RFID技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、摘要 智能家居就是通過一個網(wǎng)絡(luò)平臺，遠距離控制家中的空調(diào)，電視機，門窗等。實現(xiàn)家居生活輕松、方便、有序、高效的目標。要實現(xiàn)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(shù)成為人們考慮的主要方向。而rfid技術(shù)是一種操作簡單方便，經(jīng)濟實用的應(yīng)用技術(shù)，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(fù)使用、數(shù)據(jù)讀寫方便、數(shù)據(jù)記憶容量大、安全等特點成為了智能家居的引領(lǐng)者，rfid技術(shù)是一種自動識別技術(shù)，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(shù)據(jù)交換，而且是非接觸的雙向通信?？勺R別高速運轉(zhuǎn)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(shù)相比，rfid技術(shù)在進行信號讀入的過程中避免了直接接觸、光學(xué)可視、人工干預(yù)等繁瑣的程序，應(yīng)用方便快捷7。 本文主要對rfid技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用做了主要闡述。主要是實現(xiàn)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(guān)鍵字 智能化家居 ； rfid技術(shù) ；溫度檢測 ； 無線技術(shù)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(nèi)外研究現(xiàn)狀12 rfid技術(shù)的理論概述32.1 rfid技術(shù)的基本概述32.1.1 rfid技術(shù)的基本概念32.1.2 rfid自動識別技術(shù)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(diào)控制62.5 rfid應(yīng)用系統(tǒng)軟件62.6 本章小結(jié)63 硬件部分的設(shè)計73.1讀卡器的工作原理73.2讀卡器的電路設(shè)計73.3mfr

9、c522匹配電路和天線設(shè)計93.4溫度檢測電路設(shè)計103.5串口通信模塊設(shè)計133.6其他輔助模塊設(shè)計143.7本章小結(jié)164 軟件的設(shè)計174.1軟件設(shè)計總體方案174.1.2射頻模塊軟件設(shè)計總體方案174.1.3溫度檢測模軟件的設(shè)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(shù)據(jù)處理程序分析194.3溫度檢測模塊主要軟件詳細設(shè)計分析204.3.1i2c總線程序分析204.4本章小結(jié)20總結(jié)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(shù)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量飛速提高，現(xiàn)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(chǎn)業(yè)的主要研究方向，因此提出了各種關(guān)于家庭的自動化，智能化等新概念，隨著房地產(chǎn)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(guān)掉客廳窗簾，想把空調(diào)的溫度調(diào)高；回到臥室躺在床上昏昏欲睡時，發(fā)現(xiàn)客廳的燈沒有關(guān)，廚房的通風窗戶沒有關(guān)；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(diào)打開，等上一段時間才會調(diào)整到適合自己的溫度等。我們可以通過一種家居網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)是我們不得不考慮的一種方式。rfid技術(shù)是解決上述問題的最好方法。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，全球范圍內(nèi)美國政府大力支持使用rfid技術(shù)，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(chǎn)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(shù)，重視的程度也越來越高，只是到現(xiàn)在為止在rfid標準的概念還是模糊不清。 當前，rfid產(chǎn)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(chǎn)業(yè)布局分析，當前歐美市場是rfid產(chǎn)業(yè)的主要集中地，那里的rfid技術(shù)應(yīng)用相對來說比較成熟9。 總體看來，智能化家居技術(shù)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(shù)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(shù)應(yīng)用了有線通信，系統(tǒng)的設(shè)計、布線的設(shè)計造成的成本相對來說較高，而應(yīng)用無線通信技術(shù)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(shù)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(shù)在理論理論上已經(jīng)有了發(fā)展，而且開始在應(yīng)用方面試圖做出突破。20世紀90年代起，商業(yè)界已經(jīng)開始應(yīng)用這項技術(shù)。這項技術(shù)發(fā)展很長一段時間后，在13.56mhz之內(nèi)的頻段范圍內(nèi)發(fā)展的比較成熟了。目前人們最關(guān)注的rfid技術(shù)在中高頻段的有所突破。 在rfid 產(chǎn)品與系統(tǒng)測試這一方面，中國相對來說在關(guān)于非接觸卡的的測試與應(yīng)用方面完成的比較成熟，目前已經(jīng)建立了一批比較權(quán)威的測試機構(gòu)，而且已經(jīng)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(nèi)剛剛起步，目前主要分散在產(chǎn)品的生產(chǎn)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(lǐng)域保持與世界先進技術(shù)同步的地位，開展相應(yīng)的研究勢在必行。 目前國內(nèi)外對于測試技術(shù)方面的工作主要是從產(chǎn)品的實用性及應(yīng)用效果開展的，其特點是rfid應(yīng)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(chǎn)品和數(shù)據(jù)標準這一工作的展開，一些大學(xué)和研究機構(gòu)，如中國科學(xué)院自動化研究所、上海復(fù)旦大學(xué)、信息產(chǎn)業(yè)部中國標準化技術(shù)研究所、電子工業(yè)標準化研究所等相關(guān)機構(gòu)開展了rfid應(yīng)用測評中心的建設(shè)工作1。 2 rfid技術(shù)的理論概述2.1 rfid技術(shù)的基本概述2.1.1 rfid技術(shù)的基本概念rfid技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，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(yīng)的數(shù)據(jù)，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。 運動速度非常快的物體都不會影響rfid技術(shù)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(shù)的優(yōu)點及特點1）快速掃描 rfid技術(shù)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(shù)的電 子標簽的設(shè)計大小將趨于小型化、形狀將趨于多樣化，以方便多種產(chǎn)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(shù)電子標簽的使用可以排除這種顧慮，電子標簽將這些數(shù)據(jù)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(fù)使用 條形碼上的信息一經(jīng)印刷就不能再進行更改，而電子標簽上數(shù)據(jù)可以根據(jù)需要進 行刪減和更改來滿足人們的需求，這種重復(fù)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(shù)據(jù)的記憶容量大 rfid儲存數(shù)兆字節(jié)的內(nèi)容，數(shù)據(jù)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(chǔ)的電子數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換從而完成工作。（2） 電壓調(diào)節(jié)器：把接收的射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?，并通過電容、穩(wěn)壓電路的調(diào) 節(jié)輸出穩(wěn)定的直流電源。 (3)調(diào)制器：在天線的幫助下給讀寫器發(fā)送調(diào)制好的數(shù)據(jù)。 (4)解調(diào)器：將載波去除分解出真正的調(diào)制信號。 (5)邏輯控制電源：將讀寫器中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的位置。2.2.2電子標簽的分類1）按供電方式分類 根據(jù)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(nèi)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(nèi) 部不含電源，其優(yōu)點是制作體積小，質(zhì)量輕，成本比較低，但是運行的能量必須由rfid 的讀寫設(shè)備提供，這就要求rfid的讀寫設(shè)備能夠提供較大的功率。 2）根據(jù)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(jù)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(jīng)常被使用，工作在這一頻率范圍內(nèi)的電子標簽保存數(shù) 據(jù)量小，閱讀距離小，其閱讀距離一般是1米以內(nèi)，成本相對比較低。3mhz-30mhz 頻率范圍屬于中高頻段，13.56mhz是經(jīng)常被使用的頻率。該頻段的電子標簽數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(jīng)過電子標簽的調(diào)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(shù)據(jù)，顯示電子標簽上的內(nèi)容，也可以將數(shù)據(jù)寫入電子標簽，它與計算機網(wǎng)絡(luò)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(guān)系，共同完成軟件發(fā)出的指令。 軟件系統(tǒng)已經(jīng)有生產(chǎn)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(shù)據(jù)輸送、負責數(shù)據(jù)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(gòu)成了rfid的控制模塊，讀寫器與電子標簽進行數(shù)據(jù)交換 時，如果對數(shù)據(jù)進行加密可以減少處理器的工作量，而數(shù)據(jù)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(yīng)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?jīng)_突算法。 （5）對電子標簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)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(diào)。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(diào)制電路、上 變頻混頻器、帶通濾波器、功率放大器幾部分構(gòu)成16。 天線收到的調(diào)制信號經(jīng)過接收電路解調(diào)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(luò)產(chǎn)生和檢 波的功能。4、接口 接口主要

23、負責實現(xiàn)讀寫器的控制模塊與應(yīng)用軟件之間進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)的。讀寫器的整個工作過程讀寫器的應(yīng)用軟件中的數(shù)據(jù)通過讀寫器的接口與控制模塊進行數(shù)據(jù)交換，控制模塊將接收到數(shù)據(jù)進行處理并將處理后的數(shù)據(jù)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(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)接口，為讀寫器讀取電子標簽數(shù)

24、據(jù)提供接口，這樣可以減少電子標簽上的儲存數(shù)據(jù)發(fā)生變化或者應(yīng)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(diào)控制 rfid中間件接口的應(yīng)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(yīng)用的閱讀器，為用戶應(yīng)用新的讀寫器時減少了重新添加程序代碼的煩惱。2）數(shù)據(jù)過濾與處理 中間件可以通過一定的程序?qū)﹄娮訕撕灠l(fā)出的錯誤信息或者產(chǎn)生的多余數(shù)據(jù)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(chǎn)生多與數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)的準確率。3）數(shù)據(jù)路由與集成 rfid中間件決定數(shù)據(jù)的去向，rfi

25、d中間件可以與企業(yè)現(xiàn)有的軟件聯(lián)系在一起,具有 儲存數(shù)據(jù)的功能，可以給各個應(yīng)用系統(tǒng)提供不同的批次，提供數(shù)據(jù)的路由與集成。2.5 rfid應(yīng)用系統(tǒng)軟件根據(jù)行業(yè)需求開發(fā)了rfid系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)需求來閱讀電子標簽上的相關(guān)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(jié)本章主要介紹了rfid技術(shù)的概念、原理及其優(yōu)點，也對rfid技術(shù)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(xué)習(xí)可以更好了解這一技術(shù)，從而為實驗設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)。3 硬件部分的設(shè)計這一章主要介紹了本設(shè)計的硬件部分的工作原理及設(shè)計方案，為軟件的運行提供了基本結(jié)構(gòu)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(nèi)部電路就會輔助芯片進行尋卡，他們會調(diào)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(nèi)的lc諧振電路從而產(chǎn)生共振，再配合電壓泵的作用不斷地產(chǎn)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(zhuǎn)所需的電壓。當mcu在有效的距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(nèi)存在不止一張卡片，此時讀卡器的防沖撞設(shè)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(shè)計本設(shè)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(nèi)設(shè)置了只讀程序存儲器，其內(nèi)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(nèi)包含cpu和flash存儲單元，同時在標準的51單片機的基礎(chǔ)上擴展了p4口，使其功能在原來的基礎(chǔ)上變得更多。射頻部分的芯片主要采用mfrc522。mfrc522是應(yīng)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(shè)備研發(fā)的較好選擇。mfrc522的采用最新的設(shè)計手段，其利用較新型的調(diào)制解調(diào)模式，無源設(shè)計，13.56mhz中低頻段，在電路設(shè)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(yīng)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(nèi)置數(shù)據(jù)發(fā)送器，數(shù)據(jù)發(fā)送電路主要由耦合天線驅(qū)動電路驅(qū)動器以及支持iso14443a/mifare協(xié)議射頻卡讀卡應(yīng)答處理機組成，在設(shè)計中無需添加其他外圍輔助電路即可實現(xiàn)讀卡功能。而在射頻讀卡與接收電路部分，讀卡芯片內(nèi)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(nèi)置數(shù)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(chǎn)品協(xié)議校驗。設(shè)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(jù)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(shè)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(shù)據(jù)、時鐘線、主數(shù)據(jù)輸入、主數(shù)據(jù)輸出、復(fù)位功能。mfrc522功能

31、框圖如圖3.1所示。圖3.1 mfrcc522內(nèi)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(fù)位以時，mfrc522的接口信息也被復(fù)位，而且現(xiàn)有的微處理器的接口的形式也被檢測出來。mfrc522在復(fù)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(shù)據(jù)bit1輸出時間與ssel信號無關(guān)，數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shè)計 設(shè)計中采用的mfrc522是mfrc500系列的產(chǎn)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(shè)計具有較多相似之處，其設(shè)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(xiàn)10cm以上的通信，

33、這樣就為外圍無源射頻電路設(shè)計提供條件。在耦合天線的設(shè)計上，mfrc522為滿足不同的設(shè)計應(yīng)用，通常給設(shè)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(yīng)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(shè)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(nèi)mifare進行工作，在這種條件下，不能忽略集膚效應(yīng)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(shè)計原理圖。圖3.2 天線的設(shè)計原理圖 天線設(shè)計的重要指標是品質(zhì)因數(shù)q，假設(shè)已經(jīng)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(zhì)因數(shù)確認后它們的值會發(fā)生變化。天線的品質(zhì)因子在調(diào)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(jù)天線的幾何形狀，q的值通常在

35、50100之間，要進行正確的數(shù)據(jù)傳輸這個值還要減少。mifare的波特率是105.9khz/sec。數(shù)據(jù)從rwd傳輸?shù)娇ㄊ褂妹}寬t=3s的miller編碼。 品質(zhì)因數(shù)與時間、帶寬的關(guān)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(jù)計算值，設(shè)計中的電路天線數(shù)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(shè)計 設(shè)計中的溫度檢測以及相關(guān)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(yīng)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(shè)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(yīng)用極為廣泛的產(chǎn)品。機內(nèi)具有8kb的eprom,同時單片機含有隨機存儲器，它的內(nèi)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(nèi)的為8位處理器結(jié)合閃存電路可以使其適用于多重控制系統(tǒng)。 本設(shè)計通過at89c52控制溫度傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，溫度傳感器使用的是mcp9801芯片，mcp9800系列的數(shù)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(nèi)。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(yīng)用領(lǐng)域也因為這一功能變得更加廣泛。寄存器的編程設(shè)置為分辨率設(shè)置，其分辨率可調(diào)精度最大可達到12位，最低可實現(xiàn)9位分辨率，傳感器具有省電關(guān)斷模式和單次測量模式，單次測量模式是指在傳感器的關(guān)斷指令下達時根據(jù)來自微控器的指令對數(shù)據(jù)進行一次轉(zhuǎn)換，省電關(guān)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(shè)置也是可以通過用戶編程對極性進行設(shè)定，設(shè)定用于內(nèi)部參考恒溫器的操作，有效電平經(jīng)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(xiàn)。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(shù)據(jù)采集，這中設(shè)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(shè)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(nèi)部的i2c連接器，在程序中做相應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時要根據(jù)通信協(xié)議的要求使用i2c總線，如圖3.10所示，數(shù)據(jù)線sda的電平在時鐘信號scl產(chǎn)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(shù)據(jù)線sda電平只有在時鐘信號scl產(chǎn)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(shù)據(jù)讀取i2c總線起始與終止時序原則：不管是在開始還是結(jié)束傳輸數(shù)據(jù)，都是在scl為高電平時發(fā)生的，不同的是，數(shù)據(jù)的傳送伴隨著sda從低電平跳變到高電平而結(jié)束。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信時，主機可以作為發(fā)送機向相連的i2c器件發(fā)送數(shù)據(jù)，也可作為接收器接受來自器件的反饋數(shù)據(jù)。因此i2c可以級聯(lián)多個芯片，相比設(shè)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(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計單片機之間的數(shù)據(jù)交換是通過串行口實現(xiàn)的。使用rs-232電平設(shè)計電路。其最初是基于公用電話網(wǎng)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(shè)計電路可以加大限度的減少連線，一堆數(shù)據(jù)線便可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)按位傳輸，諸位發(fā)送，理論上最簡傳輸設(shè)計只需要一個數(shù)據(jù)線；傳輸成本低，傳輸速度慢。雖串口通信協(xié)議可實現(xiàn)及長距離傳輸，最長可達到幾千米。 本次設(shè)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(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的能量。rs-232工作所需的電能就是由該電路產(chǎn)生的12v的電平提供的。第二部分：714管腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道，其中的第一數(shù)據(jù)通道包括1114管腳，第二數(shù)據(jù)通道包括710管腳8，數(shù)據(jù)從10、11管腳輸入轉(zhuǎn)換成rs-232數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，

43、然后轉(zhuǎn)換成電平數(shù)據(jù)，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(shè)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(shè)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(shè)計設(shè)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(shù)據(jù)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(yīng)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(diào)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?shù)裙δ?。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(shè)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(fù)位/片選線，由rst輸入驅(qū)動，提供高電平然后啟動芯片進行工作，開始傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫保護數(shù)據(jù)可以寫入第6位讀取日歷時鐘數(shù)據(jù)讀取ram數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫操作數(shù)據(jù)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(jié) 本章主要詳細的介紹了硬件部分局部的總體設(shè)計。隨著人們生活水平的提高和社會的飛速發(fā)展，rfid技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用會更加需要，因此射頻技術(shù)在智能家居中的應(yīng)

46、用將成為人們不得不考慮的一方面，本設(shè)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(shè)計的基本要求。4 軟件的設(shè)計 軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，在一定的硬件電路基礎(chǔ)上，加上相應(yīng)的軟件，才可以實現(xiàn)相關(guān)的功能。在這部分設(shè)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(shè)計。軟件設(shè)計需要配合硬件完成，以保證其穩(wěn)定運行。 4.1軟件設(shè)計總體方案 4.1.1軟件設(shè)計方法與設(shè)計語言選擇 模塊化設(shè)計的核心思想是要把一個復(fù)雜的程序按其各部分的

47、功能劃分為若干模塊，設(shè)計完成后，各模塊的設(shè)計、編程、調(diào)試和查錯獨立互不影響，最后實現(xiàn)個模塊之間的聯(lián)調(diào)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(shè)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(shè)計，完成精度要求，最終完成整體程序。 結(jié)構(gòu)化設(shè)計是一種理想狀態(tài)的設(shè)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(diào)性。本次畢業(yè)設(shè)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(shè)計思想，各個模塊獨立編譯、調(diào)試、運行。c語言程序的庫支持非常豐富、具有良好的結(jié)構(gòu)化特點、容易查找錯誤、可移植性高、可讀性高，實現(xiàn)容易，所以整個設(shè)計均采用

48、c語言作為設(shè)計的程序編寫語言。 因為設(shè)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(shè)計。4.1.2射頻模塊軟件設(shè)計總體方案（1） 數(shù)據(jù)采集模塊：mfrc522在連接天線的協(xié)助下讀取rfid卡的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳 送出去（2） 數(shù)據(jù)處理模塊：stc11f32xe單片機處理來自射頻讀卡器的數(shù)據(jù)，并完成顯示數(shù)據(jù)傳 輸?shù)裙δ?。?）顯示模塊：stc11f32xe接收到數(shù)據(jù)后，將通過數(shù)據(jù)處理完并在12864上予以顯示。（4）報警模塊：stc11f32xe接收到數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換以實現(xiàn)對卡注冊、讀卡、溫度變換的四種操 作。（6）串口通信：將預(yù)設(shè)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(shè)計（1） 串口通信：串口實時檢測來自射頻部分的信號，當有數(shù)據(jù)時采用中斷接受發(fā)送數(shù)據(jù)， 并交付單片機處理。（2） 數(shù)據(jù)采集模塊：單片機收到來自串口的數(shù)據(jù)后初始化溫度傳感器mcp9801采集，采 集當前房間溫度。（3）數(shù)據(jù)處理模塊：單片機收到溫度傳感器和串口數(shù)據(jù)后進行比對，然后做出相應(yīng)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(shè)計的基礎(chǔ)，讀卡器的軟硬件設(shè)計是本次設(shè)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(fù)位rfid_aerialoff(); /天線關(guān)閉rfid_aerialon(); /天線開啟mfrc_type(a); /設(shè)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(fù)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(shè)計中采用函數(shù)voidpcd_contpro(void)對射頻卡進行卡操作，其中包括了對預(yù)設(shè)溫度以及

51、其相關(guān)操作。rfid_rebcon(uchar*psn); /進行防沖撞檢測 rfid_cho(uchar*psn); /函數(shù)進行卡選擇 以上兩個函數(shù)只有一個參數(shù)，即指針變量psn，指針指向數(shù)組，卡片序列號存儲在參數(shù)psnout中，共4字節(jié)，兩個函數(shù)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(shù)有四個參數(shù)，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(shù)據(jù) rfid_read(ucharaddr,uchar*pdata);/向卡寫數(shù)據(jù) 這兩個函數(shù)是卡的讀寫操作函數(shù)，每個函數(shù)均有兩個參數(shù)，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(shù)據(jù)，共16字節(jié)，如果函數(shù)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(shù)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(shù)參數(shù)為寄存器地址addrin，函數(shù)返回值為讀出的值；寫寄存器函數(shù)參數(shù)addrin為寄存器地址，valuein為要寫入的值；寄存器置位/清零函數(shù)參數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)