物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)RFID技術(shù)的重要應(yīng)用

1、.物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)RFID技術(shù)的重要應(yīng)用摘要： RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場(chǎng)潛力。本文介紹了RFID技術(shù)的原理、特點(diǎn)，深入分析了信號(hào)傳輸時(shí)所采取的反方向散射的調(diào)制方式，影響傳輸距離的因素，最后介紹了在遠(yuǎn)程RFID自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的讀寫(xiě)沖突和防沖突算法，更好的解決了遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)存在的沖突問(wèn)題。關(guān)鍵詞：RFID 電子標(biāo)簽 讀寫(xiě)器 RFID是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得RFID技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在IBM公司提出的智慧地球和中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)

2、技術(shù)的發(fā)展，又極大促進(jìn)了RFID功能。因此，RFID技術(shù)架起了數(shù)字世界和物理世界之間的橋梁，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。RFID雖然得到了巨大的發(fā)展，但對(duì)于遠(yuǎn)程的RFID還是存在著傳輸距離、防碰撞算法等一些問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)RFID的相關(guān)概念和技術(shù)進(jìn)行分析，使人們更加全面的了解RFID，促使RFID技術(shù)有更好的發(fā)展和應(yīng)用。目錄1遠(yuǎn)程RFID原理22遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)23. 遠(yuǎn)程RFID關(guān)鍵性技術(shù)34遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)的沖突問(wèn)題34.1 Binary多卡沖突仲裁34.2 Aloha算法 4 5應(yīng)用之一智能居家 55.1智能居家系統(tǒng) 55.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 65.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 75.4 系統(tǒng)功能

3、106結(jié)束語(yǔ) 117參考文獻(xiàn) 111遠(yuǎn)程RFID原理1.1 遠(yuǎn)程RFID的組成在探討遠(yuǎn)程RFID的原理之前，我們必須先要研究一下RFID的組成。RFID的系統(tǒng)包括以下3個(gè)部分：電子標(biāo)簽(TAG)、讀寫(xiě)器(Reader)和計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用軟件。電子標(biāo)簽主要由內(nèi)置天線和電路芯片組成的，功能是與射頻天線之間完成通信;讀寫(xiě)器主要由天線、控制單元、射頻收發(fā)前段和通信接口這四個(gè)部分組成的，主要功能是讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽的信息;計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件的功能則是通過(guò)讀寫(xiě)器的通信接口而連接外部計(jì)的算機(jī)，或者是連接上位機(jī)主系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。RFID系統(tǒng)組成如圖1所示。1.2 遠(yuǎn)程RFID的工作原理讀寫(xiě)器(Reade

4、r)與電子標(biāo)簽(TAG)組成了應(yīng)答器(Transponder)，其工作原理是。Reader發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給Transponder用以驅(qū)動(dòng)Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí)Reader便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。工作原理如圖2所示。2遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)目前無(wú)源遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)有兩種工作頻段UHF和2.45 GHz。無(wú)源超高頻系統(tǒng)的讀寫(xiě)距離可以長(zhǎng)達(dá)十米以上，比2.45 GHz系統(tǒng)要遠(yuǎn)很多，因此已經(jīng)成為了遠(yuǎn)程識(shí)別系統(tǒng)的主流部分。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：1)實(shí)時(shí)性：可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，自動(dòng)讀出ID號(hào)，得到其信息;2)防偽性：形成的微波標(biāo)示是不可偽造、更改

5、和不可復(fù)制的;3)聯(lián)網(wǎng)性：通過(guò)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)物流進(jìn)行監(jiān)控;4)準(zhǔn)確性：讀出信息的準(zhǔn)確率非常高，可以高達(dá)99.99%;5)低成本：使用時(shí)，只需要數(shù)元;6)可靠性：適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，如：多塵、潮濕等;7)壽命長(zhǎng)：使用時(shí)不需要電池，只需無(wú)源卡，并且終身免維修;由于遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)采用的是無(wú)線傳輸模式，無(wú)線環(huán)境又極其復(fù)雜，因此有很多因素都會(huì)影響遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)距離，主要有如下幾方面：1)影響射頻卡讀寫(xiě)距離的因素是讀寫(xiě)器的RF輸出功率、反射的能量和射頻卡的功耗、讀寫(xiě)器的接收的能量和接收靈敏度;2)影響上述指標(biāo)的是射頻卡天線的有效接收和反射截面積，讀寫(xiě)器的接收天線有效面積;3)在視場(chǎng)范圍同樣的條件下，

6、當(dāng)頻率升高時(shí)，無(wú)源RFID系統(tǒng)的作用距離就會(huì)減小。3. 遠(yuǎn)程RFID關(guān)鍵性技術(shù)遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)采用的一種無(wú)線傳輸方式，在傳遞信息時(shí)是通過(guò)電磁波來(lái)發(fā)送和接收的。電磁波以天線為圓心，向周?chē)臻g發(fā)射。發(fā)射過(guò)程中當(dāng)電磁波遇到不同目標(biāo)時(shí)，電磁波能量的一部分被目標(biāo)吸收，而另一部分會(huì)向各個(gè)方向，以不同的強(qiáng)度散射開(kāi)。反射能量的一部分最終返回發(fā)射天線。采用反向散射調(diào)制的能量傳輸方式主要標(biāo)簽到閱讀器的能量傳輸和存在于閱讀器到標(biāo)簽的能量傳輸這兩個(gè)方向上。無(wú)源RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽是通過(guò)電磁場(chǎng)供電，因此標(biāo)簽有很大的功耗，當(dāng)讀寫(xiě)的距離越短時(shí)，其性能就會(huì)越差。電子標(biāo)簽的工作電壓決定了RFID電子標(biāo)簽?zāi)芊裾５墓ぷ?，同時(shí)也

7、決定了無(wú)源RFID系統(tǒng)的識(shí)別距離。但隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，射頻電子標(biāo)簽芯片的功耗也在來(lái)斷的降低。目前，比較典型的低功耗電子標(biāo)簽，其標(biāo)簽本身的功耗可以低至數(shù)十微瓦到數(shù)微瓦，這種標(biāo)簽的工作電壓為1.2 V左右。這種無(wú)線電發(fā)射功率受到限制，但無(wú)源電子標(biāo)簽的識(shí)別距離可以過(guò)到10 m以上。2)電子標(biāo)簽到閱讀器的能量傳輸電子標(biāo)簽返回的能量取決于它的雷達(dá)散射截面面積，并和其成正比，它是目標(biāo)反射電磁波能力的測(cè)度。散射面積是主要取決于兩個(gè)參數(shù)，其一是本身的物體特性如目標(biāo)的大小、材料、表面結(jié)構(gòu)和材料，其二是反射電磁波的特性，比如電磁波的極化方向和波長(zhǎng)等。4遠(yuǎn)程RFID系統(tǒng)的沖突問(wèn)題遠(yuǎn)距離無(wú)源RFID系統(tǒng)具有

8、作用距離遠(yuǎn)且視場(chǎng)范圍大的特點(diǎn)，但同時(shí)也容易出現(xiàn)一個(gè)多機(jī)或多卡的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致系統(tǒng)讀寫(xiě)多標(biāo)簽出現(xiàn)沖突。所以有必要采取一些好的防沖突地區(qū)的技術(shù)。多卡沖突仲裁就是在同一時(shí)間只能有一個(gè)卡響應(yīng)，這就需要用讀寫(xiě)器命令進(jìn)行控制。仲裁的方法主要有兩種：Binary和Aloha。4.1 Binary多卡沖突仲裁Binary多卡沖突仲裁，主要是通過(guò)采用狀態(tài)機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多卡讀寫(xiě)仲裁機(jī)制，其中主要有4種狀態(tài)，如圖3所示。其中的狀態(tài)解釋如下：Power-OFF狀態(tài)：指的是識(shí)別卡處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，即讀寫(xiě)器此時(shí)不能被激活識(shí)別卡;Ready狀態(tài)：當(dāng)識(shí)別卡第一次被讀寫(xiě)器激活時(shí)，識(shí)別卡就會(huì)處于Ready狀態(tài);ID狀態(tài)：如果識(shí)別卡試

9、圖傳送識(shí)別信息給讀寫(xiě)器時(shí)，識(shí)別卡就會(huì)處于ID狀態(tài);Data_Exchange狀態(tài)：如果讀寫(xiě)器識(shí)別并被選中識(shí)別卡時(shí)，識(shí)別卡就會(huì)處于Data_Exchange狀態(tài)。為了支持仲裁沖突，識(shí)別卡上有兩個(gè)硬件電路：8bit計(jì)數(shù)器Counter和1bit隨即數(shù)發(fā)生器(只有兩個(gè)可能的值：0和1)。當(dāng)所有的或一部分讀寫(xiě)器射頻電磁場(chǎng)上的識(shí)別卡參與沖突仲裁時(shí)，讀寫(xiě)器上的Group_Unselect和Group_Select命令就會(huì)運(yùn)行沖突仲裁算法。4.2 Aloha算法ALOHA協(xié)議是一種防碰撞的沖突仲裁算法。如果在隨機(jī)的時(shí)間間隔中有多個(gè)標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且這個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)生了碰撞，那么標(biāo)簽就會(huì)等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，然后

10、再次發(fā)送數(shù)據(jù)。這種算法吞吐率低，適用于只讀標(biāo)簽的應(yīng)用場(chǎng)景。于是就出現(xiàn)了時(shí)隙Aloha算法。時(shí)隙Aloha算法改善了Aloha算法的吞吐率。它采用讀寫(xiě)器控制的隨機(jī)TDMA方法。這種方法是將信道分為很多個(gè)時(shí)隙，并且讓每一個(gè)時(shí)隙就剛好能傳送一個(gè)分組。而時(shí)隙的長(zhǎng)度能過(guò)系統(tǒng)的時(shí)鐘進(jìn)行控制，每個(gè)控制單元要與此時(shí)鐘同步。在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽只能在其規(guī)定的同步時(shí)隙內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包。與Aloha算法相比，提高了吞吐率，為了善在多標(biāo)簽環(huán)境下的性能，隨后又提出了動(dòng)態(tài)時(shí)隙Aloha算法。動(dòng)態(tài)時(shí)隙Aloha算法，是一種可以動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)隙數(shù)量的算法。如果讀寫(xiě)器在等待的狀態(tài)中的循環(huán)時(shí)隙段中發(fā)送了請(qǐng)求命令，就會(huì)有12個(gè)時(shí)隙給可能

11、存在的標(biāo)簽使用。當(dāng)?shù)鄠€(gè)標(biāo)簽在兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)生了碰撞，那么就要通過(guò)請(qǐng)求命令增加時(shí)隙數(shù)量，以供標(biāo)簽使用，直到發(fā)現(xiàn)一個(gè)唯一的標(biāo)簽為止。對(duì)于Aloha算法、時(shí)隙Aloha算法還是動(dòng)態(tài)時(shí)隙Aloha算法，其標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)都是隨機(jī)的，因此不能保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，且信道的利用率較低。關(guān)于Binary多卡沖突仲裁方法和Aloha算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。而B(niǎo)inary信道利用率可高達(dá)43%，識(shí)別率較高，也不存在錯(cuò)誤判決問(wèn)題，但其因時(shí)延長(zhǎng)，而安全性較差。Aloha算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但其信道利用率最大為36%，出存在一些錯(cuò)誤判斷問(wèn)題，所以不適合應(yīng)用于大量標(biāo)簽的場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的防碰撞算法。5應(yīng)用

12、之一智能居家近年來(lái)，RFID 技術(shù)在零售業(yè).圖書(shū)館服務(wù).供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域得到廣泛使用.同時(shí)，RFID 技術(shù)也逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)用以構(gòu)筑智慧電網(wǎng).傳統(tǒng)居民用戶信息采集系統(tǒng)的主站一般設(shè)置在供電局，用戶要了解用電信息需采用賬單查詢(xún).上網(wǎng)查詢(xún)或電話查詢(xún)等方式.這些方式不夠便捷，難以滿足用戶需求且只能查詢(xún)用電總額，無(wú)法知道各個(gè)用電終端的用電情況，出現(xiàn)故障也無(wú)法及時(shí)排除.與此同時(shí)，現(xiàn)代人對(duì)于提高家用電器的智能控制能力及家庭安防保障等也提出了更高的要求.根據(jù)我國(guó)當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，為了有效監(jiān)控家庭用電終端，維護(hù)用電安全，本文構(gòu)建了一個(gè)基于RFID 技術(shù)與各種探測(cè)傳感器相融合的智能家庭用電信息系統(tǒng).該系統(tǒng)

13、可解決如下問(wèn)題：(1) 完成家庭照明設(shè)備的開(kāi).關(guān).亮度調(diào)節(jié)及狀態(tài)顯示;(2) 實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭中所有家用電器的統(tǒng)一控制與管理;(3) 溫濕度采集傳感器根據(jù)家庭內(nèi)外溫濕度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)窗簾的開(kāi)合.空調(diào)的啟停;(4) 安裝的煙霧傳感器.煤氣傳感器發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)信息時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警并及時(shí)給家庭成員發(fā)送報(bào)警信息;(5) 分析報(bào)告各個(gè)用電設(shè)備用電狀況，指導(dǎo)用戶合理用電，提醒用戶及時(shí)充值.5.1智能居家系統(tǒng)典型的RFID 系統(tǒng)由標(biāo)簽(Tag).讀卡器(Reader).中間件(Middleware) 和控制計(jì)算機(jī)及軟件等稱(chēng)為應(yīng)用(Application)的四部分組成.智能家庭用電信息平臺(tái)利用標(biāo)簽獲取用電終端的用電狀況及

14、各探測(cè)傳感器的狀態(tài)，安裝在房間特定區(qū)域的讀卡器根據(jù)接收到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將接收到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中.監(jiān)控用戶可以使用電腦.智能手機(jī)等實(shí)時(shí)了解用電終端的工作狀況，必要的報(bào)警信息還會(huì)觸發(fā)外設(shè)的聲光報(bào)警器.圖1 所示是該平臺(tái)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).本系統(tǒng)中的標(biāo)簽分為兩種類(lèi)型：電能計(jì)量標(biāo)簽與用電設(shè)備插頭相連，實(shí)時(shí)探測(cè)用電設(shè)備電能消耗，控制用電設(shè)備功率大小;環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)簽由溫濕度.煙霧及煤氣傳感器等組成，安裝在室內(nèi)外特定區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境.標(biāo)簽定時(shí)將探測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡器.讀卡器通過(guò)天線控制覆蓋接收信號(hào)的范圍，接入家庭網(wǎng)絡(luò)，將轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中

15、.標(biāo)簽數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行合并.去冗余.挖掘特征信息等處理.系統(tǒng)監(jiān)控用戶通過(guò)瀏覽器獲取這些處理過(guò)的信息，從而知道用電終端的用電狀況，家庭內(nèi)外的環(huán)境狀況，同時(shí)，當(dāng)家庭安防出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)郵件推送技術(shù)給用戶發(fā)送郵件.根據(jù)需要，系統(tǒng)還可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，比如在室內(nèi)外特定區(qū)域安裝攝像機(jī)，報(bào)警信息觸發(fā)外部聲光報(bào)警器等.智能家庭用電信息系統(tǒng)硬件部分使用有源RFID 設(shè)備.軟件部分依照瀏覽器/ 服務(wù)器(Browser/Server, B/S) 框架結(jié)構(gòu)，使用開(kāi)源而廣泛使用的LAMP(Linux + Apache + MySQL+ PHP) 作為解決方案包.服務(wù)器是后臺(tái)控制軟件，提供閱讀器訪問(wèn).通

16、信協(xié)議解析.標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等服務(wù);瀏覽器作為人機(jī)交互工具，提取數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)，進(jìn)行合理引用處理，使得任何網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用電終端設(shè)備監(jiān)控;數(shù)據(jù)庫(kù)起到樞紐作用，作為系統(tǒng)核心，連接后臺(tái)解析的數(shù)據(jù)，響應(yīng)前臺(tái)Web 網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)請(qǐng)求.智能用電信息系統(tǒng)后臺(tái)軟件使用JAVA 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，采用基于TCP/IP 協(xié)議的套接字(Socket) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(host) 與讀卡器直接的通信，利用JAVA 語(yǔ)言中JDBC 與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)交互.該系統(tǒng)前臺(tái)部分使用PHP 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，整合Ajax(AsynchronousJavaScript and XML) 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面實(shí)時(shí)刷新.5.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件

17、部分主要包括標(biāo)簽和閱讀器.標(biāo)簽的硬件構(gòu)成如圖2 所示.它集成微處理器.電源管理模塊.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊.射頻通信模塊和數(shù)據(jù)采集接口于一體.根據(jù)數(shù)據(jù)采集接口中使用傳感器的不同，標(biāo)簽可以劃分為不同的類(lèi)型.在本系統(tǒng)使用了兩種類(lèi)型標(biāo)簽，電能計(jì)量標(biāo)簽和環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)簽.電能計(jì)量標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采集接口基于美國(guó)凌云邏輯公司的單相雙向電能芯片CS5460A.該芯片符合IEC.JIS 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠測(cè)量瞬時(shí)電壓.瞬時(shí)電流.瞬時(shí)功率，同時(shí)具有相位補(bǔ)償及系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)功能8.與用電設(shè)備插頭相連的電能計(jì)量標(biāo)簽采集電壓信號(hào)及電流信號(hào)，采集的電壓.電流信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的互感器之后進(jìn)入流/ 壓變換電路，作為CS5460A 電能采集芯片的輸入.

18、CS5460A進(jìn)行電能計(jì)量，通過(guò)串行外設(shè)接口 (SerialPeripheral Interface, SPI) 與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)簽在本系統(tǒng)中主要用來(lái)監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境信息，其子類(lèi)別包括溫度采集標(biāo)簽.濕度采集標(biāo)簽.煙霧濃度采集標(biāo)簽和煤氣濃度采集標(biāo)簽.它們的功能原理都是實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)，通過(guò)與微處理器內(nèi)置的基準(zhǔn)參數(shù)比對(duì)，獲得趨近于實(shí)際環(huán)境情況的參數(shù)值.微處理器內(nèi)部還可以預(yù)設(shè)范圍閾值，當(dāng)采集的參數(shù)超過(guò)閾值范圍時(shí)，就可以得到報(bào)警信號(hào).微處理器將數(shù)據(jù)采集接口采集到的信號(hào)按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行整合與處理，將整合之后的數(shù)據(jù)通過(guò)射頻通信模塊以射頻信號(hào)方式發(fā)射出去.接收時(shí)再按照與編碼規(guī)則相同的解碼

19、規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼.讀卡器作為數(shù)據(jù)交換的一環(huán)，將前端標(biāo)簽采集的家庭現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息傳遞給后端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).一方面，通過(guò)天線與標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)讀取標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)和設(shè)置標(biāo)簽的設(shè)備參數(shù).另外一方面，讀卡器又通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)系統(tǒng)相連，轉(zhuǎn)發(fā)接收到的標(biāo)簽信息，由上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).管理和控制.本系統(tǒng)使用的讀卡器使用2.4 GHz 微波與標(biāo)簽雙向通信，預(yù)留RS232.RJ45 接口.讀卡器配置TCP Server.TCPClient.UDP 以及COM 協(xié)議棧，上位機(jī)系統(tǒng)可以方便選擇一種協(xié)議棧接收讀卡器轉(zhuǎn)化的標(biāo)簽數(shù)據(jù).為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，讀卡器執(zhí)行防碰撞算法.該讀卡器還內(nèi)置兩

20、個(gè)繼電器，繼電器可以與電源開(kāi)關(guān)相連，也可以與報(bào)警器相連.當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，觸發(fā)繼電器斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)或者觸發(fā)外部報(bào)警器提醒用戶，從而保障用電安全.5.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)原則，在功能上把系統(tǒng)軟件劃分為三層，即數(shù)據(jù)服務(wù)層.邏輯處理層和用戶表示層.數(shù)據(jù)服務(wù)層將標(biāo)簽采集到的各設(shè)備的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到磁盤(pán)上;邏輯處理層提供一系列數(shù)據(jù)處理接口，根據(jù)系統(tǒng)的要求將各種類(lèi)信息進(jìn)行歸并.去冗余等操作;用戶表示層與系統(tǒng)用戶直接交互，接受用戶的訪問(wèn)請(qǐng)求，出現(xiàn)異常情況及時(shí)向用戶報(bào)告.5.3.1 數(shù)據(jù)服務(wù)層智能家庭用電信息系統(tǒng)使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息.圖3 所示是其數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu).本系統(tǒng)對(duì)用戶的電

21、表.系統(tǒng)的用電設(shè)備.環(huán)境監(jiān)測(cè)位置及用戶信息進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，并以編號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)符連接各個(gè)實(shí)體.系統(tǒng)包括六張表：系統(tǒng)信息表存儲(chǔ)用戶家庭用電總體信息，系統(tǒng)以固定的時(shí)間間隔計(jì)算系統(tǒng)的電量消耗情況，因而時(shí)間作為主鍵.其他的字段信息包括總用電量.月用電量.停電閾值和剩余電量.設(shè)備信息表存儲(chǔ)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的相關(guān)信息，本系統(tǒng)為每個(gè)用電設(shè)備預(yù)設(shè)了最大的消耗電量值.該表以設(shè)備編號(hào)為主鍵，同時(shí)對(duì)設(shè)備位置.設(shè)備名稱(chēng)及購(gòu)買(mǎi)時(shí)間等信息也進(jìn)行了存儲(chǔ).電能計(jì)量標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到設(shè)備用電信息表中，該表以設(shè)備編號(hào)和計(jì)量時(shí)間作為聯(lián)合主鍵，實(shí)時(shí)反映設(shè)備用電信息.環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)存入家居安防信息表中，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)檢測(cè)到的溫濕度.煙霧

22、濃度及煤氣濃度信息.為保障系統(tǒng)安全，系統(tǒng)為其設(shè)計(jì)了用戶信息表，該表存儲(chǔ)具有訪問(wèn)權(quán)限的用戶信息及用戶級(jí)別.當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況需要報(bào)警時(shí)，相關(guān)的信息會(huì)存入報(bào)警信息表中.它具有處理標(biāo)識(shí)，如果該報(bào)警信息已經(jīng)被用戶處理了，則不再重復(fù)報(bào)警.為了使系統(tǒng)各層具有高內(nèi)聚.低耦合特性，同時(shí)方便數(shù)據(jù)庫(kù)操作，本設(shè)計(jì)集成Hibernate 框架于系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)象實(shí)體關(guān)系映射.同時(shí)，Hibernate 對(duì)JDBC 進(jìn)行了輕量級(jí)對(duì)象封閉，使得Java 程序員可以使用面向?qū)ο蟮乃季S來(lái)操作關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù).另外，系統(tǒng)還對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中每一張數(shù)據(jù)表建立了一個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象(Data Access Object,DAO)，并由DAO 作為訪問(wèn)數(shù)據(jù)

23、庫(kù)的統(tǒng)一接口，因而隱藏了數(shù)據(jù)庫(kù)具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié).5.3.2 邏輯處理層邏輯處理層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作接口，具體劃分為如圖4 所示的四個(gè)業(yè)務(wù)子模塊，即業(yè)務(wù)接口模塊.業(yè)務(wù)處理模塊.數(shù)據(jù)接口模塊和數(shù)據(jù)緩沖模塊.業(yè)務(wù)接口模塊接收從用戶觸發(fā)的訪問(wèn)請(qǐng)求事件，將事件傳遞.解析，根據(jù)訪問(wèn)請(qǐng)求的事件類(lèi)型調(diào)用業(yè)務(wù)處理模塊中對(duì)應(yīng)的功能模塊.業(yè)務(wù)處理模塊定義本系統(tǒng)所要做工作，包括電能計(jì)量.電價(jià)查詢(xún).家庭安防及異常報(bào)警等.數(shù)據(jù)接口模塊直接面向數(shù)據(jù)庫(kù)，提供數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)?cè)L問(wèn)及數(shù)據(jù)篩選等工作，之后將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)緩沖模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和封裝.這樣一個(gè)流程之后，用戶就能獲得所訪問(wèn)的結(jié)果.家庭智能用電系統(tǒng)的各個(gè)模塊分工合作，完成各自任

24、務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，圖5 所示是其程序流程.程序開(kāi)始運(yùn)行之后獲取各個(gè)標(biāo)簽的狀態(tài)量，這些狀態(tài)量包括家庭各用電設(shè)備的電流電壓功率.室內(nèi)外環(huán)境中溫濕度.室內(nèi)外環(huán)境中煙霧及煤氣濃度，然后判斷這些狀態(tài)量中是否存在有異常情況.如果有異常，則判斷異常屬于哪種情況，將相關(guān)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)并提示報(bào)警;反之，則直接通過(guò)Internet連接供電局得到當(dāng)前階段電價(jià).程序根據(jù)階段電價(jià)信息計(jì)算用戶當(dāng)前所用電量電費(fèi)，如果用戶預(yù)存入的電費(fèi)余額不多，也把相關(guān)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)并提醒用戶及時(shí)充值.5.3.3 用戶表示層為了適應(yīng)當(dāng)前移動(dòng)平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)，本系統(tǒng)以B/S 作為框架結(jié)構(gòu)，并以PHP 語(yǔ)言結(jié)合CSS.HTML 來(lái)開(kāi)發(fā)用戶表示層.為了保

25、證系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)機(jī)制，在實(shí)施的過(guò)程中采用Ajax 技術(shù).使用Ajax 技術(shù)，系統(tǒng)在對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)過(guò)程中建立異步請(qǐng)求對(duì)象，避免了客戶端和服務(wù)器間直接交互.用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)信息交由Ajax 引擎完成，使用戶操作和服務(wù)器響應(yīng)異步化，減少冗余數(shù)據(jù)的重載，縮短了用戶的等待時(shí)間.為本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一個(gè)官方微博能自動(dòng)發(fā)布消息.進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)提供商的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建應(yīng)用后申請(qǐng)App Key 和AppSecret 這兩個(gè)與授權(quán)相關(guān)的信息，下載與開(kāi)發(fā)語(yǔ)言相對(duì)應(yīng)的SDK( 本系統(tǒng)使用Java 版本)，里面有demo,把App Key 及App Secret 填入配置文件，根據(jù)想要實(shí)現(xiàn)的功能編寫(xiě)和修改demo.借助甲骨文公司提供的JavaMail API,利用谷歌郵箱作為發(fā)送者，使用簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議(Simple Mail TransferProtocol, STMP)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)郵件