基于射頻識別的家庭環境下多人數據采集控制器設計

林 航

(湄洲灣職業技術學院，福建莆田351254)

隨著科技的飛速發展，家庭環境下簡單個人數據的采集分析及控制變得容易且實用。每個家庭成員都有自己的健康數據及生活習慣數據，家庭數據采集系統對家庭環境下每個人的數據進行識別采集，將不同人的數據發送到各自房間顯示終端，統一分析，匯總管理，實現系統整合。本文介紹的家庭環境下多人識別數據采集控制器，通過433M及315M無線數據交互識別，通過STC12LE5A60S2單片機實現對應成員的藍牙數據采集，通過RS485向上一級發送，由5.7英寸320×240點陣液晶顯示實時采集數據，同時根據采集的家庭成員生活習慣數據，再通過433M無線信號實現對家庭生活設備進行相應控制。

1 系統組成

基于射頻識別的家庭環境下的多人數據采集控制器在整個家庭數據采集系統中的功能圖見圖1， 多人數據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，建立藍牙聯系，采集相應的數據，再將采集到的數據通過RS485網絡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來區分是否為自己需要的數據，進行取舍。同時多人數據采集控制器除了可以接收各個家庭成員的身體數據，還接收其生活習慣數據，比如洗澡時間、健身時間等數據，就成員B要洗澡來講，采集B要洗澡的時間點和要洗的時長，先測算出熱水器的加熱時間，進而通過433M無線射頻控制熱水器的開啟，到關閉熱水器時通過RS485網絡將信息發送至成員B的房間，同時在采集控制器的5.7英寸320×240點陣液晶顯示器和蜂鳴器進行提醒[1]。

家庭多人數據采集控制器組成框圖見圖2，主要有室內外的微波雷達人體感應器(2個)、HC-06從機藍牙模塊、搖桿按鍵、433M編碼發送、315M編碼接收、1302時間模塊、RS485發送、320×240液晶顯示屏及STC12LE5A60S2單片機組成。當家庭成員回家后，2個微波雷達人體感應器通過先后順序判斷是否有人回來，若有人回來則讓433M發送開啟識別代碼，回家成員隨身終端接收到信號后則發送自身代碼，數據采集控制器通過改變地址編碼來循環接收終端發送的代碼，最終確定回家的成員，確定后再次通過433M無線信號發送開啟指令，完成藍牙數據接收，除了在液晶屏上顯示最新的接收數據，還將數據通過RS485網絡上傳到回家成員相應房間內的顯示端上，進行匯總顯示，包括以往的健康數據及當前的生活習慣數據。

圖2 家庭多人數據采集控制器組成框圖

2 硬件設計

2.1 主控制電路

家庭多人數據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，它具有60 K程序存儲器，1 K片內擴展RAM，1 K片內EEPROM，8路10位高速A/D等資源，每當采集到最新數據便更新到片內EEPROM，防止掉電丟失。人機顯示部分采用5.7英寸320×240點陣液晶顯示器，此顯示器采用帶內置中文字庫的RA8803控制器，支持四級灰度，有比較大的顯示量，在設計中單片機根據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，在設定參數方面比較靈活，單片機的P1.1輸入口接搖桿的按鍵，作為參數的設定及確認使用。電源采用外部輸入5 V，內部HC-06藍牙模塊需要3.3 V的電源，采用1塊AMS1117-3.3將5 V轉換為3.3 V提供給藍牙模塊[2]。

圖3 家庭多人數據采集控制器主電路圖

2.2 微波雷達人體感應電路

微波雷達人體感應電路見圖4，人體感應模塊采用RCWL-0516微波雷達人體感應開關，采用多普勒雷達技術，具有靈敏度高、感應距離遠、可靠性高的特點，相比傳統的紅外感應PIR，具有穿透探測能力。系統在室內和室外各布置一個人體感應開關，根據人體感應信號的依次觸發順序來確定家庭成員是回家還是離家，單片機調用433M信號來觸發成員發送自身識別代碼，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 微波雷達人體感應電路

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，當有人員變化便通過433M發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信號發送受單片機2262TE端控制，STC12LE5A60S2除了基本的32個端口外，通過P4SW寄存器還可以擴展P4.4到P4.6的端口功能，本設計開啟P4.4的端口，將433M的發送使能端2262TE連到此端口。當需要發送時給2262TE低電平，否則給高電平，這樣可以保證發送信號的準確和穩定。身份射頻信號的接收采用315M射頻信號，采用循環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。數據位315M_D3為1，表示相應的成員在家，否則將315M_D3置為0。如果成員數量可以相應增加315M信號的地址位，則315M射頻信號只作為身份信號接收，只用一位數據位校驗，身份確認后再次向成員隨身終端發送433M藍牙開啟及數據發送信號，完成相應數據的接收[4]。

2.4 數據采樣及上傳電路

數據采樣及上傳電路見主電路圖，每個家庭成員的健康數據及生活習慣數據是在射頻身份識別后，開啟藍牙數據傳送采集的，家庭多人數據采集控制器的藍牙模塊采用HC-06從機藍牙模塊，只作為數據接收端，成員隨身終端的藍牙開啟傳送和關閉指令都由433M射頻指令0x01H～0x06H控制，多名成員在家時則采用循環采集，每次只允許一個藍牙數據傳送。數據上傳采用RS485網絡，MAX485芯片的RE端接高電平，關閉其接收功能，MAX485芯片的DE端(485SN)連接到單片機的P3.7，由單片機使能控制其發送。這樣藍牙接收和RS485數據上傳都使用串口通訊，又相互獨立。

3 軟件設計

整個系統的軟件設計部分主要分為系統各模塊初始化、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設置為0x88H和0x8AH，開啟P1.0和P1.2的模擬量采樣端口，根據模擬量的大小可以對應設定參數的方向和變化頻率。

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

藍牙采集的數據結構由開始特征碼、發送地址碼、數據、進行結束特征碼、數據校驗碼構成，這樣可以保證開啟藍牙的隨身終端所傳的是進行確認識別時需要接收的數據[5]。RS485網絡上傳的數據結構與藍牙數據采集的數據結構相似，僅僅將發送地址碼改為接收地址碼。

4 結語

本設計采用射頻身份識別方案，在人員不多的家庭環境比較適合，同時根據射頻信號的特點，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，能在整套房子內進行身份識別。經測試，家庭多人數據采集控制器能夠很好顯示、保留最新健康數據和生活習慣數據，并能靈活地控制家庭設備。