RFID技术在智能家居中的应用毕业论文.docx

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RFID技术在智能家居中的应用毕业论文

[摘要]智能家居就是通过一个网络平台，远距离控制家中的空调，电视机，门窗等。

实现家居生活轻松、方便、有序、高效的目标。

要实现这种控制，而且要避免家居布线的繁琐及影响家庭美观的各种因素，无线技术成为人们考虑的主要方向。

而RFID技术是一种操作简单方便，经济实用的应用技术，是自动化控制的最佳选择。

它凭借快速扫描、体积小、形状多、穿透性、无屏障阅读、耐环境性、反复使用、数据读写方便、数据记忆容量大、安全等特点成为了智能家居的引领者，RFID技术是一种自动识别技术，在二十世纪末得到发展。

它是利用磁场或电磁场，它的识别过程是通过无线射频方式进行数据交换，而且是非接触的双向通信。

可识别高速运转的物体并且可以一次识别多个通信信号[6]。

与先有的识别技术相比，RFID技术在进行信号读入的过程中避免了直接接触、光学可视、人工干预等繁琐的程序，应用方便快捷[7]。

本文主要对RFID技术在智能家居中的应用做了主要阐述。

主要是实现对温度的控制，分别从温度检测和射频识别两部分进行论述。

[关键字]智能化家居；RFID技术；温度检测；无线技术

[Abstract]：

Smarthomeisthroughanonlineplatform,remotecontrolhomeairconditioners,televisions,doorsandwindows.Achievehomelifeeasy,convenient,orderlyandefficientgoals.Toachievethiscontrol,butalsotoavoidthetedioushomewiringandhomeaestheticvariousfactors,wirelesstechnologyhasbecomethemaindirectionofpeopletoconsider.TheRFIDtechnologyisasimple,economicalandpracticalapplicationoftechnology,isthebestchoiceforautomatedcontrol.Withitsquickscan,smallsize,shapeandmorepenetrating,nobarriertoreading,environmentalresistance,repeateduse,easytoreadandwritedata,largedatamemorycapacity,andsecurityfeaturestobecomealeaderinsmarthome,RFIDtechnologyisanautomaticidentificationtechnology,developedinthetwentiethcentury.Itistheuseofmagneticorelectromagneticfield,istheprocessbywhichtheradiofrequencyidentificationdataexchangemodeandanon-contactbidirectionalcommunication.Canidentifyobjectsathighspeedandcanidentifyapluralityofcommunicationsignals.Comparedwithconventionalidentificationtechnology,RFIDtechnologyduringthesignalreadingprocesstoavoiddirectcontactwiththeopticalvisual,manualinterventioncumbersomeprocedures,convenientapplication.

      ThispaperfocusesonRFIDtechnologyinthesmarthomeapplicationmade​​mainlyelaborated.Mainlytoachievetemperaturecontrol,arediscussedseparatelyfromthetemperaturedetectingportionandtworadiofrequencyidentification.

[Keywords]：

Intelligenthome；RFIDtechnology；temperaturedetection；wirelesstechnology

1绪论

1.1研究的意义

从古至今，安全、安逸、高效的居住环境是人们一直向往的，随着电子计算机技术的发展，人们的生活质量飞速提高，现有的生活条件越来越无法满足人们的需求了，达到家庭智能化是当今IT产业的主要研究方向，因此提出了各种关于家庭的自动化，智能化等新概念，随着房地产的发展，人们生活节奏的加快，每个在外面工作了一天的人回到家都想有一个轻松地环境，回到家后坐在沙发上，打开电视机，选择一个温馨舒适的灯光；不想错过精彩的电视节目，但又想关掉客厅窗帘，想把空调的温度调高；回到卧室躺在床上昏昏欲睡时，发现客厅的灯没有关，厨房的通风窗户没有关；做饭时有人来访，为客人打开安全门，上了一天的班，回到家中一进门都想有一间温暖的房子，而不是还要苦苦等待把空调打开，等上一段时间才会调整到适合自己的温度等。

我们可以通过一种家居网络系统将家居智能化来达到这种生活状态。

智能家居是人们对家居生活的一个新挑战，它能够给人们提供更为轻便、有序、高效的生活形式，同时为了减少布线的繁琐以及布线对家庭美观的影响，无线网络是我们不得不考虑的一种方式。

RFID技术是解决上述问题的最好方法。

1.2国内外研究现状

经研究发现，全球范围内美国政府大力支持使用RFID技术，在这种形式下，在RFID程序、软件硬件等几方面，美国做出了非常卓越的成绩，带动着全世界向前发展。

欧洲在这方面紧随美国的标准，欧洲使用封闭系统这一方向进本与美国保持一致。

日本只是在自己国家的生产厂家的建议下才制定了UID标准，要想使此标准国际化还需要做出更大的努力。

韩国政府开始重视RFID技术，重视的程度也越来越高，只是到现在为止在RFID标准的概念还是模糊不清。

当前，RFID产品在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家相对来说比较成熟[8]。

从全世界产业布局分析，当前欧美市场是RFID产业的主要集中地，那里的RFID技术应用相对来说比较成熟[9]。

总体看来，智能化家居技术在二十世纪九十年代后期才开始在中国研发，在起步上落后于其他国家，技术水平发展不平衡，软件功能相对来说比较弱，升级能力有待提高，系统维护实施起来比较困难，并且多数应用了有线通信，系统的设计、布线的设计造成的成本相对来说较高，而应用无线通信技术的智能家居系统当前还在实验测试阶段。

事实上，自动识别技术是发展的比较早的。

二十世纪六十年代时期，RFID射频识别技术在理论理论上已经有了发展，而且开始在应用方面试图做出突破。

20世纪90年代起，商业界已经开始应用这项技术。

这项技术发展很长一段时间后，在13.56MHZ之内的频段范围内发展的比较成熟了。

目前人们最关注的RFID技术在中高频段的有所突破。

在RFID产品与系统测试这一方面，中国相对来说在关于非接触卡的的测试与应用方面完成的比较成熟，目前已经建立了一批比较权威的测试机构，而且已经形成了较为完善的的测试流程和规范，在用于识别的电子标签性能测试和标准验证方面，国内刚刚起步，目前主要分散在产品的生产厂家，测试不够系统而且缺乏统一的测试环境，一般都是针对某一个具体的项目，而进行的，事实上我们要在RFID领域保持与世界先进技术同步的地位，开展相应的研究势在必行。

目前国内外对于测试技术方面的工作主要是从产品的实用性及应用效果开展的，其特点是RFID应用的模式是理想化的或者典型化的。

对于测试和评价各种产品和数据标准这一工作的展开，一些大学和研究机构，如中国科学院自动化研究所、上海复旦大学、信息产业部中国标准化技术研究所、电子工业标准化研究所等相关机构开展了RFID应用测评中心的建设工作[1]。

2RFID技术的理论概述

2.1RFID技术的基本概述

2.1.1RFID技术的基本概念

RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）自动识别目标射频信号，并且获得相应的数据，不需人工操作，能够在极差的环境下工作[10]。

第二章可以在沾满灰尘油渍的地方代替条形码而进行工作。

运动速度非常快的物体都不会影响RFID技术的识别功能，而且可以几个标签一起识别。

2.1.2RFID自动识别技术的优点及特点

1）快速扫描

RFID技术的读写器可以同时读取多个电子标签，加快了扫描速度[11]。

2）体积小型化、形状多样化

读取纸张的的尺寸大小、形状不会影响RFID读取的精确度，而且RFID技术的电

子标签的设计大小将趋于小型化、形状将趋于多样化，以方便多种产品的使用[12]。

3）抗污染能力和耐久力

传统的条形码是纸张，而且多用于物体外部，容易污染破损，使用起来对环境的

要求极高，但RFID技术电子标签的使用可以排除这种顾虑，电子标签将这些数据保存

在芯片中，不容易接触外部环境，不易污染破损。

4）可重复使用

条形码上的信息一经印刷就不能再进行更改，而电子标签上数据可以根据需要进

行删减和更改来满足人们的需求，这种重复使用的特点降低了成本。

5.）穿透性和无屏障阅读

条形码只能近距离扫描并且是在无遮蔽物的条件下进行扫描，而RFID扫描可以

穿透遮蔽物进行扫描，这样可以扫描被遮盖的物体。

6）数据的记忆容量大

RFID储存数兆字节的内容，数据容量也在记忆载体不断开发的情形下趋于扩大化。

未来物体所需承载的信息量会越来越大，这就造成对标签的容量需求越来越大。

2.2电子标签

2.2.1电子标签的介绍

电子标签是以集成电路芯片为基础的电子数据载体，它包括射频部分、天线、控制电路几部分组成。

电子标签的主要组成部分

（1）天线：

用于电子标签与读写器进行数据交换从而完成工作。

（2）电压调节器：

把接收的射频信号转变为直流电源，并通过电容、稳压电路的调

节输出稳定的直流电源。

（3）调制器：

在天线的帮助下给读写器发送调制好的数据。

（4）解调器：

将载波去除分解出真正的调制信号。

（5）逻辑控制电源：

将读写器中的数据进行解码。

（6）储存单元：

包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。

2.2.2电子标签的分类

1）按供电方式分类

根据电源是不是由标签自己提供可以将电子标签分成有源标签、无源标签两种，

有源电子标签内部带有电源，其优点是工作距离远，但由于自身携带电源的原因，其

制作体积大，成本高，而且电池的寿命会影响电子标签的使用寿命。

无源电子标签内

部不含电源，其优点是制作体积小，质量轻，成本比较低，但是运行的能量必须由RFID

的读写设备提供，这就要求RFID的读写设备能够提供较大的功率。

2）根据电子标签的工作频率分类

每种电子标签都有自己固定的工作频率，根据按照低频、中高频、超高频、微波

几个频段将电子标签进行分类。

30-300KHZ频段是低频电子标签的工作范围，其中

125KHZ、133KHZ这两种频率经常被使用，工作在这一频率范围内的电子标签保存数

据量小，阅读距离小，其阅读距离一般是1米以内，成本相对比较低。

3MHZ-30MHZ

频率范围属于中高频段，13.56MHZ是经常被使用的频率。

该频段的电子标签数据保存

量大，但工作距离相对较远，一般为4-6m，最大可达10m以上，而且成本也不高，相

对来说比较实用。

微波频段常用的工作频率范围是：

433.92MHZ，862（902）-928MHZ，

2.45GHZ，5.8GHZ。

一般用于远距离识别或者高速移动物体的识别。

3）根据电子标签的封装形式分类

电子标签的使用会受到工作条件制作成本等因素的影响，这就造成了使用者会对

电子标签的形状有不同的需求，电子标签可以根据它的封装形式将电子标签进行分类。

2.2.3电子标签的工作过程

电子标签接收到来自读写器的查找信号，再将这一信号分解成两部分，一部分整流为直流电源，提供电路工作所需的能量，另一部分经过电子标签的调制后在发射给读写器[13]。

2.3读写器器的基本介绍介绍

读写器可以读取电子标签上的数据，显示电子标签上的内容，也可以将数据写入电子标签，它与计算机网络联系在一起共同完成对电子标签的控制过程。

读写器作为RFID系统的最重要的部分，对RFID系统的工作频率起着决定性的作用。

1、读写器由软件和硬件两部分组成。

读写器的软件部分是控制整个读写器，所有的活动都是由软件控制的，软件发出指令后，读写器跟电电子标签就会通过程序建立起协作的关系，共同完成软件发出的指令。

软件系统已经有生产厂家固定在读写器中，不可更改，主要控制天线的发射信号，决定读写器的工作状态、负责数据输送、负责数据交换命令。

读写器的硬件组成部分主要包括天线、射频模块、控制模块、接口四部分组成[14]。

2、控制模块

ASIC组件和微处理器组构成了RFID的控制模块，读写器与电子标签进行数据交换

时，如果对数据进行加密可以减少处理器的工作量，而数据的加密工作主要由ASIC组

件负责，微处理器是控制模块的核心部件，它的主要工作是存取ASIC。

控制模块的主要功能

（1）应用软件的命令有控制模块执行。

（2）控制与电子签的通信过程。

（3）对信号进行编码与解码。

（4）执行方冲突算法。

（5）对电子标签与读写器之间的数据进行加密与解密。

（6）对电子标签与读写器之间进行身份验证。

3、射频模块

电子标签发射的信号被射频模块接收后在进行解调。

发射电路会通过天线将进一

步处理控制模块的处理过的基带信号发送给电子标签。

发射电路主要由调制电路、上

变频混频器、带通滤波器、功率放大器几部分构成[16]。

天线收到的调制信号经过接收电路解调成基带信号再发回读写器的控制部分。

接收

器主要由滤波器、放大器、混频器、电压比较器几部分组成，用来完成包络产生和检

波的功能。

4、接口

接口主要负责实现读写器的控制模块与应用软件之间进行数据交换。

接口可以采用

RS-232、RS-485、USB2.0、WLAN接口[17]。

5、天线

读写器与电子标签之间的数据交换主要靠天线来完成，当信息以电磁波的形式在

空中传播时，发出和接收电磁波都是通过天线实现的。

读写器的整个工作过程

读写器的应用软件中的数据通过读写器的接口与控制模块进行数据交换，控制模块将

接收到数据进行处理并将处理后的数据通过射频模块传给读写器的天线，由天线发射出去。

2.4RFID中间件

2.4.1中间件的基本介绍

中间件做为RFID系统的独立部分，负责管理资源和无线通信。

RFID中间件为应用程序提供数据接口，为读写器读取电子标签数据提供接口，这样可以减少电子标签上的储存数据发生变化或者应用程序发生变化时所带来的麻烦。

2.4.2中间件的主要功能

1）阅读器协调控制

RFID中间件接口的应用为用户直接控制读写器提供了方便直，一些研究者研究发

明了直接插上就可以应用的阅读器，为用户应用新的读写器时减少了重新添加程序代

码的烦恼。

2）数据过滤与处理

中间件可以通过一定的程序对电子标签发出的错误信息或者产生的多余数据进修

改，中间件也可以避免读写器与电子标签之间当标签信息发生错误或者产生多与数据

时，中间件可以通过一定算法多对一情况发生，这样提高了阅读器读取数据的准确率。

3）数据路由与集成

RFID中间件决定数据的去向，RFID中间件可以与企业现有的软件联系在一起,具有

储存数据的功能，可以给各个应用系统提供不同的批次，提供数据的路由与集成。

2.5RFID应用系统软件

根据行业需求开发了RFID系统的应用系统，根据需求来阅读电子标签上的相关信息，集中将这些信息进行统计，并作出处理。

2.6本章小结

本章主要介绍了RFID技术的概念、原理及其优点，也对RFID技术的读写器、电子标签、中间件、及系统软件四部分做了详细的解释，通过本章的学习可以更好了解这一技术，从而为实验设计提供了良好的基础。

3硬件部分的设计

这一章主要介绍了本设计的硬件部分的工作原理及设计方案，为软件的运行提供了基本结构框架。

3.1读卡器的工作原理

MCU会出命令，这些命令被读卡器接收，当芯片接收到命令后就会在周围进行寻卡运动，此时天线和他内部电路就会辅助芯片进行寻卡，他们会调制一些固定信号，并向附近发出这些信号，当找到卡片后，电磁波就会刺激到卡片内的LC谐振电路从而产生共振，再配合电压泵的作用不断地产生能量，并储存在电容中，当电压达到2V时，就可以给作为卡片的电源并提供电路运转所需的电压。

当MCU在有效的距离内发现卡片后，就会给卡片发出寻找指令，此时卡片会将自己的有效信息发送给读卡器，这样读卡器与卡片就有了初步的联系，如果在有效范围内存在不止一张卡片，此时读卡器的防冲撞设置就会协助读写器选择一张序列号相匹配的卡片，然后再进行密码匹配，从而保证了读卡器读取卡片的有效性及合法性。

密码匹配成功后就可以对卡片进行操作了。

而没有被匹配的卡片则继续等待，直到被匹配成功。

3.2读卡器的电路设计

本设计读卡器使用STC11F32XE，STC11F32XE，具有低电压、高性能的特性，属于SMOC8位单片机。

片内设置了只读程序存储器，其内存是32KB，而且可以进行多次擦写。

该器件的存储不易丢失，也包含标准MCS-51指令集，片内包含CPU和Flash存储单元，同时在标准的51单片机的基础上扩展了P4口，使其功能在原来的基础上变得更多。

射频部分的芯片主要采用MFRC522。

MF RC522 是应用于 13.56MHz 非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一种。

是 NXP 公司针对“三表”便携式手持设备研发的较好选择。

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。

介绍了一种应用的低电压，低成本，非接触卡的芯片读写体积小，是一种通信协议的智能仪表和芯片采用国际标准ISO14443，多协议支持的标准，MF RC522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。

它通过串行通信线路少主机通信，并根据不同用户的的需求，选择SPI,I2C和UART串口（RS232方式类似），以减少连接，狭窄的PCB板的体积，降低成本。

MF RC522支持多种主机接口，分别是：

（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，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 

设计中单片机与读卡芯片之间通过排针相连，单片机P0.5与芯片的SDA连接，单片机的P0.6接口与芯片的SCK连接，单片机的P0.7接口与芯片的MOSI连接，单片机的P4.1接口与芯片的MISO连接，单片机的P2.6接口与芯片的RST连接，分别为数据、时钟线、主数据输入、主数据输出、复位功能。

MF RC522功能框图如图3.1所示。

图3.1MFRCC522内部框图

由上述框图可以得知，MF RC522可以用多种方式与MCU相连，当上电或硬件被复位以时，MF RC522 的接口信息也被复位，而且现有的微处理器的接口的形式也被检测出来。

MF RC522 在复位以后，一些特定的管脚和初始化程序通过控制管脚的逻辑电平来辅助MFRC522与微处理器接口建立。

表3.1列出了MFRC522管脚的配置方式。

表3.1MFRC522管脚配置方式

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

从序列图上能够分析出主器件的数据Bit1输出时间与SSEL信号无关，数据，从器件是在时钟前沿对主器件输出的Bit1进行采样的，但是主器件在SCK信号有效之前就输出了bit1信号，而主器件也是在这种情况下进行采样的，采样的数据是来自从器件的，但是从器件是在CK信号还没有起效而SSEL信号发挥作用以后才输出bit1信号的。

3.3 MF RC522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。

MF RC500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：

可以读，读卡器和天线之间的同轴电缆连接的一个简单的解决方

案，远程应用程序，主要用于长距离传输，这段电缆的最远距离是10m[17]。

  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。

整个天线的等效电阻的电容耦合电路，在13.56MHZ频率范围内MIFARE®进行工作，在这种条件下，不能忽略集肤效应对电阻造成的损耗，所以线圈不能只使用 DC 阻抗。

图3.2是天