基于51系列单片微型计算机的以RFID为识别手段的智能家居节能自控系统设计

家用电器的使用是人们繁忙工作生活必不可少的部分，但往往存在着人走不断电，或者忘记关闭家用电器的现象，造成了能源的浪费，还存在着安全隐患。例如，公用楼梯内的路灯，没有人路过的时候，灯也总是亮的，很浪费电。如果能使路灯在有人走过的时候点亮，当人走过之后，路灯再熄灭，这样不但节省能源，而且还不影响正常使用。

节能环保的生活主题，使得智能家居系统更加引人注目。智能家居系统与传统家居系统最大区别在于，赋予了家庭里所有物品以“智慧”，使它们能够“自发”、“主动”地与家庭网关、与人沟通并实现信息的交互。RFID技术可以首先使智能家居系统自动识别、感知家用电器，系统然后再智能管理，从而达到节能自控的目的。

1、总体方案

本系统是以51系列单片微型计算机为控制核心，RFID无线射频技术为识别手段的智能家居节能自控系统。本系统需要人员携带门卡进出房间，单片机通过读取门卡上的编号和信息识别来客是否是本房间的。如果不是则会对其进行抓拍照片，因此能在室内的东西丢失后快速的辨别盗窃人身份。

智能照明管理系统是本系统的重要组成部分。当室内的人离开房间后，单片机控制的各个模块会判断室内是否有人，如果没人，将进行断电；当房间再进入人时，重新给房间供电。智能照明管理系统除了具有传统功能以外，还能感测诸如人体运动和周围环境照度，以自动控制灯的开关及调光，做到“人来灯亮，人走灯灭”。智能照明中的灯光调节系统能够依照需要模拟自然界太阳光的变化，用户只要轻触开关或手中的遥控器就可以感受从夏到冬，从春到秋的模拟性季节变化，甚至可以模拟一天中的不同时段。

2、系统组成

本系统应用了多种传感器采集室内物理参数，然后通过多方面的信息综合判断室内人员、环境情况。避免了房间内有人断电、房间内无人供电的失误操作。如图1所示，系统由下面几部分组成：①红外传感器。利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。②声音传感器。用来接收声波，声波使驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压，经过转换后，传给单片微型计算机。③释热传感器。传感器的作用是把各种被测物体的释热信号转换为电信号。④RFID传感器。一般包含射频信号发射单元器，高频接收单元和控制单元。⑤微型摄像头。负责抓拍图像，具有体积小、隐蔽性比较好。⑥家电控制器。主要包括与智能家电的各种控制接口和驱动电路。

单片机控制器通过红外传感器、声音传感器、释热传感器采集信息，对室内是否有人进行分析。红外传感器为第一层检测，当有人进入房间的时候红外传感器就会感应到，声音传感器为第二层检测、释热传感器为第三层检测。单片机综合分析后进行计数，然后控制驱动电路对家用电器供电。当人从房间内走出去之后，红外传感器首先判断房间内是否有人，然后声音传感器，最后结合释热传感器，只有当三种传感器都确定房间内没有人的时候才会进行断电。当有人进入房间的时候，RFID会检测你是否带有房卡，房卡是否满足要求，如果有房卡并且符合要求，则进行传感器检测；否则，则会对进入房间的人进行拍照，开启防盗功能，进行报警。

3、RFID模块硬件设计

本系统采用符合ISO/IEC 14443A协议Mifare one S50格式的RFID标签及读写器。首先，智能家居系统用户佩戴RFID标签，该电子标签的电气部分只由一个天线和ASIC组成。电子标签的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0电子标签中。电子标签的ASIC由一个高速(106KB波特率)的RF接口，一个控制单元和一个EEPROM组成。发射或接收的数据存储在Mifare one电子标签内的EEPROM内。EEPROM分为16个扇区，每个扇区由4块组成，第0扇区的块0(即绝对地址0块)，它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。数据块可作两种应用：一种用作一般的数据保存，可以进行读、写操作；另一种用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。

其次，RFID读写器CY-14443A系列射频读写模块采用基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片。采用0.6微米CMOS EEPROM工艺，支持ISO14443 type A协议，支持MIFARE标准的加密算法。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持UART接口(-C)，I2C接口(-U)，或者SPI接口(-P)，数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。

本系统控制核心单片机使用RFID读写模块的UART接口与其交互信息，完成智能家居系统对用户的身份识别。单片机通过UART接口向RFID读写模块芯片发送命令后，读写模块按照非接触式射频卡协议格式，通过天线及其匹配电路向附近发出一组固定频率的调制信号13.56MHZ进行寻卡。当有RFID卡片在有效工作范围内时，卡片将回复卡片类型，建立卡片与读写模块的第一步联系，密码验证通过后就可以对卡片进行读写等应用操作。

4、RFID读写模块软件设计

单片机与RFID模块通信规则制定如下：①通信波特率：19200bps，即每秒传送19200比特。②命令帧格式为：前导头+通信长度+命令字+数据域+校验码。③送命令帧之后，返回值的格式如下：前导头+通信长度+上次所发送的命令字+数据域+校验码。其中，前导头表示0xAA0xBB两个字节，若数据域中也包含0xAA那么紧随其后为数据0，但是长度字不增加。通信长度表示去掉前导头之外的通信帧所有字节数。校验码表示去掉前导头和校验码字节之外，所有通讯帧所含字节的异或值。RFID命令帧数组cmdsend赋值的核心代码如下：

#define PCD_PN 0x01//设备型号命令字常量被赋初值。

#define AUTOSEARCH 0x13//自动寻卡命令字常量被赋初值。

cmdsend[0] = 0xAA；

cmdsend[1] = 0xBB；//命令帧的前导头由0xAA0xBB两个字节构成。

switch(m_MODE)//根据命令字在命令表中的序列号分别填充命令帧数组cmdsend。

{case 1：//命令表中第1号命令字，作用是获得8个字节的设备型号。

cmdsend[2]=2；//通信长度字段赋值。

cmdsend[3]=PCD_PN；//命令字字段赋值。

CheckSum(&cmdsend[2])；//校验码字段赋值。

break；

case 6：//命令表中第6号命令字，作用是设置RFID读写芯片是否工作在自动寻卡模式。

cmdsend[2]=3；//通信长度字段赋值。

cmdsend[3]=AUTOSEARCH；//命令字字段赋值。

cmdsend[4]=1；//数据域字段赋值，值为1表示自动寻卡，值为0表示被动寻卡。

CheckSum(&cmdsend[2])；//校验码字段赋值。

break；

……}

5、结语

本文阐述的这种家用电路系统以单片微型计算机为控制核心，采用RFID射频识别技术进行信息采集，自动地、准确地对房间内情况进行判断，更智能，更精确地对供电电路进行控制，达到节能使用电器的目的。在实验室环境下进行测试运行，工作稳定，性能良好，实现了省电节能的效果，达到节能减排的实用目的。