RFID技術在智能家居中的應用畢業(yè)論文

1、摘要 智能家居就是通過一個網絡平臺，遠距離控制家中的空調，電視機，門窗等。實現家居生活輕松、方便、有序、高效的目標。要實現這種控制，而且要避免家居布線的繁瑣及影響家庭美觀的各種因素，無線技術成為人們考慮的主要方向。而rfid技術是一種操作簡單方便，經濟實用的應用技術，是自動化控制的最佳選擇。它憑借快速掃描、體積小、形狀多、穿透性、無屏障閱讀、耐環(huán)境性、反復使用、數據讀寫方便、數據記憶容量大、安全等特點成為了智能家居的引領者，rfid技術是一種自動識別技術，在二十世紀末得到發(fā)展。它是利用磁場或電磁場，它的識別過程是通過無線射頻方式進行數據交換，而且是非接觸的雙向通信?？勺R別高速運轉的物體并且可以

2、一次識別多個通信信號6。與先有的識別技術相比，rfid技術在進行信號讀入的過程中避免了直接接觸、光學可視、人工干預等繁瑣的程序，應用方便快捷7。 本文主要對rfid技術在智能家居中的應用做了主要闡述。主要是實現對溫度的控制，分別從溫度檢測和射頻識別兩部分進行論述。關鍵字 智能化家居 ； rfid技術 ；溫度檢測 ； 無線技術abstract ： smart home is through an online platform , remote control home air conditioners, televisions , doors and windows. achieve home

3、 life easy, convenient , orderly and efficient goals. to achieve this control , but also to avoid the tedious home wiring and home aesthetic various factors , wireless technology has become the main direction of people to consider. the rfid technology is a simple , economical and practical applicati

4、on of technology , is the best choice for automated control . with its quick scan , small size, shape and more penetrating , no barrier to reading , environmental resistance , repeated use , easy to read and write data , large data memory capacity , and security features to become a leader in smart

5、home , rfid technology is an automatic identification technology, developed in the twentieth century . it is the use of magnetic or electromagnetic field , is the process by which the radio frequency identification data exchange mode and a non- contact bidirectional communication . can identify obje

6、cts at high speed and can identify a plurality of communication signals. compared with conventional identification technology , rfid technology during the signal reading process to avoid direct contact with the optical visual , manual intervention cumbersome procedures , convenient application .this

7、 paper focuses on rfid technology in the smart home application made mainly elaborated . mainly to achieve temperature control , are discussed separately from the temperature detecting portion and two radio frequency identification .keywords： intelligent home；rfid technology ；temperature detection ；

8、 wireless technology目錄1 緒論11.1研究的意義11.2國內外研究現狀12 rfid技術的理論概述32.1 rfid技術的基本概述32.1.1 rfid技術的基本概念32.1.2 rfid自動識別技術的優(yōu)點及特點32.2電子標簽32.2.1 電子標簽的介紹32.2.2電子標簽的分類42.2.3 電子標簽的工作過程42.3讀寫器器的基本介紹介紹42.4 rfid中間件62.4.1 中間件的基本介紹62.4.2 中間件的主要功能61）閱讀器協(xié)調控制62.5 rfid應用系統(tǒng)軟件62.6 本章小結63 硬件部分的設計73.1讀卡器的工作原理73.2讀卡器的電路設計73.3mfr

9、c522匹配電路和天線設計93.4溫度檢測電路設計103.5串口通信模塊設計133.6其他輔助模塊設計143.7本章小結164 軟件的設計174.1軟件設計總體方案174.1.2射頻模塊軟件設計總體方案174.1.3溫度檢測模軟件的設計184.2射頻模塊軟件的細化分析184.2.1讀卡器初始化與卡操作184.2.2讀卡器通信與數據處理程序分析194.3溫度檢測模塊主要軟件詳細設計分析204.3.1i2c總線程序分析204.4本章小結20總結21參考文獻22致謝231 緒論1.1研究的意義從古至今，安全、安逸、高效的居住環(huán)境是人們一直向往的，隨著電子計算機技術的發(fā)展，人們的生活質量飛速提高，現有

10、的生活條件越來越無法滿足人們的需求了，達到家庭智能化是當今it產業(yè)的主要研究方向，因此提出了各種關于家庭的自動化，智能化等新概念，隨著房地產的發(fā)展，人們生活節(jié)奏的加快，每個在外面工作了一天的人回到家都想有一個輕松地環(huán)境，回到家后坐在沙發(fā)上，打開電視機，選擇一個溫馨舒適的燈光；不想錯過精彩的電視節(jié)目，但又想關掉客廳窗簾，想把空調的溫度調高；回到臥室躺在床上昏昏欲睡時，發(fā)現客廳的燈沒有關，廚房的通風窗戶沒有關；做飯時有人來訪，為客人打開安全門，上了一天的班，回到家中一進門都想有一間溫暖的房子，而不是還要苦苦等待把空調打開，等上一段時間才會調整到適合自己的溫度等。我們可以通過一種家居網絡系統(tǒng)將家居智

11、能化來達到這種生活狀態(tài)。智能家居是人們對家居生活的一個新挑戰(zhàn)，它能夠給人們提供更為輕便、有序、高效的生活形式，同時為了減少布線的繁瑣以及布線對家庭美觀的影響，無線網絡是我們不得不考慮的一種方式。rfid技術是解決上述問題的最好方法。1.2國內外研究現狀 經研究發(fā)現，全球范圍內美國政府大力支持使用rfid技術，在這種形式下，在rfid程序、軟件硬件等幾方面，美國做出了非常卓越的成績，帶動著全世界向前發(fā)展。歐洲在這方面緊隨美國的標準，歐洲使用封閉系統(tǒng)這一方向進本與美國保持一致。日本只是在自己國家的生產廠家的建議下才制定了uid標準，要想使此標準國際化還需要做出更大的努力。韓國政府開始重視rfid技

12、術，重視的程度也越來越高，只是到現在為止在rfid標準的概念還是模糊不清。 當前，rfid產品在美國、英國、德國、瑞典、瑞士、日本、南非等國家相對來說比較成熟8。從全世界產業(yè)布局分析，當前歐美市場是rfid產業(yè)的主要集中地，那里的rfid技術應用相對來說比較成熟9。 總體看來，智能化家居技術在二十世紀九十年代后期才開始在中國研發(fā)，在起步上落后于其他國家，技術水平發(fā)展不平衡，軟件功能相對來說比較弱，升級能力有待提高，系統(tǒng)維護實施起來比較困難，并且多數應用了有線通信，系統(tǒng)的設計、布線的設計造成的成本相對來說較高，而應用無線通信技術的智能家居系統(tǒng)當前還在實驗測試階段。 事實上，自動識別技術是發(fā)展的比

13、較早的。二十世紀六十年代時期，rfid射頻識別技術在理論理論上已經有了發(fā)展，而且開始在應用方面試圖做出突破。20世紀90年代起，商業(yè)界已經開始應用這項技術。這項技術發(fā)展很長一段時間后，在13.56mhz之內的頻段范圍內發(fā)展的比較成熟了。目前人們最關注的rfid技術在中高頻段的有所突破。 在rfid 產品與系統(tǒng)測試這一方面，中國相對來說在關于非接觸卡的的測試與應用方面完成的比較成熟，目前已經建立了一批比較權威的測試機構，而且已經形成了較為完善的的測試流程和規(guī)范，在用于識別的電子標簽性能測試和標準驗證方面，國內剛剛起步，目前主要分散在產品的生產廠家，測試不夠系統(tǒng)而且缺乏統(tǒng)一的測試環(huán)境，一般都是針對

14、某一個具體的項目，而進行的，事實上我們要在rfid領域保持與世界先進技術同步的地位，開展相應的研究勢在必行。 目前國內外對于測試技術方面的工作主要是從產品的實用性及應用效果開展的，其特點是rfid應用的模式是理想化的或者典型化的。對于測試和評價各種產品和數據標準這一工作的展開，一些大學和研究機構，如中國科學院自動化研究所、上海復旦大學、信息產業(yè)部中國標準化技術研究所、電子工業(yè)標準化研究所等相關機構開展了rfid應用測評中心的建設工作1。 2 rfid技術的理論概述2.1 rfid技術的基本概述2.1.1 rfid技術的基本概念rfid技術是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號和空間耦合（電

15、感或電磁耦合）自動識別目標射頻信號，并且獲得相應的數據，不需人工操作，能夠在極差的環(huán)境下工作10。error! reference source not found.可以在沾滿灰塵油漬的地方代替條形碼而進行工作。 運動速度非?？斓奈矬w都不會影響rfid技術的識別功能，而且可以幾個標簽一起識別。2.1.2 rfid自動識別技術的優(yōu)點及特點1）快速掃描 rfid技術的讀寫器可以同時讀取多個電子標簽，加快了掃描速度11。2）體積小型化、形狀多樣化 讀取紙張的的尺寸大小、形狀不會影響rfid讀取的精確度，而且rfid技術的電 子標簽的設計大小將趨于小型化、形狀將趨于多樣化，以方便多種產品的使用12。3

16、）抗污染能力和耐久力 傳統(tǒng)的條形碼是紙張，而且多用于物體外部，容易污染破損，使用起來對環(huán)境的 要求極高，但rfid技術電子標簽的使用可以排除這種顧慮，電子標簽將這些數據保存 在芯片中，不容易接觸外部環(huán)境，不易污染破損。4）可重復使用 條形碼上的信息一經印刷就不能再進行更改，而電子標簽上數據可以根據需要進 行刪減和更改來滿足人們的需求，這種重復使用的特點降低了成本。5.）穿透性和無屏障閱讀 條形碼只能近距離掃描并且是在無遮蔽物的條件下進行掃描，而rfid掃描可以穿透遮蔽物進行掃描，這樣可以掃描被遮蓋的物體。6）數據的記憶容量大 rfid儲存數兆字節(jié)的內容，數據容量也在記憶載體不斷開發(fā)的情形下趨于

17、擴大化。 未來物體所需承載的信息量會越來越大，這就造成對標簽的容量需求越來越大。2.2電子標簽2.2.1 電子標簽的介紹電子標簽是以集成電路芯片為基礎的電子數據載體，它包括射頻部分、天線、控制電路幾部分組成。電子標簽的主要組成部分（1） 天線：用于電子標簽與讀寫器進行數據交換從而完成工作。（2） 電壓調節(jié)器：把接收的射頻信號轉變?yōu)橹绷麟娫矗⑼ㄟ^電容、穩(wěn)壓電路的調 節(jié)輸出穩(wěn)定的直流電源。 (3)調制器：在天線的幫助下給讀寫器發(fā)送調制好的數據。 (4)解調器：將載波去除分解出真正的調制信號。 (5)邏輯控制電源：將讀寫器中的數據進行解碼。 (6)儲存單元：包括eeprom與rom，作為系統(tǒng)運行及

18、存放識別數據的位置。2.2.2電子標簽的分類1）按供電方式分類 根據電源是不是由標簽自己提供可以將電子標簽分成有源標簽、無源標簽兩種， 有源電子標簽內部帶有電源，其優(yōu)點是工作距離遠，但由于自身攜帶電源的原因，其 制作體積大，成本高，而且電池的壽命會影響電子標簽的使用壽命。無源電子標簽內 部不含電源，其優(yōu)點是制作體積小，質量輕，成本比較低，但是運行的能量必須由rfid 的讀寫設備提供，這就要求rfid的讀寫設備能夠提供較大的功率。 2）根據電子標簽的工作頻率分類 每種電子標簽都有自己固定的工作頻率，根據按照低頻、中高頻、超高頻、微波 幾個頻段將電子標簽進行分類。30-300khz頻段是低頻電子標

19、簽的工作范圍，其中 125khz、133khz這兩種頻率經常被使用，工作在這一頻率范圍內的電子標簽保存數 據量小，閱讀距離小，其閱讀距離一般是1米以內，成本相對比較低。3mhz-30mhz 頻率范圍屬于中高頻段，13.56mhz是經常被使用的頻率。該頻段的電子標簽數據保存 量大，但工作距離相對較遠，一般為4-6m，最大可達10m以上，而且成本也不高，相 對來說比較實用。微波頻段常用的工作頻率范圍是：433.92mhz，862（902）-928mhz， 2.45ghz，5.8ghz。一般用于遠距離識別或者高速移動物體的識別。3）根據電子標簽的封裝形式分類 電子標簽的使用會受到工作條件制作成本等因

20、素的影響，這就造成了使用者會對 電子標簽的形狀有不同的需求，電子標簽可以根據它的封裝形式將電子標簽進行分類。2.2.3 電子標簽的工作過程 電子標簽接收到來自讀寫器的查找信號，再將這一信號分解成兩部分，一部分整流為直流電源，提供電路工作所需的能量，另一部分經過電子標簽的調制后在發(fā)射給讀寫器13。2.3讀寫器器的基本介紹介紹 讀寫器可以讀取電子標簽上的數據，顯示電子標簽上的內容，也可以將數據寫入電子標簽，它與計算機網絡聯(lián)系在一起共同完成對電子標簽的控制過程。讀寫器作為rfid系統(tǒng)的最重要的部分，對rfid系統(tǒng)的工作頻率起著決定性的作用。1、讀寫器由軟件和硬件兩部分組成。 讀寫器的軟件部分是控制整

21、個讀寫器，所有的活動都是由軟件控制的，軟件發(fā)出指令后，讀寫器跟電電子標簽就會通過程序建立起協(xié)作的關系，共同完成軟件發(fā)出的指令。 軟件系統(tǒng)已經有生產廠家固定在讀寫器中，不可更改，主要控制天線的發(fā)射信號，決定讀寫器的工作狀態(tài)、負責數據輸送、負責數據交換命令。 讀寫器的硬件組成部分主要包括天線、射頻模塊、控制模塊、接口四部分組成14。2、控制模塊 asic組件和微處理器組構成了rfid的控制模塊，讀寫器與電子標簽進行數據交換 時，如果對數據進行加密可以減少處理器的工作量，而數據的加密工作主要由asic組 件負責，微處理器是控制模塊的核心部件，它的主要工作是存取asic?？刂颇K的主要功能 （1）應用

22、軟件的命令有控制模塊執(zhí)行。 （2）控制與電子簽的通信過程。 （3）對信號進行編碼與解碼。 （4）執(zhí)行方沖突算法。 （5）對電子標簽與讀寫器之間的數據進行加密與解密。 （6）對電子標簽與讀寫器之間進行身份驗證。3、射頻模塊 電子標簽發(fā)射的信號被射頻模塊接收后在進行解調。發(fā)射電路會通過天線將進一 步處理控制模塊的處理過的基帶信號發(fā)送給電子標簽。發(fā)射電路主要由調制電路、上 變頻混頻器、帶通濾波器、功率放大器幾部分構成16。 天線收到的調制信號經過接收電路解調成基帶信號再發(fā)回讀寫器的控制部分。接收 器主要由濾波器、放大器、混頻器、電壓比較器幾部分組成，用來完成包絡產生和檢 波的功能。4、接口 接口主要

23、負責實現讀寫器的控制模塊與應用軟件之間進行數據交換。接口可以采用 rs-232、rs-485、usb2.0、wlan接口17。 5、天線 讀寫器與電子標簽之間的數據交換主要靠天線來完成，當信息以電磁波的形式在 空中傳播時，發(fā)出和接收電磁波都是通過天線實現的。讀寫器的整個工作過程讀寫器的應用軟件中的數據通過讀寫器的接口與控制模塊進行數據交換，控制模塊將接收到數據進行處理并將處理后的數據通過射頻模塊傳給讀寫器的天線，由天線發(fā)射出去。2.4 rfid中間件2.4.1 中間件的基本介紹中間件做為rfid系統(tǒng)的獨立部分，負責管理資源和無線通信。rfid中間件為應用程序提供數據接口，為讀寫器讀取電子標簽數

24、據提供接口，這樣可以減少電子標簽上的儲存數據發(fā)生變化或者應用程序發(fā)生變化時所帶來的麻煩。 2.4.2 中間件的主要功能 1）閱讀器協(xié)調控制 rfid中間件接口的應用為用戶直接控制讀寫器提供了方便直，一些研究者研究發(fā) 明了直接插上就可以應用的閱讀器，為用戶應用新的讀寫器時減少了重新添加程序代碼的煩惱。2）數據過濾與處理 中間件可以通過一定的程序對電子標簽發(fā)出的錯誤信息或者產生的多余數據進修 改，中間件也可以避免讀寫器與電子標簽之間當標簽信息發(fā)生錯誤或者產生多與數據 時，中間件可以通過一定算法多對一情況發(fā)生，這樣提高了閱讀器讀取數據的準確率。3）數據路由與集成 rfid中間件決定數據的去向，rfi

25、d中間件可以與企業(yè)現有的軟件聯(lián)系在一起,具有 儲存數據的功能，可以給各個應用系統(tǒng)提供不同的批次，提供數據的路由與集成。2.5 rfid應用系統(tǒng)軟件根據行業(yè)需求開發(fā)了rfid系統(tǒng)的應用系統(tǒng)，根據需求來閱讀電子標簽上的相關信息，集中將這些信息進行統(tǒng)計，并作出處理。2.6 本章小結本章主要介紹了rfid技術的概念、原理及其優(yōu)點，也對rfid技術的讀寫器、電子標簽、中間件、及系統(tǒng)軟件四部分做了詳細的解釋，通過本章的學習可以更好了解這一技術，從而為實驗設計提供了良好的基礎。3 硬件部分的設計這一章主要介紹了本設計的硬件部分的工作原理及設計方案，為軟件的運行提供了基本結構框架。3.1讀卡器的工作原理mcu

26、會出命令，這些命令被讀卡器接收，當芯片接收到命令后就會在周圍進行尋卡運動，此時天線和他內部電路就會輔助芯片進行尋卡，他們會調制一些固定信號，并向附近發(fā)出這些信號，當找到卡片后，電磁波就會刺激到卡片內的lc諧振電路從而產生共振，再配合電壓泵的作用不斷地產生能量，并儲存在電容中，當電壓達到2v時，就可以給作為卡片的電源并提供電路運轉所需的電壓。當mcu在有效的距離內發(fā)現卡片后，就會給卡片發(fā)出尋找指令，此時卡片會將自己的有效信息發(fā)送給讀卡器，這樣讀卡器與卡片就有了初步的聯(lián)系，如果在有效范圍內存在不止一張卡片，此時讀卡器的防沖撞設置就會協(xié)助讀寫器選擇一張序列號相匹配的卡片，然后再進行密碼匹配，從而保證

27、了讀卡器讀取卡片的有效性及合法性。密碼匹配成功后就可以對卡片進行操作了。而沒有被匹配的卡片則繼續(xù)等待，直到被匹配成功。3.2讀卡器的電路設計本設計讀卡器使用stc11f32xe，stc11f32xe，具有低電壓、高性能的特性，屬于smoc8位單片機。片內設置了只讀程序存儲器，其內存是32kb，而且可以進行多次擦寫。該器件的存儲不易丟失，也包含標準mcs-51指令集，片內包含cpu和flash存儲單元，同時在標準的51單片機的基礎上擴展了p4口，使其功能在原來的基礎上變得更多。射頻部分的芯片主要采用mfrc522。mfrc522是應用于13.56mhz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一種

28、。是nxp公司針對“三表”便攜式手持設備研發(fā)的較好選擇。mfrc522的采用最新的設計手段，其利用較新型的調制解調模式，無源設計，13.56mhz中低頻段，在電路設計時無需考慮高頻信號影響，優(yōu)勢較為明顯。介紹了一種應用的低電壓，低成本，非接觸卡的芯片讀寫體積小，是一種通信協(xié)議的智能儀表和芯片采用國際標準iso14443，多協(xié)議支持的標準，mfrc522內置數據發(fā)送器，數據發(fā)送電路主要由耦合天線驅動電路驅動器以及支持iso14443a/mifare協(xié)議射頻卡讀卡應答處理機組成，在設計中無需添加其他外圍輔助電路即可實現讀卡功能。而在射頻讀卡與接收電路部分，讀卡芯片內部提供穩(wěn)定高效的編解碼電路，其編

29、解碼能力較為突出，速度較快，編解碼器可以用基于iso14443的a/b兩種型號射頻的的脈沖信號編譯。芯片內置數字信號處理單元，其主要用于兼容性卡片的幀處理和容錯檢測，其中容錯檢測基于奇偶校驗和crc循環(huán)校驗。除此之外，射頻芯片支持加密功能，加密方法為它crypto1算法，具有加密解密速度快的有點，加密算法主要用于兼容mifare的產品協(xié)議校驗。設計中采用的讀卡芯片支持基于mifare協(xié)議的更高速半雙工通信模式，其雙向通信最高可以達到424kbit/s。它通過串行通信線路少主機通信，并根據不同用戶的的需求，選擇spi,i2c和uart串口（rs232方式類似），以減少連接，狹窄的pcb板的體積，

30、降低成本。 mfrc522支持多種主機接口，分別是： （1）10mbit/s的spi接口 （2）12c接口，模型400kbit/s的速度，高的模型3400kbit/s的速率。 （3）串行uart，傳輸速率高達1228.8kbit/s，幀取決于rs232接口，電壓電平取決 于提供的管腳電壓 設計中單片機與讀卡芯片之間通過排針相連，單片機p0.5與芯片的sda連接，單片機的p0.6接口與芯片的sck連接，單片機的p0.7接口與芯片的mosi連接，單片機的p4.1接口與芯片的miso連接，單片機的p2.6接口與芯片的rst連接，分別為數據、時鐘線、主數據輸入、主數據輸出、復位功能。mfrc522功能

31、框圖如圖3.1所示。圖3.1 mfrcc522內部框圖由上述框圖可以得知，mfrc522可以用多種方式與mcu相連，當上電或硬件被復位以時，mfrc522的接口信息也被復位，而且現有的微處理器的接口的形式也被檢測出來。mfrc522在復位以后，一些特定的管腳和初始化程序通過控制管腳的邏輯電平來輔助mfrc522與微處理器接口建立。表3.1列出了mfrc522管腳的配置方式。 表3.1 mfrc522管腳配置方式sdarxnsssdaiicllhealhead7txmisoscld6mxmosiadr-0d5dyrqsckadr-1d4-adr-2d3-adr-3d2-adr-4d1-adr-5

32、 從序列圖上能夠分析出主器件的數據bit1輸出時間與ssel信號無關，數據，從器件是在時鐘前沿對主器件輸出的bit1進行采樣的，但是主器件在sck信號有效之前就輸出了bit1信號，而主器件也是在這種情況下進行采樣的，采樣的數據是來自從器件的，但是從器件是在ck信號還沒有起效而ssel信號發(fā)揮作用以后才輸出bit1信號的。 3.3mfrc522匹配電路和天線設計 設計中采用的mfrc522是mfrc500系列的產品之一，芯片最為一個高集成度電路具有獨立的讀卡、校驗、加密功能。mfrc500系列外圍電路設計具有較多相似之處，其設計基本要求是不在芯片外部使用獨立放大電路是可以實現10cm以上的通信，

33、這樣就為外圍無源射頻電路設計提供條件。在耦合天線的設計上，mfrc522為滿足不同的設計應用，通常給設計者提供兩種解決方案：（1） 直接匹配的天線：在不使用外置放大電路的情況下，采用射頻讀卡芯片外加耦合天 線來組成最小系統(tǒng)，其系統(tǒng)的有效訪問距離便是芯片的最小有效距離，小于10cm， 這樣組成的終端可以用來給小型建筑物搭建門禁、訪問控制平臺。對于小型的智能 家居系統(tǒng)也較為合適。（2）500歐姆匹配天線：可以讀，讀卡器和天線之間的同軸電纜連接的一個簡單的解決方 案，遠程應用程序，主要用于長距離傳輸，這段電纜的最遠距離是10m17。因為設計中所使用的射頻全部為近距離通信，所以采用了直接天線匹配，同時

34、滿足射頻部分工作頻率13.56mhz。 整個天線的等效電阻的電容耦合電路，在13.56mhz頻率范圍內mifare進行工作，在這種條件下，不能忽略集膚效應對電阻造成的損耗，所以線圈不能只使用dc阻抗。圖3.2是天線的電路設計原理圖。圖3.2 天線的設計原理圖 天線設計的重要指標是品質因數q，假設已經用電阻分析儀測出了天線電感和電阻的值了，但值得注意的是如果電阻和電感的值是通過公式估算出來的，不要把認為這是真實值，這只是它的初始值，在品質因數確認后它們的值會發(fā)生變化。天線的品質因子在調諧天線糾正性能方面發(fā)揮著重要作用。其公式定義為：q=(w*l)/r (3.1) 根據天線的幾何形狀，q的值通常在

35、50100之間，要進行正確的數據傳輸這個值還要減少。mifare的波特率是105.9khz/sec。數據從rwd傳輸到卡使用脈寬t=3s的miller編碼。 品質因數與時間、帶寬的關系可以表示為：bt1 其中b=f/q（3.2） 這樣可以計算出q的因子是：qft13.56mhz3s40.68（3.3） 根據計算值，設計中的電路天線數值取35，為了穩(wěn)定電阻，可以在電路外面添加一個穩(wěn)定電阻，電阻的計算如下面公式：r=wl/q-r3.4溫度檢測電路設計 設計中的溫度檢測以及相關的顯示采用了protues的仿真，因為系統(tǒng)為模擬，從成本考慮并未做出相應的實物，同時因為所涉及的模塊均已十分成熟，所以無需實

36、物驗證其可行性。 設計中使用ai89c51，at89c52具有多重優(yōu)點，其低壓高性能的優(yōu)勢使其成為該公司應用極為廣泛的產品。機內具有8kb的eprom,同時單片機含有隨機存儲器，它的內存是256字節(jié)。at89c52采用標準的51指令系統(tǒng)，與常規(guī)51芯片相互兼容，片內的為8位處理器結合閃存電路可以使其適用于多重控制系統(tǒng)。 本設計通過at89c52控制溫度傳感器進行數據的采集，溫度傳感器使用的是mcp9801芯片，mcp9800系列的數字溫度傳感器精確度相對來說比較高，但溫度在零下十度到八十五度之間時，這一系列的傳感器的精確度可以控制在1度以內。溫度傳感器的電路的電路原理圖如圖3.3。 圖3.3

37、溫度傳感器電路 用戶能夠寄存器上進行編程的溫度傳感器包括mcp9800系列，傳感器的應用領域也因為這一功能變得更加廣泛。寄存器的編程設置為分辨率設置，其分辨率可調精度最大可達到12位，最低可實現9位分辨率，傳感器具有省電關斷模式和單次測量模式，單次測量模式是指在傳感器的關斷指令下達時根據來自微控器的指令對數據進行一次轉換，省電關斷和單次測量均可以進行變成配置。當傳感器檢測溫度的變化范圍超過規(guī)定上限時，傳感器可以通過特定電平變化輸入報警信號，其中報警信號的設置也是可以通過用戶編程對極性進行設定，設定用于內部參考恒溫器的操作，有效電平經過比較器輸出或者也可以通過mcu(microcontrolun

38、it,為控制單元)的外部中斷輸出信號來實現。mcp9800系列溫度傳感器采用i2c/smbus的總線接口，標準的i1c總線接口可以在一條總線上對多個傳感器進行數據采集，這中設計允許在僅有一個微控制器的狀況下對多個點進行溫度采樣，適合需要多處測量需求的系統(tǒng)設計。由于at89c52沒有i2c接口，實際需要在程序中模擬i2c時序，仿真中采用protues中內部的i2c連接器，在程序中做相應的時序模擬。i2c接口是飛利浦公司制定的串行總線接口，標準的i2c接口具有sdascl兩條信號線，其中sda為一條雙向的信號總線，scl為時鐘線。所有串行數據sda都與總線的sda相連接，時鐘線scl與總線的scl

39、相連接。傳送數據時要根據通信協(xié)議的要求使用i2c總線，如圖3.10所示，數據線sda的電平在時鐘信號scl產生高電平的情況下要保持穩(wěn)定，當在時鐘線scl為低電平，數據線sda電平只有在時鐘信號scl產生低電平的情況下才可以發(fā)生跳變。i2c總線的基本原則如圖3.4。圖3.4 i2c總線的數據讀取i2c總線起始與終止時序原則：不管是在開始還是結束傳輸數據，都是在scl為高電平時發(fā)生的，不同的是，數據的傳送伴隨著sda從低電平跳變到高電平而結束。數據的傳送伴隨著sda由高電平跳變到低電平而開始18。 圖3.5 i2c數據總線的起始與終止符號通常一個i2c總線上會連有多個器件，每個器件按其唯一的地址進

40、行劃分。當主機與其通過i2c總線相連的器件進行數據通信時，主機可以作為發(fā)送機向相連的i2c器件發(fā)送數據，也可作為接收器接受來自器件的反饋數據。因此i2c可以級聯(lián)多個芯片，相比設計最初考慮采用18b20作為溫度傳感器具備很多優(yōu)勢，mcp9801按照地址線連接便可以同時采集收集多個房間的溫度，更適合智能家居應用，并且不會占用mcu過多i/o口3。 mcp9801各引腳功能如表3.2。表3.2 mcp9801各引腳功能mcp9801符號功能1sda雙向串行數據2slck串行時鐘輸入3alert溫度報警輸出4gnd接地5a2地址選擇引腳（bit2)6a1地址選擇引腳（bit1)7a0地址選擇引腳（bi

41、t0)8vcc電源輸入mcp9801包括一個帶隙型溫度傳感器，一個-模數轉換器(adc)，幾個寄存器，一個兼容雙線i2c/smbus總線協(xié)議的接口18。3.5串口通信模塊設計單片機之間的數據交換是通過串行口實現的。使用rs-232電平設計電路。其最初是基于公用電話網的一種串行通信標準。它的邏輯電平與公共地址對稱，它的邏輯電平呈正負對稱分布，因此需要使用的電源必須是正負極性的。 串行通訊是指信息的通訊方式按照一定的順序逐次傳送，其接口也可以稱為串口。具有簡單的通信線路。串口設計電路可以加大限度的減少連線，一堆數據線便可以實現雙向通信，其具備通信距離長、成本低、連線簡單等多重優(yōu)勢。串口通信的協(xié)議特

42、點是：所有數據按位傳輸，諸位發(fā)送，理論上最簡傳輸設計只需要一個數據線；傳輸成本低，傳輸速度慢。雖串口通信協(xié)議可實現及長距離傳輸，最長可達到幾千米。 本次設計中用到的是rs232接口，通信原理較為簡單。芯片的引腳分為三個部分：第一部分：由1-6引腳和4只電容組成的電荷泵電路。這一部分可以產生數據轉換所需要的能量。rs-232工作所需的電能就是由該電路產生的12v的電平提供的。第二部分：714管腳構成兩個數據通道，其中的第一數據通道包括1114管腳，第二數據通道包括710管腳8，數據從10、11管腳輸入轉換成rs-232數據從7、14管腳送到串口9針串口接口；從8、13管腳輸入9針串口插頭的數據，

43、然后轉換成電平數據，再從9、12管腳輸出。第三部分是供電：15腳gnd、16腳vcc（+5v）19。本設計中，其基本接線方式如圖3.6。圖3.6串口連接電路原理圖本次設計中用到的串口芯片是max232，它是用+5v的單電源進行供電。3.6其他輔助模塊設計設計中除了用到了以上主模塊，還用到了12864和1602兩塊液晶顯示器以及ds1302的i2c接口的時鐘芯片、蜂鳴器、按鍵等輔助硬件，分別用于顯示射頻、溫度以及時間。顯示器1602與at89c52相連，配合溫度傳感器和時鐘芯片顯示當前檢測溫度以及時間；顯示器12864與stc11f32xe相連，其中涉及數據和控制端的連接，配合單片機以及射頻芯片

44、輸出卡號和與卡號相對應的最適溫度4。圖3.7 12864顯示器的連接 圖3.8液晶顯示器1602連接其中如圖3.8所示，這種連接方式使得屏幕亮度具有可調性。ds1302芯片具有充電功能，而且具有節(jié)能的優(yōu)點，它的計時可以精確到秒，而且可以進行閏年補償等功能。ds1302包括八個引腳。vcc1在該芯片中扮演后備電源的角色，電能主要由vcc2提供。這樣的設計是為了保證主電源在未接通的情況下，時鐘依舊可以連續(xù)運行。vcc1和vcc2采取誰大誰供電的形式給ds1302供電，前提是vcc1必須是在比vcc2的電壓高出0.2v的情況下才進行供電，其他情況則由vcc1供電20。x1和x2是外接32.768kh

45、z晶振的振蕩源。rst是復位/片選線，由rst輸入驅動，提供高電平然后啟動芯片進行工作，開始傳送數據21。ds1302標志位的電平對照如表3.8。 表3.3 ds1302標志位電平對照表標志位邏輯0邏輯1第7位數據寫保護數據可以寫入第6位讀取日歷時鐘數據讀取ram數據第5位 指定輸入或輸出的特定寄存器第4位第3位第2位第1位第0位數據寫操作數據讀操作ds1302芯片的電路連接圖如圖3.9所示。 圖3.9ds1302連接示意圖 3.7本章小結 本章主要詳細的介紹了硬件部分局部的總體設計。隨著人們生活水平的提高和社會的飛速發(fā)展，rfid技術在人們生活中的應用會更加需要，因此射頻技術在智能家居中的應

46、用將成為人們不得不考慮的一方面，本設計對溫控系統(tǒng)進行了研究，使用了控制器at89c52、stc11f32xe和mfrc522系列讀卡器、溫度傳感器、液晶顯示器等器件。使用了相對簡單的電路來達到設計的基本要求。4 軟件的設計 軟件設計是整個系統(tǒng)設計的重要組成部分，在一定的硬件電路基礎上，加上相應的軟件，才可以實現相關的功能。在這部分設計中包括射頻和溫度檢測兩部分，涉及80c51以及增強型51單片機、射頻、顯示、時鐘、串口等多個模塊的設計。軟件設計需要配合硬件完成，以保證其穩(wěn)定運行。 4.1軟件設計總體方案 4.1.1軟件設計方法與設計語言選擇 模塊化設計的核心思想是要把一個復雜的程序按其各部分的

47、功能劃分為若干模塊，設計完成后，各模塊的設計、編程、調試和查錯獨立互不影響，最后實現個模塊之間的聯(lián)調測試運行，最終編譯行程最終可行程序。 自頂向下、逐步求精的設計原則是從系統(tǒng)主干開始，優(yōu)先解決整體問題，再然后一層層逐漸細化設計，完成精度要求，最終完成整體程序。 結構化設計是一種理想狀態(tài)的設計，在編程過程中對程序進行適當限制，使程序在其上下文之間銜接與執(zhí)行流程效率上保持基本的協(xié)調性。本次畢業(yè)設計由于程序的模塊化非常清晰，所以總體程序按照模塊化的設計思想，各個模塊獨立編譯、調試、運行。c語言程序的庫支持非常豐富、具有良好的結構化特點、容易查找錯誤、可移植性高、可讀性高，實現容易，所以整個設計均采用

48、c語言作為設計的程序編寫語言。 因為設計中所涉及模塊眾多，部分模塊比如射頻讀卡芯片mfrc522的的初始化程序代碼量比較大，受到單片機存儲空間限制，所以需要考慮精簡部分冗余代碼，優(yōu)化程序設計。4.1.2射頻模塊軟件設計總體方案（1） 數據采集模塊：mfrc522在連接天線的協(xié)助下讀取rfid卡的數據，然后將數據傳 送出去（2） 數據處理模塊：stc11f32xe單片機處理來自射頻讀卡器的數據，并完成顯示數據傳 輸等功能。（3）顯示模塊：stc11f32xe接收到數據后，將通過數據處理完并在12864上予以顯示。（4）報警模塊：stc11f32xe接收到數據后，啟動蜂鳴器，進行蜂鳴報警，提示有卡

49、進入。（5）鍵盤模塊：通過按鍵進行四種狀態(tài)轉換以實現對卡注冊、讀卡、溫度變換的四種操 作。（6）串口通信：將預設溫度發(fā)送給溫度檢測部分單片機。4.1.3溫度檢測模軟件的設計（1） 串口通信：串口實時檢測來自射頻部分的信號，當有數據時采用中斷接受發(fā)送數據， 并交付單片機處理。（2） 數據采集模塊：單片機收到來自串口的數據后初始化溫度傳感器mcp9801采集，采 集當前房間溫度。（3）數據處理模塊：單片機收到溫度傳感器和串口數據后進行比對，然后做出相應處理。（4）顯示模塊：檢測溫度時顯示器顯示溫度，不檢測溫度時，顯示器顯示日期。 4.2射頻模塊軟件的細化分析4.2.1讀卡器初始化與卡操作 射頻讀卡

50、芯片mfrc522是本次設計的基礎，讀卡器的軟硬件設計是本次設計的重點，所涉及的軟件程序包括以下幾部分。初始化程序如下voidinit_mfrc500(void)rfid_reset();/復位rfid_aerialoff(); /天線關閉rfid_aerialon(); /天線開啟mfrc_type(a); /設置芯片工作方式 程序的初始化操作主要是針對天線進行的，初始化是讀卡前對天線的復位啟用，天線掃描到卡后便進行讀卡操作，主要通過讀卡芯片rc522進行，下面主要分析社對射頻芯片操作的程序。設計中采用函數voidpcd_contpro(void)對射頻卡進行卡操作，其中包括了對預設溫度以及

51、其相關操作。rfid_rebcon(uchar*psn); /進行防沖撞檢測 rfid_cho(uchar*psn); /函數進行卡選擇 以上兩個函數只有一個參數，即指針變量psn，指針指向數組，卡片序列號存儲在參數psnout中，共4字節(jié)，兩個函數執(zhí)行完成后返回值均為為mi_ok，無其他值。rfid_auth_state(ucharau_mode,ucharaddr,uchar*pkey,uchar*psn);函數有四個參數，分別是密碼驗證模式au_modein，塊地址addrin，密碼pkeyin，卡片序列號psnin，其中密碼驗證模式有兩種，以十六進制的形式進行表示，驗證a密鑰為0x60

52、，驗證b密鑰為0x61，卡號共4字節(jié)。 rfid_write(ucharaddr,uchar*pdata);/讀取卡數據 rfid_read(ucharaddr,uchar*pdata);/向卡寫數據 這兩個函數是卡的讀寫操作函數，每個函數均有兩個參數，一個字符串變量，一個指針變量，變量addrin存儲卡的塊地址，pdataout存儲讀出的數據，共16字節(jié)，如果函數運行成功會返回mi_ok。 ucharread_mfrc(ucharaddr) voidwrite_mfrc(ucharaddr,ucharvalue) voidset_flag(ucharreg,ucharflag) voidclr_flag(ucharreg,ucharflag) 以上四個函數是對mfrc522的寄存器進行操作，分別包括讀寄存器、寫寄存器、寄存器置位、寄存器清零操作。讀寄存器函數參數為寄存器地址addrin，函數返回值為讀出的值；寫寄存器函數參數addrin為寄存器地址，valuein為要寫入的值；寄存器置位/清零函數參數regin為寄存器地址，flagin為置位或者清零值；4.2.2讀卡器通信與數據處理程序分析 天線配合讀卡器完成其初始化后需要進行卡和讀卡器之間的數據