基于RFID技術(shù)的智能家庭用電信息系統(tǒng)構(gòu)建

引言

近年來，RFID技術(shù)在零售業(yè)、圖書館服務(wù)、供應(yīng)鏈報管理等領(lǐng)域得到廣泛使用。同時，RFID技術(shù)也逐步應(yīng)用于報電力系統(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)的報主站一般設(shè)置在供電局，用戶要了解用電信息需采用賬單查詢、報上網(wǎng)查詢或電話查詢等方式。這些方式不夠便捷，難以滿足報用戶需求且只能查詢用電總額，無法知道各個用電終端的用電報情況，出現(xiàn)故障也無法及時排除。與此同時，現(xiàn)代人對于提高報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報求。

根據(jù)我國當(dāng)前智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，為了有效監(jiān)控家庭報用電終端，維護(hù)用電安全，本文構(gòu)建了一個基于RFID技術(shù)與報各種探測傳感器相融合的智能家庭用電信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可報解決如下問題：

完成家庭照明設(shè)備的開、關(guān)、亮度調(diào)節(jié)及狀態(tài)顯示；

實(shí)現(xiàn)對家庭中所有家用電器的統(tǒng)一控制與管理；

溫濕度采集傳感器根據(jù)家庭內(nèi)外溫濕度的變化，自報動調(diào)節(jié)窗簾的開合、空調(diào)的啟停；

安裝的煙霧傳感器、煤氣傳感器發(fā)現(xiàn)危險信息時，能報自動報警并及時給家庭成員發(fā)送報警信息；

分析報告各個用電設(shè)備用電狀況，指導(dǎo)用戶合理用電,報提醒用戶及時充值。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

典型的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽(Tag)、讀卡器(Reader)、中間報件(Middleware)和控制計算機(jī)及軟件等稱為應(yīng)用(Application)報的四部分組成［6］。智能家庭用電信息平臺利用標(biāo)簽獲取用電終報端的用電狀況及各探測傳感器的狀態(tài)，安裝在房間特定區(qū)域報的讀卡器根據(jù)接收到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)對家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，通過報計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將接收到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后存入系統(tǒng)數(shù)報據(jù)庫中。監(jiān)控用戶可以使用電腦、智能手機(jī)等實(shí)時了解用電終報端的工作狀況，必要的報警信息還會觸發(fā)外設(shè)的聲光報警器。

圖1所示是該平臺的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中的標(biāo)簽分報為兩種類型：電能計量標(biāo)簽與用電設(shè)備插頭相連，實(shí)時探測報用電設(shè)備電能消耗，控制用電設(shè)備功率大?。画h(huán)境監(jiān)測標(biāo)簽由報溫濕度、煙霧及煤氣傳感器等組成，安裝在室內(nèi)外特定區(qū)域,報實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境。標(biāo)簽定時將探測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡報器。讀卡器通過天線控制覆蓋接收信號的范圍，接入家庭網(wǎng)絡(luò),報將轉(zhuǎn)發(fā)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。標(biāo)簽數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中報進(jìn)行合并、去冗余、挖掘特征信息等處理。系統(tǒng)監(jiān)控用戶通報過瀏覽器獲取這些處理過的信息，從而知道用電終端的用電狀報況，家庭內(nèi)外的環(huán)境狀況，同時，當(dāng)家庭安防出現(xiàn)異常情況時,報系統(tǒng)會通過郵件推送技術(shù)給用戶發(fā)送郵件。根據(jù)需要，系統(tǒng)報還可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展，比如在室內(nèi)外特定區(qū)域安裝攝報像機(jī)，報警信息觸發(fā)外部聲光報警器等。

圖1  智能家庭用電信息系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

智能家庭用電信息系統(tǒng)硬件部分使用有源RFID設(shè)備。報軟件部分依照瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,報B/S)框架結(jié)報構(gòu)，使用開源而廣泛使用的LAMP(Linux報+報Apache報+報MySQL報+報PHP)作為解決方案包［7］。服務(wù)器是后臺控制軟件，提供閱報讀器訪問、通信協(xié)議解析、標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)庫管理等服報務(wù)；瀏覽器作為人機(jī)交互工具，提取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，進(jìn)行合報理引用處理，使得任何網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)對用電終端設(shè)報備監(jiān)控；數(shù)據(jù)庫起到樞紐作用，作為系統(tǒng)核心，連接后臺解析報的數(shù)據(jù)，響應(yīng)前臺Web網(wǎng)頁訪問請求。

智能用電信息系統(tǒng)后臺軟件使用JAVA語言開發(fā)，采用基報于TCP/IP協(xié)議的套接字(Socket)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)(host)與讀報卡器直接的通信，利用JAVA語言中JDBC與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫交互。報該系統(tǒng)前臺部分使用PHP語言開發(fā)，整合Ajax(Asynchronous報JavaScript報and報XML)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頁面實(shí)時刷新。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要包括標(biāo)簽和閱讀器。標(biāo)簽的硬件構(gòu)成報如圖2所示。它集成微處理器、電源管理模塊、數(shù)據(jù)存儲模報塊、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)采集接報口中使用傳感器的不同，標(biāo)簽可以劃分為不同的類型。在本系報統(tǒng)使用了兩種類型標(biāo)簽，電能計量標(biāo)簽和環(huán)境監(jiān)測標(biāo)簽。

圖2  標(biāo)簽的硬件構(gòu)成

電能計量標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采集接口基于美國凌云邏輯公司的報單相雙向電能芯片CS5460A。該芯片符合IEC、JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，報能夠測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率，同時具有相位補(bǔ)報償及系統(tǒng)自動校準(zhǔn)功能。與用電設(shè)備插頭相連的電能計量標(biāo)報簽采集電壓信號及電流信號，采集的電壓、電流信號通過相應(yīng)報的互感器之后進(jìn)入流/壓變換電路，作為CS5460A電能采集報芯片的輸入(S5460A進(jìn)行電能計量，通過串行外設(shè)接口報(Serial報Peripheral報Interface,報SPI)與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

環(huán)境監(jiān)測標(biāo)簽在本系統(tǒng)中主要用來監(jiān)測家庭環(huán)境信息,報其子類別包括溫度采集標(biāo)簽、濕度采集標(biāo)簽、煙霧濃度采集報標(biāo)簽和煤氣濃度采集標(biāo)簽。它們的功能原理都是實(shí)時采集環(huán)報境參數(shù)，通過與微處理器內(nèi)置的基準(zhǔn)參數(shù)比對，獲得趨近于報實(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,報當(dāng)采集的參數(shù)超過閾值范圍時，就可以得到報警信號。

微處理器將數(shù)據(jù)采集接口采集到的信號按照一定的編碼報規(guī)則進(jìn)行整合與處理，將整合之后的數(shù)據(jù)通過射頻通信模塊報以射頻信號方式發(fā)射出去。接收時再按照與編碼規(guī)則相同的解報碼規(guī)則對數(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)報場環(huán)境信息傳遞給后端的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。一方面，通過天線與報標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)讀取標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)和設(shè)置標(biāo)簽的報設(shè)備參數(shù)。另外一方面，讀卡器又通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)報系統(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)對標(biāo)報簽數(shù)據(jù)的存儲、管理和控制。

本系統(tǒng)使用的讀卡器使用2.4報GHz微波與標(biāo)簽雙向通報信，預(yù)留RS232、RJ45接口。讀卡器配置TCP報Server、TCP報Client、UDP以及COM協(xié)議棧，上位機(jī)系統(tǒng)可以方便選擇一報種協(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)同時對多個報標(biāo)簽進(jìn)行識別，讀卡器執(zhí)行防碰撞算法。該讀卡器還內(nèi)置兩報個繼電器，繼電器可以與電源開關(guān)相連，也可以與報警器相連。報當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)緊急情況時，觸發(fā)繼電器斷開電源開關(guān)或者觸發(fā)報外部報警器提醒用戶，從而保障用電安全。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)模塊化的設(shè)計原則，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)信息存儲到磁盤上報；邏輯處理層提供一系列數(shù)據(jù)處理接口，根據(jù)系統(tǒng)的要求將各種類信息進(jìn)行歸并、去冗余等操作報；用戶表示層與系統(tǒng)用戶直接交互，接受用戶的訪問請求，出現(xiàn)異常情況及時向用戶報告。

3.1報數(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)庫報MySQL報存儲數(shù)據(jù)信息。圖報3報所示是其數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)對用戶的電表、系統(tǒng)的用電設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測位置及用戶信息進(jìn)行統(tǒng)一編號，并以編號作為唯一標(biāo)識符連接各個實(shí)體。

系統(tǒng)包括六張表報：系統(tǒng)信息表存儲用戶家庭用電總體信息，系統(tǒng)以固定的時間間隔計算系統(tǒng)的電量消耗情況，因而時間作為主鍵。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)備信息表存儲系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的相關(guān)信息，本系統(tǒng)為每個用電設(shè)備預(yù)設(shè)了最大的消耗電量值。該表以設(shè)備編號為主鍵，同時對設(shè)備位置、設(shè)備名稱及購買時間等信息也進(jìn)行了存儲。電能計量標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)存儲到設(shè)備用電信息表中，該表以設(shè)備編號和計量時間作為聯(lián)合主鍵，實(shí)時反映設(shè)備用電信息。環(huán)境監(jiān)測標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)存入家居安防信息表中，實(shí)時存儲檢測到的溫濕度、煙霧濃度及煤氣濃度信息。為保障系統(tǒng)安全，系統(tǒng)為其設(shè)計了用戶信息表，該表存儲具有訪問權(quán)限的用戶信息及用戶級別。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況需要報警時，相關(guān)的信息會存入報警信息表中。它具有處理標(biāo)識，如果該報警信息已經(jīng)被用戶處理了，則不再重復(fù)報警。

為了使系統(tǒng)各層具有高內(nèi)聚、低耦合特性，同時方便數(shù)據(jù)庫操作，本設(shè)計集成報Hibernate報框架于系統(tǒng)中進(jìn)行對象實(shí)體關(guān)系映射。同時，Hibernate報對報JDBC報進(jìn)行了輕量級對象封閉，使得報Java報程序員可以使用面向?qū)ο蟮乃季S來操作關(guān)系數(shù)據(jù)庫[9]。另外，系統(tǒng)還對數(shù)據(jù)庫中每一張數(shù)據(jù)表建立了一個數(shù)據(jù)訪問對象報(Data報Access報Object，DAO)，并由報DAO報作為訪問數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一接口，因而隱藏了數(shù)據(jù)庫具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

3.2報邏輯處理層

邏輯處理層為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)訪問操作接口，具體劃分為如圖報4報所示的四個業(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)的訪問請求事件，將事件傳遞、解析，根據(jù)訪問請求的事件類型調(diào)用業(yè)務(wù)處理模塊中對應(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，包括電能計量、電價查詢、家庭安防及異常報警等。數(shù)據(jù)接口模塊直接面向數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)據(jù)庫查詢訪問及數(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。這樣一個流程之后，用戶就能獲得所訪問的結(jié)果。

家庭智能用電系統(tǒng)的各個模塊分工合作，完成各自任務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，圖報5報所示是其程序流程。

圖4  邏輯處理層

程序開始運(yùn)行之后獲取各個標(biāo)簽的狀態(tài)量，這些狀態(tài)量報包括家庭各用電設(shè)備的電流電壓功率、室內(nèi)外環(huán)境中溫濕度、報室內(nèi)外環(huán)境中煙霧及煤氣濃度，然后判斷這些狀態(tài)量中是否報存在有異常情況。如果有異常，則判斷異常屬于哪種情況，將報相關(guān)信息寫入數(shù)據(jù)庫并提示報警:反之，則直接通過Internet報連接供電局得到當(dāng)前階段電價。程序根據(jù)階段電價信息計算用報戶當(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，也把報相關(guān)信息寫入數(shù)據(jù)并提醒用戶及時充值。

圖5  程序流程圖

3.3用戶表示層

為了適應(yīng)當(dāng)前移動平臺發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)以B/S作為框報架結(jié)構(gòu)，并以PHP語言結(jié)合CSS、HTML來開發(fā)用戶表示層。

為了保證系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)機(jī)制，在實(shí)施的過程中采報用Ajax技術(shù)的。使用Ajax技術(shù)，系統(tǒng)在對用戶請求進(jìn)行響報應(yīng)過程中建立異步請求對象，避免了客戶端和服務(wù)器間直接報交互。用戶請求的數(shù)據(jù)信息交由Ajax引擎完成，使用戶操作報和服務(wù)器響應(yīng)異步化，減少冗余數(shù)據(jù)的重載，縮短了用戶的報等待時間。

為本系統(tǒng)開發(fā)的一個官方微博能自動發(fā)布消息。進(jìn)入互報聯(lián)網(wǎng)提供商的應(yīng)用開發(fā)平臺創(chuàng)建應(yīng)用后申請App報Key和App報Secret這兩個與授權(quán)相關(guān)的信息，下載與開發(fā)語言相對應(yīng)的報SDK(本系統(tǒng)使用Java版本)，里面有demo，把App報Key及報App報Secret填入配置文件，根據(jù)想要實(shí)現(xiàn)的功能編寫和修改報demo[11]?

借助甲骨文公司提供的JavaMail報API，利用谷歌郵箱報作為發(fā)送者，使用簡單郵件傳輸協(xié)議(Simple報Mail報Transfer報Protocol,報STMP)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)郵件自動推送[12]。

4系統(tǒng)功能

注冊用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對電器設(shè)備自動化監(jiān)控和電能計報量管理，系統(tǒng)出現(xiàn)的異常報警信息則以郵件推送方式報告給報用戶。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能如下：

用戶可以通過瀏覽器實(shí)時查看家庭內(nèi)部耗電設(shè)備的有報功功率的變化曲線及耗電設(shè)備占家庭用電的百分比。

用戶可以通過瀏覽器更改家庭設(shè)備的參數(shù)，從而遠(yuǎn)程報控制家庭設(shè)備的開關(guān)。

系統(tǒng)每月自動生成包含所有設(shè)備用電狀況的電費(fèi)賬單,報包括用電總度數(shù)、超出各檔階梯電價度數(shù)、各設(shè)備具體用電度報數(shù)及占總耗電的百分比、本月用電趨勢等信息。幫助用戶詳細(xì)報了解用電狀況，從而指導(dǎo)用戶提出更優(yōu)化的用電方案。

電費(fèi)賬單通過綁定的郵箱和微博推送，用戶只需登錄報郵箱或關(guān)注系統(tǒng)綁定的官方微博就可以了解最新的家庭用電報狀況。

用戶可以設(shè)定各用電設(shè)備的功率及耗能閾值，當(dāng)設(shè)備報用電功率或本月總耗能超出設(shè)定的閾值時，通過發(fā)送郵件和微報博進(jìn)行提醒，用戶可以根據(jù)需要決定是否遠(yuǎn)程關(guān)閉用電設(shè)備。

系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控家庭環(huán)境信息，自動調(diào)控室內(nèi)的溫濕報度信息。

煙霧及煤氣檢測標(biāo)簽監(jiān)控室內(nèi)其濃度含量，出現(xiàn)異報常事件時，及時報警。

5結(jié)語

基于RFID技術(shù)的智能家庭用電信息平臺可實(shí)時采集顯示報用戶當(dāng)前用電信息，提供用電信息查詢功能，監(jiān)控家庭環(huán)境溫報濕度信息，并具有防火災(zāi)報警及防煤氣泄露功能，同時可實(shí)現(xiàn)報對用電終端、家庭安防的智能監(jiān)控。另外，本系統(tǒng)以RFID標(biāo)報簽作為采集器采集家庭環(huán)境信息，以無線射頻信號作為通信報介質(zhì)，通過讀卡器轉(zhuǎn)化標(biāo)簽信號與網(wǎng)絡(luò)相連，上位機(jī)系統(tǒng)將報數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，對其進(jìn)行算法處理和數(shù)據(jù)分析，瀏覽報器可以方便地對這些信息訪問，并具有網(wǎng)絡(luò)安全性高、可靠報性強(qiáng)、實(shí)施難度低和性價比高等優(yōu)點(diǎn)，功能容易擴(kuò)展。

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