基于射頻識別的家庭環(huán)境下多人數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計

林 航

(湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建莆田351254)

隨著科技的飛速發(fā)展，家庭環(huán)境下簡單個人數(shù)據(jù)的采集分析及控制變得容易且實(shí)用。每個家庭成員都有自己的健康數(shù)據(jù)及生活習(xí)慣數(shù)據(jù)，家庭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對家庭環(huán)境下每個人的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別采集，將不同人的數(shù)據(jù)發(fā)送到各自房間顯示終端，統(tǒng)一分析，匯總管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合。本文介紹的家庭環(huán)境下多人識別數(shù)據(jù)采集控制器，通過433M及315M無線數(shù)據(jù)交互識別，通過STC12LE5A60S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)成員的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集，通過RS485向上一級發(fā)送，由5.7英寸320×240點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時采集數(shù)據(jù)，同時根據(jù)采集的家庭成員生活習(xí)慣數(shù)據(jù)，再通過433M無線信號實(shí)現(xiàn)對家庭生活設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制。

1 系統(tǒng)組成

基于射頻識別的家庭環(huán)境下的多人數(shù)據(jù)采集控制器在整個家庭數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的功能圖見圖1， 多人數(shù)據(jù)采集控制器的安放位置位于客廳，主要采用無線射頻的交互來識別家庭的不同成員，建立藍(lán)牙聯(lián)系，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再將采集到的數(shù)據(jù)通過RS485網(wǎng)絡(luò)上傳到不同成員房間里顯示端上，每一個顯示端通過接收到的第二個地址字節(jié)來區(qū)分是否為自己需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行取舍。同時多人數(shù)據(jù)采集控制器除了可以接收各個家庭成員的身體數(shù)據(jù)，還接收其生活習(xí)慣數(shù)據(jù)，比如洗澡時間、健身時間等數(shù)據(jù)，就成員B要洗澡來講，采集B要洗澡的時間點(diǎn)和要洗的時長，先測算出熱水器的加熱時間，進(jìn)而通過433M無線射頻控制熱水器的開啟，到關(guān)閉熱水器時通過RS485網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至成員B的房間，同時在采集控制器的5.7英寸320×240點(diǎn)陣液晶顯示器和蜂鳴器進(jìn)行提醒[1]。

家庭多人數(shù)據(jù)采集控制器組成框圖見圖2，主要有室內(nèi)外的微波雷達(dá)人體感應(yīng)器(2個)、HC-06從機(jī)藍(lán)牙模塊、搖桿按鍵、433M編碼發(fā)送、315M編碼接收、1302時間模塊、RS485發(fā)送、320×240液晶顯示屏及STC12LE5A60S2單片機(jī)組成。當(dāng)家庭成員回家后，2個微波雷達(dá)人體感應(yīng)器通過先后順序判斷是否有人回來，若有人回來則讓433M發(fā)送開啟識別代碼，回家成員隨身終端接收到信號后則發(fā)送自身代碼，數(shù)據(jù)采集控制器通過改變地址編碼來循環(huán)接收終端發(fā)送的代碼，最終確定回家的成員，確定后再次通過433M無線信號發(fā)送開啟指令，完成藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收，除了在液晶屏上顯示最新的接收數(shù)據(jù)，還將數(shù)據(jù)通過RS485網(wǎng)絡(luò)上傳到回家成員相應(yīng)房間內(nèi)的顯示端上，進(jìn)行匯總顯示，包括以往的健康數(shù)據(jù)及當(dāng)前的生活習(xí)慣數(shù)據(jù)。

圖2 家庭多人數(shù)據(jù)采集控制器組成框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制電路

家庭多人數(shù)據(jù)采集控制器的主電路圖如圖3所示，主控制CPU采用STC12LE5A60S2單片機(jī)，它具有60 K程序存儲器，1 K片內(nèi)擴(kuò)展RAM，1 K片內(nèi)EEPROM，8路10位高速A/D等資源，每當(dāng)采集到最新數(shù)據(jù)便更新到片內(nèi)EEPROM，防止掉電丟失。人機(jī)顯示部分采用5.7英寸320×240點(diǎn)陣液晶顯示器，此顯示器采用帶內(nèi)置中文字庫的RA8803控制器，支持四級灰度，有比較大的顯示量，在設(shè)計中單片機(jī)根據(jù)有無檢查到家庭成員來控制液晶顯示的背光燈信號yj_led+。時鐘采用1302芯片，連接電池具有掉電保持功能。輸入端采用搖桿按鍵控制，通過單片機(jī)的P1.0和P1.2兩個模擬量輸入口快速識別搖桿的左右操作和上下操作，在設(shè)定參數(shù)方面比較靈活，單片機(jī)的P1.1輸入口接搖桿的按鍵，作為參數(shù)的設(shè)定及確認(rèn)使用。電源采用外部輸入5 V，內(nèi)部HC-06藍(lán)牙模塊需要3.3 V的電源，采用1塊AMS1117-3.3將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V提供給藍(lán)牙模塊[2]。

圖3 家庭多人數(shù)據(jù)采集控制器主電路圖

2.2 微波雷達(dá)人體感應(yīng)電路

微波雷達(dá)人體感應(yīng)電路見圖4，人體感應(yīng)模塊采用RCWL-0516微波雷達(dá)人體感應(yīng)開關(guān)，采用多普勒雷達(dá)技術(shù)，具有靈敏度高、感應(yīng)距離遠(yuǎn)、可靠性高的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的紅外感應(yīng)PIR，具有穿透探測能力。系統(tǒng)在室內(nèi)和室外各布置一個人體感應(yīng)開關(guān)，根據(jù)人體感應(yīng)信號的依次觸發(fā)順序來確定家庭成員是回家還是離家，單片機(jī)調(diào)用433M信號來觸發(fā)成員發(fā)送自身識別代碼，判斷誰回來還是誰離開。輸入采樣使用兩個中斷信號源，考慮到觸發(fā)信號有可能是高電平，電路中采用跳線帽及反相電路來滿足不同的情況，GY1和GY2的2腳是人體感應(yīng)信號。如果是低電平則直接連接TXM1和TXM2的2、3腳，將信號傳給單片機(jī)的INT0和INT1，反之則連接TXM1和TXM2的1、2腳，將信號反相后再傳到INT0和INT1。

圖4 微波雷達(dá)人體感應(yīng)電路

圖5 軟件整體流程圖

2.3 無線射頻身份識別電路

無線射頻身份識別電路見主電路圖，當(dāng)有人員變化便通過433M發(fā)射身份回送開啟信號，433M射頻信號采用固定地址(0x3cH)，成員隨身終端和家庭設(shè)備端都可以接收433M射頻指令，從0x00H到0xffH，其中0x00H是身份回送開啟信號[3]，433M信號發(fā)送受單片機(jī)2262TE端控制，STC12LE5A60S2除了基本的32個端口外，通過P4SW寄存器還可以擴(kuò)展P4.4到P4.6的端口功能，本設(shè)計開啟P4.4的端口，將433M的發(fā)送使能端2262TE連到此端口。當(dāng)需要發(fā)送時給2262TE低電平，否則給高電平，這樣可以保證發(fā)送信號的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。身份射頻信號的接收采用315M射頻信號，采用循環(huán)查詢不同地址信號的方式，查詢地址為0x1cH到0x1eH，代表成員A到C。數(shù)據(jù)位315M_D3為1，表示相應(yīng)的成員在家，否則將315M_D3置為0。如果成員數(shù)量可以相應(yīng)增加315M信號的地址位，則315M射頻信號只作為身份信號接收，只用一位數(shù)據(jù)位校驗(yàn)，身份確認(rèn)后再次向成員隨身終端發(fā)送433M藍(lán)牙開啟及數(shù)據(jù)發(fā)送信號，完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的接收[4]。

2.4 數(shù)據(jù)采樣及上傳電路

數(shù)據(jù)采樣及上傳電路見主電路圖，每個家庭成員的健康數(shù)據(jù)及生活習(xí)慣數(shù)據(jù)是在射頻身份識別后，開啟藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳送采集的，家庭多人數(shù)據(jù)采集控制器的藍(lán)牙模塊采用HC-06從機(jī)藍(lán)牙模塊，只作為數(shù)據(jù)接收端，成員隨身終端的藍(lán)牙開啟傳送和關(guān)閉指令都由433M射頻指令0x01H～0x06H控制，多名成員在家時則采用循環(huán)采集，每次只允許一個藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)上傳采用RS485網(wǎng)絡(luò)，MAX485芯片的RE端接高電平，關(guān)閉其接收功能，MAX485芯片的DE端(485SN)連接到單片機(jī)的P3.7，由單片機(jī)使能控制其發(fā)送。這樣藍(lán)牙接收和RS485數(shù)據(jù)上傳都使用串口通訊，又相互獨(dú)立。

3 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要分為系統(tǒng)各模塊初始化、成員識別及處理、搖桿按鍵處理、顯示界面處理、射頻設(shè)備控制等。整體流程見圖5。

搖桿按鍵需要采集兩路模擬信號，在模擬量查詢程序中將ADC_CONTR設(shè)置為0x88H和0x8AH，開啟P1.0和P1.2的模擬量采樣端口，根據(jù)模擬量的大小可以對應(yīng)設(shè)定參數(shù)的方向和變化頻率。

433M射頻信號的發(fā)射地址固定，由單片機(jī)對P1.3～P1.6及P4.4進(jìn)行賦值操作，315M射頻信號接收采用查詢不同地址的方式進(jìn)行程序編寫。

藍(lán)牙采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由開始特征碼、發(fā)送地址碼、數(shù)據(jù)、進(jìn)行結(jié)束特征碼、數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼構(gòu)成，這樣可以保證開啟藍(lán)牙的隨身終端所傳的是進(jìn)行確認(rèn)識別時需要接收的數(shù)據(jù)[5]。RS485網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相似，僅僅將發(fā)送地址碼改為接收地址碼。

4 結(jié)語

本設(shè)計采用射頻身份識別方案，在人員不多的家庭環(huán)境比較適合，同時根據(jù)射頻信號的特點(diǎn)，將采集器放在整套房子中間位置的客廳，可以將射頻信號穿墻傳到100多平方米套房的每個房間，能在整套房子內(nèi)進(jìn)行身份識別。經(jīng)測試，家庭多人數(shù)據(jù)采集控制器能夠很好顯示、保留最新健康數(shù)據(jù)和生活習(xí)慣數(shù)據(jù)，并能靈活地控制家庭設(shè)備。