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基于RFID开放式智能家居控制系统设计
摘要
智能家居（SmartHome），这一概念起源微软的智能家居体系，其基本要求是以个人住宅为信息化设计的平台，将通常意义上的建筑设计成具备网络通信、自动化控制、智能管理的完整系统，同时要保证满足环境友好的要求，突出能源优化方案以及整个系统体系的安全性。
射频识别系统RFID（RadioFrequencyIDentification，射频识别）是近几年新型的一种识别技术，其具有非接触性、读写速度快、反应灵敏、识别率高等多重优点，广泛应用与门禁、物联网等领域。
本次设计的主要目标是完成基于RFID的智能家居设计，实现身份识别、预设温度的设定以及室温的检测调整功能。
设计整体上分成射频识别和温度检测两大模块。
（1）设计目标是是完成基于RFID的智能家居系统模型的总体设计方案，设计中MFRC522为识别核心，结合增强型STC单片机，液晶显示器的射频读卡模块设计，设计中给出了具体实现的电路图、PCB电路板以及与射频相关的程序代码。
实现读取卡片信息、住户身份识别、住户预设温度与卡信息绑定等功能
（2）设计温度检测与控制模块，设计采用MCP9801作为温度传感器，结合AT89C52、液晶显示器、DS1302芯片、RS232串口设计等部分，做了电路的仿真。
由温度传感器和单片微控制器电路结合，以实现房间温度的检测与调控的功能。
完成整体电路设计，实现基本功能并做出相应电路原理图，同时给出与硬件设计相关的主要代码。
（3）完成整体设计，发现设计不足，为今后继续研究提供有效数据。
设计需要分析目前存在的诸多问题，同时找出与之相关的解决方案。
对于目前尚无法解决的问题，认真做了记录，以便未来可以继续研究。
关键词：
智能家居；射频识别；温度传感器；MFRC522；MCP9801
第一章绪论
1.1课题设计背景与意义
1.1.1课题背景
早在21世纪初中国就提出了物联网这个概念。
当时对其进行的定义是：
通过RFID（RadioFrequencyIDentification，射频识别）系统、GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位）、无线传感器网络等信息传感设备，按照安其各自的通信协议，把与生活息息相关的物品数字化，并且将其联入互联网与，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。
随着“十二五”的到来，在中国物联网的发展也将进入了关键时期，同时中国在未来面对跟多的全球化竞争合作，在信息产业，物联网应“初步形成产业体系完整、创新能力增强、应用水平提升、网络信息安全的良性发展格局”。
作为物联网当前应用领域之一的智能家居系统是与大众生活最密切相关也是最容易部署实施的物联网应用体系。
智能家居有很多部分组成，它包括门禁、对讲、安防、视频监视、通风系统、空气透析系统、智能窗、煤气泄漏感应器、烟雾探测感应器、插座、灯光控制开关、空调、风雨感应器、SOS紧急求助按键、电视等等。
与智能家居相关性最大的行业莫过于是楼宇建筑行业，因为要具备基本的通讯、门禁对讲等功能，并考虑到物业公司为小区业主或写字楼客户提供相关的服务以及自身的收费需要，在楼宇建设的前期，即需要规划考虑与智能家居相关的综合布线、通信接入、物业管理网络、安防报警网络等等。
而与智能家居直接相关的最基本技术便是RFID射频识别技术，其作为智能家居的最基础的核心【1】，现在越来越多的进入科技人员的视野，也越来越受到从芯片制作、算法设计到相关配套电路设计的工程技术人员的追捧。
1.1.2课题研究意义
智能家居研究意义深远，其中不仅涉及到常规意义上的满足舒适生活的要求，智能家居更担负着新经济的复兴、推动新兴产业崛起以及节能减排等事关国计民生的大担子。
智能家居的发展涉及到算法控制、软硬件设计、网络支持等多个行业，几乎涉及到IT（InformationTechnology，信息技术）行业的方方面面，其中作为网络支持的运营商，更是有了拓展其业务增长的新领域。
在运营商看来，基于RFID的智能家居系统，无疑是给从电信运营服务商转型成为全方位的服务商提供了非常好的契机。
通过这一战略的实施，目前的电信运营商至少将在将在如下几个方面获益：
（1）从传统意义上的逐门逐户发展，转向以整栋楼宇甚至整个小区为基本单位的发展模式
（2）除现有的基础电信增值营商将有机会把语音、数据、视频的多项业务进行绑定，提供Tripleplay（三网合一）业务。
（3）一次性的基础建设投入，将有更为长久的收益，未来可以继续通过网关，后台部署的云服务器，持续提供增值服务
（4）智能家居可以将固定电话、移动终端与家庭安防对讲等多项同时绑定在一起，实现“保固话、争移动、提高ARPU（AverageRevenuePerUser，平均每户收入）值”的经营目标。
1.4课题相关技术与解决方案
1.4.1射频识别技术原理
射频识别系统通常由读卡器和射频卡组成的。
其中，读卡器通常作为终端的,读卡器主要功能是用来对射频卡进行数据读写，其主要分为主控模块、高频射频通讯模块和射频天线等部分。
图1.1常规射频系统结构功能图
1.4.3射频识别系统的典型结构
图1.3射频识别系统标准功能框图
图1.3为一个标准的RFID系统的工作流程图[5]，此系统为无源式被动射频识别系统，整个系统的能量来自于读卡器的电源。
（1）RFID读卡器在某一空间区域内发射信号产生一个空间电磁场区，电磁场大小由芯片的功率密度、频段和耦合天线的面积决定。
（2）当有符合标准的射频卡进入这个电磁场区，射频卡接受脉冲信号产生耦合电流，经过整流桥稳压后产生整个系统稳定工作的能量。
（3）系统数据解调器将来自线圈的脉冲信号进行调制解调，并将的道德数据发送给逻辑与控制单元，同时将得到的数据在E2PROM中进行存储。
（4）需要数据发送时，控制逻辑模块从E2PROM中读取数据，经过数据解调模块解码，进行发送。
（5）读卡器接到来自数据解码模块的数据后，进行相应处理，同时进行校验和协议匹配，得到最终有效数据。
第二章系统总体设计概述
本章主要系统介绍整个平台的总体设计方案，其中包括软硬件平台的设计方案及模块的功能分析。
整个设计的需求分析以及解决方案也会在这一部分完成。
在整体分析的基础上，本章将涉及设计所需的技术、相关的元器件选择原则以及如何安排设计等方面的内容。
为了更加适合相关内容的编写，论文将采用总体的到局部、从上至下的设计。
2.1系统总体设计方案
根据整个系统分析与需求分析，整个系统分为如下几个模块，分别是：
由RFID射频卡和RFID读卡器共同构成的数据采集模块，数据处理模块，温度检测模块，显示模块，串口发送/接收模块，按键模块。
各个模块的具体作用如下：
（1）数据采集模块：
当有符合14443标准的近距离射频卡进入到读卡器卡范围时，RFID读卡器启动扫描卡号。
（2）数据处理模块：
基于增强型51内核单片机的控制部分，负责处理射频读卡器传送的数据以及其他信号处理
（3）温度检测模块：
用于检测当前温度，并对对应相关卡号进行操作
（4）显示模块：
用来接收单片机发送的数据，进行相应处理后予以在LCD上显示，包括一块1602和一块12864
（5）串口发送/接收模块：
主要用来通过串口发送和接收数据
（6）按键模块：
用于输入操作以及复位操作
图2.1系统总体设计模块
2.2系统硬件设计
系统硬件设计分为两个部分，分别是射频模块和温度检测模块。
温度检测主要由AT89C52主控芯片、基于IIC总线的MCP9801、DS1302始终芯片组成。
硬件电路由五部分构成：
微控制器AT89C52、LCD1602显示、串口通信MAX232、按键电路、DS1302时钟电路等部分。
微控制器AT89C52负责整个系统的控制操作。
中控芯片负责系统初始化，驱动各个模块以及协调控制。
按键按下时温度检测模块检测当前温度，通过单片机输出到1602液晶显示器上。
1302通过单片机在液晶屏上显示当前时间，同时当串口有数据微控器负责匹配当前温度。
射频模块主要由STC11F32XE单片机、LCD12864显示、RC522射频读卡器组成。
硬件电路包括微控制器、LCD显示器、射频读卡器、串口、按键等部分。
当读卡器检测到有M1卡进入读卡范围时，便读取卡号传送给单片机，有单片机驱动在LCD12864上进行显示，同时将温度信息传输给温度检测模块，增强型的STC单片机通过与读卡器的SPI总线连接，通过模拟SPI时序实现数据通信。
2.3系统软件设计
软件主要实现数据的采集，数据的分析，模块之间的通信，以及相应的数据处理。
系统软件部分通过C语言编写，编译工具采用Keil和STC-ISP下载。
系统软件设计分为射频模块和温度检测模块两部分。
温度模块：
（1）数据采集：
MCP9801检测当前温度，通过IIC控制器传送给单片机，单片机负责处理相应数据，包括温度时间等。
（2）数据分析：
AT89C52接收到数据后，将数据进行相应处理传送个液晶屏。
（3）模块之间的通信：
微控器与MCP9801/DS1302之间的通信都是通过模拟I2C总线进行的，I2C总线的高效性、高实用性、高可靠性数据传输增强了系统的实时性和可靠性。
（4）数据处理：
针对数据的采集和分析的结果做出相应的处理，例如显示等。
射频模块：
（5）数据采集：
读卡器RC522通过耦合天线读取符合14443协议的RFID卡的数据，然后将数据通过SPI总线时序传送出去。
（6）数据分析：
STC11F32XE接收到数据后，将数据进行相应处理传送个液晶屏和温度主控模块
（7）模块之间的通信：
微控器与射频读卡器之间的通信都是通过模拟SPI总线进行的，SPI总线传输增强了系统的实时性和可靠性。
（8）数据处理：
针对数据的采集和分析的结果做出相应的处理，例如显示等。
2.4本章小结
总体设计阶段，大致给出了系统的硬件功能模块和软件功能模块，并且在此分析基础上做出了整个设计出的具体的、可以满足本系统全部需求和要求的子模块，以实现以后的设计中的模块化进行，为整体设计带来方便，简化工作程序。
第三章系统硬件详细设计
硬件是整个系统运行的基础，硬件的可靠性与稳定性也直接影响到整个系统的可靠运行。
此外，硬件设计相对与软件成本显得格外重要，因此，如何综合性价比选出合适硬件设备来组建平台就成了一个关键问题。
最终目标是硬件选择要为软件运行搭建合适合理的系统构架。
本章主要讲述硬件的具体设计方案，其中涉及硬件平台构架、元器件选择、以及详细的设计方案。
3.1硬件设计总体方案
整个设计中的电路通过仿真和部分实物的形式构成，其中温度检测控制部分采用仿真形式，电路的仿真设计软件使用Protues7.7，RFID读卡器以及其相应的电路部分因无法仿真，采用实际电路，电路设计以及PCB版图设计使用AltiumDesigner10设计。
3.1.1温度检测模块硬件设计总体方案
温度检测主要由AT89C52主控芯片、基于IIC总线的MCP9801、DS1302始终芯片组成。
硬件电路由五部分构成：
微控制器AT89C52、LCD1602显示、串口通信MAX232、按键电路、DS1302时钟电路等部分。
温度检测模块总体设计框图如图3.1所示：
图3.1温度检测模块总体设计框图
3.1.2射频模块硬件设计总体方案
射频模块主要由STC11F32XE单片机、LCD12864显示、RC522射频读卡器组成。
硬件电路包括微控制器、LCD显示器、射频读卡器、串口、按键等。
射频识别模块总体设计框图如图3.2所示：
图3.2射频识别模块总体设计框图
3.2各模块电路设计分析
针对于本系统的要求，现将电路的设计分为以下几个方面进行详细的设计，并说明设计的利弊。
总体设计方案参见附录图纸。
3.2.1元器件选择
通过多方调研考证，充分考虑性价比的前提下，在本次设计中我选择最容易实现产品指标的元件。
（1）主控芯片：
AT89C52、STC11F32XE
（2）射频读卡器：
MFRC522
（3）温度检测：
MCP9801
（4）始终芯片：
DS1302
（5）LCD液晶：
ZL1602C2、ZYMG12864
（6）串口通讯芯片：
MAX232
（7）其他：
蜂鸣器、晶振、电阻、电容、按键、LED若干
3.2.2读卡器电路设计
本部分设计应用宏晶公司的STC11F32XE单片机。
STC11F32XE是STC公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含32KB的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令集，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，同时在标准的51单片机扩展了P4口，使功能比常规51系列单片机更加强大。
STC11F32XE提供以下标准功能：
32K字节Flash交速存储器，集成1280字节片内RAM数据存储器超强抗干扰，超强抗静电，单片机内部EPROM可以保证在2万伏静电电压情况下稳定运行，其擦写可以超过10万次，运行速度快，具备32个I/O口，1个时钟/机器周期，采用了增强型的51内核，其运行速度超过常规80C51速度的8～12倍，STC11F32XE的复位脚烧录程序时如设置为I/O口，可以当作为I/O口使用或者使其悬空。
机内具备2个16位定时器。
STC11F32XE单片机的优势在于兼容普通80C51的定时器T0/T1，I/O口多，最多有40个I/O，复位脚如当I/O口使用，可省去外部复位电路。
具有外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置加密性强，无法解密，采用了宏晶科技的第六代最新加密技术。
STC11F32XE单片机一个时钟/机器周期内，可用低频晶振，大幅降低EMI（电磁干扰）是芯片更具稳定性。
机内有1个独立波特率发生器（因此便无需使用定时器T2做波特率发生器），缺省是T1做波特率发生器，保证其超低功耗，芯片内置硬件看门狗（WDT），此外整个STC11xx系列单片机还额外添加了用于掉电唤醒的专用定时器。
STC11F32XE采用44管脚的PLCC封装，如图3.3所示
图3.3PLCC44封装的STC11F32XE
本设计通过STC11F32XE控制读卡器进行数据的采集，设计的电路原理图如图3.4所示：
（a）（b）
图3.4STC11F32XE与射频芯片连接原理图
（a）单片机部分（b）MFRC522射频芯片部分
设计中单片机与读卡芯片之间通过排针相连，单片机P0.5\P0.6\P0.7\P4.1\P2.6分别用于与射频芯片的SDA\SCK\MOSI\MISO\RST相连，分别为数据、时钟线、主数据输入、主数据输出、复位功能。
设计中采用的MFRC522是采用的被动式非接触半双工通信模式，工作频段为13.56MHz，具备高集成度、低成本的优势。
设计公司为NXP公司，其主要针对嵌入式三表设计而成，适合各种中小型设备、便携式设备，也是未来小体积智能仪表的的理想选择之一。
MFRC522的采用最新的设计手段，其利用较新型的调制解调模式，无源设计，13.56MHz中低频段，在电路设计时无需考虑高频信号影响，优势较为明显。
芯片采用国际标准的ISO14443的A型通信协议，支持该标准的多层协议应用，同时兼容B型卡协议。
MFRC522内置数据发送器，数据发送电路主要由耦合天线驱动电路驱动器以及支持ISO14443A/MIFARE®协议射频卡读卡应答处理机组成，在设计中无需添加其他外围辅助电路即可实现读卡功能。
而在射频读卡与接收电路部分，读卡芯片内部提供稳定高效的编解码电路，其编解码能力较为突出，速度较快，编解码器可以用基于ISO14443的A/B两种型号射频的的脉冲信号编译。
芯片内置数字信号处理单元，其主要用于兼容性卡片的帧处理和容错检测，其中容错检测基于奇偶校验和CRC循环校验。
除此之外，射频芯片支持加密功能，加密方法为它CRYPTO1算法，具有加密解密速度快的有点，加密算法主要用于兼容MIFARE®的产品协议校验。
设计中采用的读卡芯片支持基于MIFARE®协议的更高速半双工通信模式，其双向通信最高可以达到424kbit/s。
MFRC522是之前RC500系列的延续，字作为工作频段在13.56MHz的最新新型读卡芯片，在设计上做了诸多改进，其中通信方式多样化则是其比RC500系列其他芯片的巨大优势，RC522采用兼容包括串口、SPI总线、I2C总线的多种通信模式，通过接线方式以及功能管脚的锁定可以实现用于不同地方的灵活选择。
多种通信协议的搭配可以实现在电路设计的最优化方案，例如减少与主控芯片的连线数，控制PCB版图的大小等。
MFRC522支持多种主机接口，分别是：
（1）10Mbit/s的SPI接口
（2）I2C接口，快速模式的速率为400kbit/s，高速模式的速率为3400kbit/s
（3）串行UART，传输速率高达1228.8kbit/s，帧取决于RS232接口，电压电平取决于提供的管脚电压
MFRC522功能框图如图3.5所示。
图3.5MFRCC522内部框图
由上述框图可以得知，MFRC522可以用多种方式与MCU相连，在每次上电或硬件复位后，MFRC522也复位其接口模式并检测当前微处理器的接口类型。
MFRC522在复位阶段后根据控制脚的逻辑电平识别微处理器接口。
这是由固定管脚连接的组合和一个专门的初始化程序实现的。
MFRC522管脚配置方式如表3.1所示：
表3.1MFRC522通信方式配置
引脚名称
UART方式
SPI方式
IIC方式
SDA
RX
NSS
SDA
IIC
L
L
H
EA
L
H
EA
D7
TX
MISO
SCL
D6
MX
MOSI
ADR_0
D5
DYRQ
SCK
ADR_1
D4
-
-
ADR_2
D3
-
-
ADR_3
D2
-
-
ADR_4
D1
-
-
ADR_5
从时序图上可以看出主器件的输出口（MOSI）输出的数据bit1，在时钟的前沿被从器件采样，那主器件对出bit1进行采样，输出时刻实际上在SCK信号有效以前，比SCK的上升沿还要早半个时钟周期。
bit1的输出时刻与SSEL信号没有关系。
再来看从器件，主器件的输入口MISO同样是在时钟的前沿采样从器件输出的bit1的。
从器件是在SSEL信号有效后，立即输出bit1，尽管此时SCK信号还没有起效。
其中MFRC522读卡器实物PCB如图3.6。
图3.6读卡器实物PCB实物图
3.2.3MFRC522匹配电路和天线设计
设计中采用的MFRC522是MFRC500系列的产品之一，芯片最为一个高集成度电路具有独立的读卡、校验、加密功能。
MFRC500系列外围电路设计具有较多相似之处，其设计基本要求是不在芯片外部使用独立放大电路是可以实现10cm以上的通信，这样就为外围无源射频电路设计提供条件。
在耦合天线的设计[6]上，MFRC522为满足不同的设计应用，通常给设计者提供两种解决方案：
（1）直接匹配的天线：
在不使用外置放大电路的情况下，采用射频读卡芯片外加耦合天线来组成最小系统，其系统的有效访问距离便是芯片的最小有效距离，小于10cm，这样组成的终端可以用来给小型建筑物搭建门禁、访问控制平台。
对于小型的智能家居系统也较为合适。
（2）500欧姆匹配天线：
可以作为读卡器和天线之间用长距离同轴电缆连接的应用的一个简单的解决方案，主要是应用于长距离传输，连接读卡器匹配电路和天线的同轴电缆最长距离可达10m。
表3.2天线概念比较
概念
500Ω匹配天线
直接匹配天线
长距离
短距离
读卡器
MFRC522
EMC电路
电路和阻值相同
接受电路
电路和阻值相同
阻抗变换
TX1\TX2
TX1
天线
电缆
500Ω同轴电缆
短线或直接连接
天线匹配电路
电路相同，但天线的大小不同值也不同
电路相同，但天线的大小不同值也不同
天线线圈
工作距离由天线的大小和环境的影响决定
工作距离由天线的大小和环境的影响决定
天线屏蔽
由应用决定，例如外壳和环境的影响
因为设计中所使用的射频全部为近距离通信，所以采用了直接天线匹配，同时满足射频部分工作频率13.56MHz。
天线整体等效为一个阻容耦合电路，MIFARE®的工作频率是13.56MHz在这个频率下，电阻的集肤效应所导致的损耗不能忽略，所以线圈不能只使用DC阻抗的原因。
图3.7天线电路设计
其等效电路如图3.8所示。
图3.8天线电路的等效电路图
天线设计的重要指标是品质因数Q，假设天线电感LANT和电阻RANT
的值已知，可以用阻抗分析仪测量LANT和RANT，如果是用公式估算出的值，要记住它们只是起始值，在确认Q因子后可能需要改变。
天线的品质因子是纠正天线调谐和所获得的性能的一个重要特性，天线的品质因子由下面的公式定义：
其中
（3.1）
根据天线的几何形状，Q的值通常在50~100之间，要进行正确的数据传输这个值还要减少。
MIFARE®的波特率是105.9kHz/sec。
数据从RWD传输到卡使用脉宽T=3µs的Miller编码。
用时间与带宽的乘积的定义：
其中
（3.2）
这样可以计算出Q的因子是：
（3.3）
根据计算值，设计中的电路天线数值取35，为了稳定电阻，可以在电路外面添加一个稳定电阻REXT，REXT的计算如下面公式：
（3.4）
3.2.4温度检测电路设计
设计中的温度检测以及相关的显示采用了protues的仿真，因为系统为模拟，从成本考虑并未做出相应的实物，同时因为所涉及的模块均已十分成熟，所以无需实物验证其可行性。
设计中采用的单片机为AT89C52，此单片机为美国著名半导体公司Atmel的经典微控制器。
AT89C52具有多重优点，其低压高性能的优势使其成为该公司应用极为广泛的产品。
机内具有8KB的EPROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，可擦除编程只读存储器），同时单片机具有256字节的随机存储器。
AT89C52采用标准的51指令系统，与常规51芯片相互兼容，片内的为8位处理器结合闪存电路可以使其适用于多重控制系统。
本设计通过AT89C52控制温度传感器进行数据的采集，设计的电路原理图如图3.9所示。
温度传感器采用美国微芯科技公司的MCP9801芯片，MicrochipTechnologyInc.（美国微芯科技公司）的MCP9800/1/2/3系列数字温度传感器可将在-55°C和+125°C范围之间的温度转换为一个数值。
在-10°C至+85°C时，精度为±1°C（最大误差）。
图3.9温度传感器电路
MCP9800/1/2/3系列温度传感器内置寄存器可用于用户的编程处理，这样的可编程器件的应用使得传感器的应用范围更加广泛。
寄存器的编程设置为分辨率设置，其分辨率可调精度最大可达到12位，最低可实现9位分辨率，传感器具有省电关断模式和单次测量模式，单次测量模式是指在传感器的关断指令下达时根据来自微控器的指令对数据进行一次转换，省电关断和单次测量均可以进行变成配置。
当传感器检测温度的变化范围超过规定上限时，传感器可以通过特定电平变化输入报警信号，其中报警信号的设置也是可以通过用户编程
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