum（cmdsend[2]）； //校驗(yàn)碼字段賦值。

break；

case 6：//命令表中第6號(hào)命令字，作用是設(shè)置RFID讀寫芯片是否工作在自動(dòng)尋卡模式。

cmdsend[2]=3； //通信長度字段賦值。

cmdsend[3]=AUTOSEARCH； //命令字字段賦值。

cmdsend[4]=1；//數(shù)據(jù)域字段賦值，值為1表示自動(dòng)尋卡，值為0表示被動(dòng)尋卡。

CheckSum（cmdsend[2]）； //校驗(yàn)碼字段賦值。

break；

……}

5 結(jié)語

本文闡述的這種家用電路系統(tǒng)以單片微型計(jì)算機(jī)為控制核心，采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行信息采集，自動(dòng)地、準(zhǔn)確地對(duì)房間內(nèi)情況進(jìn)行判斷，更智能，更精確地對(duì)供電電路進(jìn)行控制，達(dá)到節(jié)能使用電器的目的。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測試運(yùn)行，工作穩(wěn)定，性能良好，實(shí)現(xiàn)了省電節(jié)能的效果，達(dá)到節(jié)能減排的實(shí)用目的。本文闡述的課題來源于吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目吉農(nóng)院合字[2013]第015號(hào)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]葉國偉.智能家居市場現(xiàn)狀與趨勢[J].中國建設(shè)信息，2012.

基金項(xiàng)目：吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目吉農(nóng)院合字[2013]第015號(hào)。

作者簡介：呂東野（1991-），男，吉林長春人，在讀本科生，研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。

通訊作者：李丹（1980-）男，吉林省吉林市人，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。