基于RFID技术的智能家庭用电信息系统构建

引言

近年来，RFID技术在零售业、图书馆服务、供应链报管理等领域得到广泛使用。同时，RFID技术也逐步应用于报电力系统用以构筑智慧电网。传统居民用户信息采集系统的报主站一般设置在供电局，用户要了解用电信息需采用账单查询、报上网查询或电话查询等方式。这些方式不够便捷，难以满足报用户需求且只能查询用电总额，无法知道各个用电终端的用电报情况，出现故障也无法及时排除。与此同时，现代人对于提高报家用电器的智能控制能力及家庭安防保障等也提出了更高的要报求。

根据我国当前智能电网的发展趋势，为了有效监控家庭报用电终端，维护用电安全，本文构建了一个基于RFID技术与报各种探测传感器相融合的智能家庭用电信息系统。该系统可报解决如下问题：

完成家庭照明设备的开、关、亮度调节及状态显示；

实现对家庭中所有家用电器的统一控制与管理；

温湿度采集传感器根据家庭内外温湿度的变化，自报动调节窗帘的开合、空调的启停；

安装的烟雾传感器、煤气传感器发现危险信息时，能报自动报警并及时给家庭成员发送报警信息；

分析报告各个用电设备用电状况，指导用户合理用电,报提醒用户及时充值。

1系统整体结构

典型的RFID系统由标签(Tag)、读卡器(Reader)、中间报件(Middleware)和控制计算机及软件等称为应用(Application)报的四部分组成［6］。智能家庭用电信息平台利用标签获取用电终报端的用电状况及各探测传感器的状态，安装在房间特定区域报的读卡器根据接收到的标签数据对家居环境进行监控，通过报计算机网络将接收到的标签数据经过预处理之后存入系统数报据库中。监控用户可以使用电脑、智能手机等实时了解用电终报端的工作状况，必要的报警信息还会触发外设的声光报警器。

图1所示是该平台的系统拓扑结构。本系统中的标签分报为两种类型：电能计量标签与用电设备插头相连，实时探测报用电设备电能消耗，控制用电设备功率大小；环境监测标签由报温湿度、烟雾及煤气传感器等组成，安装在室内外特定区域,报实时监测室内外环境。标签定时将探测到的数据发送给读卡报器。读卡器通过天线控制覆盖接收信号的范围，接入家庭网络,报将转发的标签数据存入系统数据库中。标签数据在数据库中报进行合并、去冗余、挖掘特征信息等处理。系统监控用户通报过浏览器获取这些处理过的信息，从而知道用电终端的用电状报况，家庭内外的环境状况，同时，当家庭安防出现异常情况时,报系统会通过邮件推送技术给用户发送邮件。根据需要，系统报还可以方便地进行功能扩展，比如在室内外特定区域安装摄报像机，报警信息触发外部声光报警器等。

图1  智能家庭用电信息系统拓扑结构

智能家庭用电信息系统硬件部分使用有源RFID设备。报软件部分依照浏览器/服务器(Browser/Server,报B/S)框架结报构，使用开源而广泛使用的LAMP(Linux报+报Apache报+报MySQL报+报PHP)作为解决方案包［7］。服务器是后台控制软件，提供阅报读器访问、通信协议解析、标签数据存储和数据库管理等服报务；浏览器作为人机交互工具，提取数据库中数据，进行合报理引用处理，使得任何网络终端设备都可以实现对用电终端设报备监控；数据库起到枢纽作用，作为系统核心，连接后台解析报的数据，响应前台Web网页访问请求。

智能用电信息系统后台软件使用JAVA语言开发，采用基报于TCP/IP协议的套接字(Socket)技术实现上位机(host)与读报卡器直接的通信，利用JAVA语言中JDBC与系统数据库交互。报该系统前台部分使用PHP语言开发，整合Ajax(Asynchronous报JavaScript报and报XML)技术，实现页面实时刷新。

2系统硬件设计

系统硬件部分主要包括标签和阅读器。标签的硬件构成报如图2所示。它集成微处理器、电源管理模块、数据存储模报块、射频通信模块和数据采集接口于一体。根据数据采集接报口中使用传感器的不同，标签可以划分为不同的类型。在本系报统使用了两种类型标签，电能计量标签和环境监测标签。

图2  标签的硬件构成

电能计量标签的数据采集接口基于美国凌云逻辑公司的报单相双向电能芯片CS5460A。该芯片符合IEC、JIS工业标准，报能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率，同时具有相位补报偿及系统自动校准功能。与用电设备插头相连的电能计量标报签采集电压信号及电流信号，采集的电压、电流信号通过相应报的互感器之后进入流/压变换电路，作为CS5460A电能采集报芯片的输入(S5460A进行电能计量，通过串行外设接口报(Serial报Peripheral报Interface,报SPI)与微处理器进行数据交互。

环境监测标签在本系统中主要用来监测家庭环境信息,报其子类别包括温度采集标签、湿度采集标签、烟雾浓度采集报标签和煤气浓度采集标签。它们的功能原理都是实时采集环报境参数，通过与微处理器内置的基准参数比对，获得趋近于报实际环境情况的参数值。微处理器内部还可以预设范围阈值,报当采集的参数超过阈值范围时，就可以得到报警信号。

微处理器将数据采集接口采集到的信号按照一定的编码报规则进行整合与处理，将整合之后的数据通过射频通信模块报以射频信号方式发射出去。接收时再按照与编码规则相同的解报码规则对数据进行解码。

读卡器作为数据交换的一环，将前端标签采集的家庭现报场环境信息传递给后端的计算机网络。一方面，通过天线与报标签进行无线通信，实现读取标签采集的数据和设置标签的报设备参数。另外一方面，读卡器又通过计算机网络与上位机报系统相连，转发接收到的标签信息，由上位机系统实现对标报签数据的存储、管理和控制。

本系统使用的读卡器使用2.4报GHz微波与标签双向通报信，预留RS232、RJ45接口。读卡器配置TCP报Server、TCP报Client、UDP以及COM协议栈，上位机系统可以方便选择一报种协议栈接收读卡器转化的标签数据。为了实现同时对多个报标签进行识别，读卡器执行防碰撞算法。该读卡器还内置两报个继电器，继电器可以与电源开关相连，也可以与报警器相连。报当系统中出现紧急情况时，触发继电器断开电源开关或者触发报外部报警器提醒用户，从而保障用电安全。

3系统软件设计

根据模块化的设计原则，在功能上把系统软件划分为三

层，即数据服务层、逻辑处理层和用户表示层。数据服务层将标签采集到的各设备的数据信息存储到磁盘上报；逻辑处理层提供一系列数据处理接口，根据系统的要求将各种类信息进行归并、去冗余等操作报；用户表示层与系统用户直接交互，接受用户的访问请求，出现异常情况及时向用户报告。

3.1报数据服务层

智能家庭用电信息系统使用关系型数据库报MySQL报存储数据信息。图报3报所示是其数据库表结构。

本系统对用户的电表、系统的用电设备、环境监测位置及用户信息进行统一编号，并以编号作为唯一标识符连接各个实体。

系统包括六张表报：系统信息表存储用户家庭用电总体信息，系统以固定的时间间隔计算系统的电量消耗情况，因而时间作为主键。其他的字段信息包括总用电量、月用电量、停电阈值和剩余电量。设备信息表存储系统监测设备的相关信息，本系统为每个用电设备预设了最大的消耗电量值。该表以设备编号为主键，同时对设备位置、设备名称及购买时间等信息也进行了存储。电能计量标签采集的数据存储到设备用电信息表中，该表以设备编号和计量时间作为联合主键，实时反映设备用电信息。环境监测标签采集的数据存入家居安防信息表中，实时存储检测到的温湿度、烟雾浓度及煤气浓度信息。为保障系统安全，系统为其设计了用户信息表，该表存储具有访问权限的用户信息及用户级别。当系统出现异常情况需要报警时，相关的信息会存入报警信息表中。它具有处理标识，如果该报警信息已经被用户处理了，则不再重复报警。

为了使系统各层具有高内聚、低耦合特性，同时方便数据库操作，本设计集成报Hibernate报框架于系统中进行对象实体关系映射。同时，Hibernate报对报JDBC报进行了轻量级对象封闭，使得报Java报程序员可以使用面向对象的思维来操作关系数据库[9]。另外，系统还对数据库中每一张数据表建立了一个数据访问对象报(Data报Access报Object，DAO)，并由报DAO报作为访问数据库的统一接口，因而隐藏了数据库具体实现细节。

3.2报逻辑处理层

逻辑处理层为系统提供数据访问操作接口，具体划分为如图报4报所示的四个业务子模块，即业务接口模块、业务处理模块、数据接口模块和数据缓冲模块。业务接口模块接收从用户触发的访问请求事件，将事件传递、解析，根据访问请求的事件类型调用业务处理模块中对应的功能模块。业务处理模块定义本系统所要做工作，包括电能计量、电价查询、家庭安防及异常报警等。数据接口模块直接面向数据库，提供数据库查询访问及数据筛选等工作，之后将数据交给数据缓冲模块进行数据的分析和封装。这样一个流程之后，用户就能获得所访问的结果。

家庭智能用电系统的各个模块分工合作，完成各自任务，实现系统功能，图报5报所示是其程序流程。

图4  逻辑处理层

程序开始运行之后获取各个标签的状态量，这些状态量报包括家庭各用电设备的电流电压功率、室内外环境中温湿度、报室内外环境中烟雾及煤气浓度，然后判断这些状态量中是否报存在有异常情况。如果有异常，则判断异常属于哪种情况，将报相关信息写入数据库并提示报警:反之，则直接通过Internet报连接供电局得到当前阶段电价。程序根据阶段电价信息计算用报户当前所用电量电费，如果用户预存入的电费余额不多，也把报相关信息写入数据并提醒用户及时充值。

图5  程序流程图

3.3用户表示层

为了适应当前移动平台发展趋势，本系统以B/S作为框报架结构，并以PHP语言结合CSS、HTML来开发用户表示层。

为了保证系统具有良好的响应机制，在实施的过程中采报用Ajax技术的。使用Ajax技术，系统在对用户请求进行响报应过程中建立异步请求对象，避免了客户端和服务器间直接报交互。用户请求的数据信息交由Ajax引擎完成，使用户操作报和服务器响应异步化，减少冗余数据的重载，缩短了用户的报等待时间。

为本系统开发的一个官方微博能自动发布消息。进入互报联网提供商的应用开发平台创建应用后申请App报Key和App报Secret这两个与授权相关的信息，下载与开发语言相对应的报SDK(本系统使用Java版本)，里面有demo，把App报Key及报App报Secret填入配置文件，根据想要实现的功能编写和修改报demo[11]„

借助甲骨文公司提供的JavaMail报API，利用谷歌邮箱报作为发送者，使用简单邮件传输协议(Simple报Mail报Transfer报Protocol,报STMP)，实现系统邮件自动推送[12]。

4系统功能

注册用户可以远程实现对电器设备自动化监控和电能计报量管理，系统出现的异常报警信息则以邮件推送方式报告给报用户。本系统实现的具体功能如下：

用户可以通过浏览器实时查看家庭内部耗电设备的有报功功率的变化曲线及耗电设备占家庭用电的百分比。

用户可以通过浏览器更改家庭设备的参数，从而远程报控制家庭设备的开关。

系统每月自动生成包含所有设备用电状况的电费账单,报包括用电总度数、超出各档阶梯电价度数、各设备具体用电度报数及占总耗电的百分比、本月用电趋势等信息。帮助用户详细报了解用电状况，从而指导用户提出更优化的用电方案。

电费账单通过绑定的邮箱和微博推送，用户只需登录报邮箱或关注系统绑定的官方微博就可以了解最新的家庭用电报状况。

用户可以设定各用电设备的功率及耗能阈值，当设备报用电功率或本月总耗能超出设定的阈值时，通过发送邮件和微报博进行提醒，用户可以根据需要决定是否远程关闭用电设备。

系统实时监控家庭环境信息，自动调控室内的温湿报度信息。

烟雾及煤气检测标签监控室内其浓度含量，出现异报常事件时，及时报警。

5结语

基于RFID技术的智能家庭用电信息平台可实时采集显示报用户当前用电信息，提供用电信息查询功能，监控家庭环境温报湿度信息，并具有防火灾报警及防煤气泄露功能，同时可实现报对用电终端、家庭安防的智能监控。另外，本系统以RFID标报签作为采集器采集家庭环境信息，以无线射频信号作为通信报介质，通过读卡器转化标签信号与网络相连，上位机系统将报数据存储在数据库中，对其进行算法处理和数据分析，浏览报器可以方便地对这些信息访问，并具有网络安全性高、可靠报性强、实施难度低和性价比高等优点，功能容易扩展。

20211020_617001ef241bc__基于RFID技术的智能家庭用电信息系统构建