基于RFID的消除待機功耗型考勤系統設計

杜海濤+馬志強+冀曉凱

摘 要：以STC12C5A60S2和RFID讀寫模塊為主要部件，輔以DS1302和LCD12864顯示模塊、繼電器模塊，針對待機功耗的問題，設計了一款適用于辦公室的基于射頻卡技術的節電型考勤系統。該系統在具有考勤功能的同時可以有效避免電能的浪費。該設計主要包括硬件設計和軟件設計兩個方面，硬件設計主要包括13.56 MHz讀/寫RFID模塊、DS1302時鐘模塊、12864LCD顯示單元，STC12C5A60S2微控制器單元及繼電器控制單元的電路設計等。軟件設計主要包括RFID讀寫模塊子程序，DS1302實時時鐘程序，12864液晶顯示子程序等。

關鍵詞：考勤系統;RFID;DS1302;節能

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

很多人對于電器的“待機能耗”這一概念并不是很清楚，通俗來講，待機能耗是日用家電產品在待機功能狀態下的電能消耗。有些人甚至壓根沒聽說過這個概念，很多人以為用搖控器關閉了電器設備，電器設備就不可能耗電了，造成這一觀念的原因主要是對電器的“關機”和“待機”概念混淆，關機是電器完全斷電了，但待機情況下電器仍然消耗電能。

據上海電力公司組織的一項調查顯示，該市空調、家庭視頻與音頻系統、電腦與通訊系統這三類主要家用電器的待機能耗總量約為7億千瓦時，如果平均每發電1千瓦時，需要消耗468克原煤，那么將白白浪費30多萬噸原煤。每年7億千瓦時的待機能耗，直接造成消費者約3億元電費支出的浪費。前段時間，中央電視臺播放一則公益廣告也是提醒廣大觀眾注意隨手拔下插座，以防止待機功耗的存在。降低待機能耗不僅意味著消費者節省用電開支，更直接減少了能源浪費和環保壓力，因為我國目前主要還是火力發電，若以每戶每年流失130度電計算，則相當于為此白白發電而浪費52千克標準煤、520升凈水，同時排放了碳粉塵35.36千克、CO2 ?129.61千克、二氧化硫3.9千克、氮氧化物1.95千克。

本文針對當前所存在的一系列狀況設計并開發完成了一款適用于辦公環境下的用于消除待機功耗的基于RFID射頻卡技術的考勤機，從而盡可能降低不必要的電能浪費。本文所設計系統投入現場使用后，一個辦公室內部的每一位員工上班后若想讓其所處位置的電腦（包含主機、顯示器、音箱等）及輔助設備（如打印機等）工作，需要在上班時首先刷卡確認，該確認完成對員工的考勤工作，并且自動控制相關繼電器吸合完成對該員工所處位置設備的上電操作。該系統也可以進行相關設置和查詢，諸如每一位員工的上班時間（輔助考勤）、下班時間自動切斷辦公電源等。

1 ?系統方案設計

本設計硬件部分主要包括基于STC12系列單片機和射頻讀卡單元、LCD顯示單元及繼電器單元的設計，系統整體設計方案如圖1所示。

本設計基于STC12C5A60S2微控制器及符合ISO15963協議標準的13.56 MHz讀/寫RFID模塊，包括DS1302時鐘模塊和12864LCD時鐘顯示器件。本設計主要包括硬件設計和軟件設計兩個方面，硬件設計主要包括13.56 MHz讀/寫RFID模塊、DS1302時鐘模塊、12864LCD顯示單元，STC12C5A60S2微控制器單元及繼電器控制單元的電路設計等。軟件設計主要包括RFID讀寫模塊子程序，DS1302實時時鐘程序，12864液晶顯示子程序等。

圖1 ?系統整體方案圖

2 ?系統硬件設計

系統硬件設計主要由電源電路、RF射頻模塊電路、LCD顯示模塊電路、控制按鍵模塊電路、時鐘電路模塊及多路繼電器開關電路等部分組成。該系統以STC12C5A60S2單片機為核心，可完成RF射頻卡模塊讀寫、多路繼電器開關、LCD液晶顯示等功能。

2.1 ?主控芯片電路

本系統采用宏晶科技的STC12C5A60S2作為系統的核心控制器。該微控制器為LQFP44封裝，工作電壓為3.7～5.5 V，具有60 KB Flash程序存儲器，1 KB的SRAM，且采用增強型8051內核，速度比普通8051單片機快6～12倍，完全滿足該系統設計需求。

2.2 ?RF射頻模塊電路

本系統采用基于恩智浦IC集成電路開發的高頻RFID讀/寫模塊CM015B-3。CM015B-3是完全符合ISO15963協議標準的13.56 MHz讀/寫模塊，支持I.CODE SLI，Tag_it HF I.可以自己檢測卡片/標簽，且具有RS 232輸出接口。圖2為CM015B-3實物圖。

圖2 ?RF射頻模塊CM015B-3實物圖

如圖2所示，RF射頻模塊CM015B-3有五個引腳。分別為管腳GND、管腳VCC、管腳Txd、管腳Rxd及ID卡檢測標志，其與單片機接口連接非常方便。管腳Txd和管腳Rxd分別與單片機Txd和Rxd相連，管腳GND接系統地線，管腳VCC與系統的電源正極+5 V相連。RF射頻模塊CM015B-3與單片機之間采用串口遵循相關協議進行通信。

2.3 ?繼電器開關電路

繼電器模塊硬件設計原理圖如圖3所示。當員工刷卡進行考勤，若考勤成功則將其對應繼電器吸合。繼電器吸合意味該員工所對應區域設備完成上電操作。

圖3 ?繼電器模塊原理圖

2.4 ?DS1302時鐘模塊

本系統采用美國DALLAS公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片DS1302實現對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時。如圖4所示，為DS1302模塊示意圖。

圖4 ?DS1302模塊

該模塊主要基于STC11F01E內置的2 KB的E2PROM單元配合外置的自學習按鍵來實現。當初次使用該插座時，按住自學習按鍵同時按下數字機頂盒遙控器的待機鍵并對準該插座的紅外接收器，此時該遙控器的待機鍵的紅外碼值就會寫入MCU的E2PROM中，插座完成自學習功能。下次使用數字機頂盒遙控器的待機鍵就是該插座的關閉按鍵。

3 ?系統軟件設計

本設計采用Keil C進行軟件編程設計。本系統的軟件設計主要包括單片機編程以及RFID讀寫數據的子程序，實時時鐘顯示子程序，12864液晶顯示界面子程序，繼電器控制程序等。

3.1 ?系統功能

系統功能描述如下：

系統待機狀態：LCD顯示當前時間信息，通過按鍵進行選擇可進行考勤記錄回看，系統設置等功能。

上班時間：員工刷卡，系統保存員工考勤時間記錄，同時系統發出繼電器控制指令將當前刷卡員工所對應位置電源接通。

下班時間：依據系統設置時間，下班時間系統將自動切斷所有位置電源，消除待機功耗所引起的電能的不必要浪費。如若員工需要加班延長通電時間，則需要員工持卡利用按鍵對該設備進行相關設置。

軟件設計框圖如圖5所示。

圖5 ?軟件設計框圖

3.2 ?軟件模塊

如圖6所示，為系統軟件設計文件夾所包含文件。共包含8個.C文件和8個.H文件，編譯文件.hex大小為13 KB。

圖6 ?程序模塊

程序模塊主要由3部分組成。

（1）讀卡器模塊

讀卡器模塊由Reader.h和Reader.c組成，主要用于實現對CM015B-3讀寫模塊的控制。

（2）DS1302模塊

DS1302模塊由DS1302.h和DS1302.c組成，主要實現對時鐘芯片DS1302的控制，以實現對實時時間和日期的顯示及對考勤時間的記錄。

（3）12864模塊

12864模塊由12864.h和12864.c組成，主要實現LCD12864的顯示。用于顯示當前時間、考勤記錄及輔助按鍵模塊對系統進行相關設置。

4 ?結 ?語

本系統主要完成基于ISO15693協議射頻讀寫模塊的節電型考勤系統硬件設計。該系統硬件設計以STC12C5A60S2單片機和ISO15693射頻讀寫模塊為核心，此外還包括時鐘芯片DS1302模塊、繼電器模塊、RS 232接口、供電模塊和LCD12864等。

本系統所提出的設計具有以下現實意義：待機功耗已經成為整個社會所關注的問題。本系統可以有效解決目前辦公環境下的電腦、打印機等設備的待機功耗問題，有效降低不必要的電能浪費。本系統具有考勤功能，方便查看每一位員工的當天到崗情況。本系統中所采用的RFID射頻卡是目前大多數企業員工都已經具有的員工卡，可避免不必要的開支浪費。本系統具有很強的擴展性，可以同時對多路系統進行電源控制。

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