基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端的製作方法

2023-05-05 14:48:41 2

本發明屬於節電設備終端技術領域，特別是涉及到一種基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端。

背景技術：

隨著網際網路科技技術的高速發展和廣泛應用，對於辦公場所節能用電的重要性尤為突出，近年來，相關企事業單位將節能減排提上日程，針對一些辦公設備閒置時不關電源採取了一些措施，以響應國家節能減排的倡議。目前由於空氣汙染，PM2.5嚴重超標，越來越多的人關注起自己的辦公環境及居住環境，因此需要一種同時具有節電及環境監測兩大功能的設備，能夠滿足相關企事業單位和關注環境監控人群的需求。

目前刷卡取電設備大多功能單一，相關的功能設置不全面，而接入網際網路的設備有局限性，即需要無線上網網絡支持，且成本高，不具備環境監測報警功能。

如中國發明專利公開號「CN204539577U」名稱為「教室照明節能控制裝置」的專利公開了一種教室照明節能控制裝置，包括機殼、刷卡區域、光強檢測晶片、顯示區域和按鍵區域，所述按鍵區域位於機殼上表面下部，所述按鍵區域上部為顯示區域，所述顯示區域上部為刷卡區域，所述刷卡區域一側為光強檢測晶片。該種教室照明節能控制裝置，功能單一，不具備用電量數據分析處理功能，在實現辦公場所應用中，智能化程度不高。

如中國發明專利公開號「CN105068483A」名稱為「一種建築智能節電控制系統」的專利包括單片機整體控制模塊、光強感知模塊、百葉窗控制模塊、PWM光強控制電路、液晶刷卡模塊，所述光強感知模塊實時檢測太陽光照室內溫度，所述液晶刷卡模塊檢測建築內人員分布，且兩者將檢測數據轉化為電信號發送給單片機整體控制模塊；所述單片機整體控制模塊接收並處理光強感知模塊和液晶刷卡模塊傳遞過來的電信號，再將其發送給百葉窗控制模塊和PWM光強控制電路；百葉窗控制模塊接收到單片機整體控制模塊發送的電信號後，控制電動百葉窗工作；PWM光強控制電路改變建築內燈光的強弱。該一種建築智能節電控制系統，結構簡單、可控設備單一，智能化控制程度不強，被控設備指涉及室內照明相關設備。

因此現有技術當中亟需要一種新型的技術方案來解決這一問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端用來解決辦公場所對同時具有節電及環境監測兩大功能的設備的需求。

基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端，包括外殼、MCU主控器、繼電器、AC-DC轉換器、串口、RFID讀卡模塊、Zigbee模塊、藍牙模塊、指示燈、聲音告警裝置、A/D數據採集器、LED顯示屏和傳感器組件，所述外殼的內部固定安裝有MCU主控器、繼電器、AC-DC轉換器、RFID讀卡模塊、Zigbee模塊、藍牙模塊、聲音告警裝置、A/D數據採集器和傳感器組件，外殼的外壁上固定安裝有串口、指示燈和LED顯示屏；所述MCU主控器分別與繼電器、AC-DC轉換器、串口、RFID讀卡模塊、Zigbee模塊、藍牙模塊、指示燈、聲音告警裝置、A/D數據採集器、LED顯示屏以及傳感器組件連接，MCU主控器通過Zigbee模塊與PC端伺服器管理平臺連接；所述串口與外接計算機串口連接；所述A/D數據採集器包括電壓採樣模塊和電流採樣模塊；所述傳感器組件包括溫度傳感器、溼度傳感器和空氣品質傳感器；所述空氣品質傳感器包括PM2.5傳感器和有害氣體傳感器。

所述RFID讀卡模塊的讀卡方式為非接觸主動式讀卡方式，RFID讀卡模塊用於讀取13.56MHz高頻卡，並將讀取的卡號通過USART發送到MCU主控器。

所述Zigbee模塊採用CC2530晶片，Zigbee模塊通過板載導線與MCU主控器連接並對數據傳輸進行加密。

所述藍牙模塊與智慧型手機無線連接，藍牙模塊用於發送用電量、刷卡記錄、溫溼度以及空氣品質數據信息，並提供實時數據信息查詢。

所述指示燈為紅色指示燈、藍色指示燈和黃色指示燈，其中紅色指示燈為電源指示燈，藍色指示燈為刷卡指示燈，黃色指示燈為供電開關指示燈。

通過上述設計方案，本發明可以帶來如下有益效果：

本發明採用Zigbee、藍牙通信技術和RFID射頻技術，實現了對監控場所的網絡化監控和智能化控制。MCU主控器、繼電器、AC-DC轉換器、串口、RFID讀卡模塊、Zigbee模塊、藍牙模塊、指示燈模塊、聲音告警裝置、A/D數據採集器、LED顯示屏以及傳感器組件均採用工業級元器件，穩定性高，抗幹擾能力強。用電量、刷卡記錄、溫溼度、空氣品質等數據通過Zigbee網絡傳輸到PC端伺服器管理平臺，傳輸協議採用Zigbee通信協議。本發明設計科學嚴謹、智能控制程度高、穩定性好，設備安裝操作簡單，是一種可實現網絡化智能控制、實時監測、數據上傳並處理的基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端。

本發明具有功能多元化、現場安裝操作簡單、智能化控制、Zigbee網絡化監控、工作穩定性強和低成本等優點，應用於機房智能家居環境監控領域及辦公領域，可以對辦公場所進行節電和環境監測。目前由於辦公場所用電設備在閒置或無人時長時間運行及空氣品質下降無法控制和查詢，而導致電力浪費和空氣品質引起身體不適的情況發生，本發明確保了辦公場所用電設備閒置或無人使用時設備斷電，並且長時間對環境監測，為發現空氣品質下降和告警提供依據。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的說明：

圖1為本發明基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端的結構框圖。

圖中1-MCU主控器、2-繼電器、3-AC-DC轉換器、4-串口、5-RFID讀卡模塊、6-Zigbee模塊、7-藍牙模塊、8-指示燈、9-聲音告警裝置、10-A/D數據採集器、11-LED顯示屏、12-傳感器組件。

具體實施方式

如圖所示，基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端，包括外殼、MCU主控器1、繼電器2、AC-DC轉換器3、串口4、RFID讀卡模塊5、Zigbee模塊6、藍牙模塊7、指示燈8、聲音告警裝置9、A/D數據採集器10、LED顯示屏11、傳感器組件12，所述外殼的內部固定安裝有MCU主控器1、繼電器2、AC-DC轉換器3、RFID讀卡模塊5、Zigbee模塊6、藍牙模塊7、聲音告警裝置9、A/D數據採集器10和傳感器組件12，外殼的外壁上固定安裝有串口4、指示燈8和LED顯示屏11；所述MCU主控器1分別與繼電器2、AC-DC轉換器3、串口4、RFID讀卡模塊5、Zigbee模塊6、藍牙模塊7、指示燈8、聲音告警裝置9、A/D數據採集器10、LED顯示屏11以及傳感器組件12連接，MCU主控器1通過Zigbee模塊6與PC端伺服器管理平臺連接；所述串口4與外接計算機串口連接；所述A/D數據採集器10包括電壓採樣模塊、電流採樣模塊、濾波電路以及基準電壓電路；所述傳感器組件12包括溫度傳感器、溼度傳感器和空氣品質傳感器；所述空氣品質傳感器包括PM2.5傳感器和有害氣體傳感器。

所述RFID讀卡模塊5的讀卡方式為非接觸主動式讀卡方式，RFID讀卡模塊5用於讀取13.56MHz高頻卡，並將讀取的卡號通過USART發送到MCU主控器1進行處理。

所述藍牙模塊7與智慧型手機無線連接，藍牙模塊7用於發送用電量、刷卡記錄、溫溼度以及空氣品質數據信息，並提供實時數據信息查詢。

所述指示燈8為紅色指示燈、藍色指示燈和黃色指示燈，其中紅色指示燈為電源指示燈，藍色指示燈為刷卡指示燈，黃色指示燈為供電開關指示燈。

所述MCU主控器1對各模塊進行初始化，並統一管理，對各模塊採集的數據進行接收分析處理。

所述繼電器2用於交流電開啟與關閉。

所述AC-DC轉換器3用於交流直流電壓轉換及穩壓處理，對設備終端進行供電。

所述串口4用於連接外接計算機進行程序燒錄及程序調試信息輸出。

所述RFID讀卡模塊5採用非接觸式主動式讀卡方式讀取13.56MHZ高頻卡卡號，並將讀取的卡號數據通過USART發送到MCU主控器1進行處理，判斷卡號是否授權。

所述的Zigbee模塊6為CC2530晶片，抗幹擾能力強、測量準、精度高，通過板載導線與MCU主控器1接口連接，並對數據傳輸進行了加密處理，Zigbee模塊6以自組網方式，把電量信息數據上傳到PC端伺服器，並接收伺服器下發指令給MCU主控器1分析處理。

所述傳感器組件12包括三種傳感器分別為溫度傳感器、溼度傳感器、空氣品質傳感器，傳感器採集值通過A/D數據採集器10發送給MCU主控器1進行分析處理，傳感器元器件精度高、穩定性強。

所述空氣品質傳感器進一步包括PM2.5和有害氣體傳感器，並將兩種元器件整合到一個模塊中，此小型化、集成化設計，有效的節省空間和成本。

指示燈8分為紅色、藍色和黃色，紅色為電源指示燈，藍色為刷卡指示燈，黃色為繼電器供電開關指示燈，

所述聲音告警裝置9用於刷卡、倒計時斷電及環境參數預警時發出的聲音告警。

所述A/D數據採集器10用於採集當前負載運行的電流電壓值，經MCU主控器1處理後，在LED顯示屏11上顯示相關數據信息以及上傳到PC端伺服器，A/D數據採集器10進一步包括電壓採樣模塊、電流採樣模塊、濾波電路、基準電壓電路。

所述的藍牙模塊7，兼容4.0及以下版本，與智慧型手機無線連接，並發送用電量、刷卡記錄、溫溼度、空氣品質等數據信息，此功能模塊可提供實時數據信息查詢。

MCU主控器1採用STC89C52微處理器，Zigbee模塊6採用CC2530微處理器，藍牙晶片採用nRF8001晶片，溫溼度傳感器採用DHT90晶片，空氣品質傳感器採用TGS2602FIGARO空氣品質傳感器，讀卡模塊採用高度集成讀寫卡晶片MFRC522為射頻基站，精度高、抗幹擾能力強，所有晶片採用工業級晶片，工作性能穩定。

本發明基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端採用Zigbee及藍牙網絡通訊技術進行數據信息傳輸，採用Zigbee自組網絡進行數據信息傳輸，實現固定ID地址向目標ID地址進行數據傳輸，直接將用電量、刷卡記錄、溫溼度、空氣品質等數據信息發送到目標伺服器。

本發明的工作過程如下：設備上電，MCU主控器1對各模塊進行初始化，Zigbee模塊6自動組網並進行加密設置，設備終端在燒錄程序時，EEPROM寫入一張高頻卡卡號，授權為管理員卡號，當持管理員卡刷卡時，聲音告警裝置9發出三聲短促的聲音提示，並在五秒內刷入另一張高頻卡，此卡卡號將寫入EEPROM裡，將此卡授權為用戶使用卡，成功授權後，聲音告警裝置9發出兩聲短促的聲音提示，此時MCU主控器1觸發繼電器動作，被控設備供電，當節電設備終端檢測不到授權卡，被控設備30分鐘後自動斷電。

本具體實施方式中，當檢測到授權卡，繼電器2閉合被控設備供電，用電量、刷卡記錄、溫溼度、空氣品質等數據信息在LED顯示屏11顯示，並通過Zigbee網絡上傳到PC端伺服器軟體管理平臺，由軟體平臺對數據進行統計分析處理，同時軟體管理平臺可下發指令給節電設備終端。

其中高頻卡授權方式有兩種，一種為PC伺服器軟體管理平臺授權模式，另一種為管理員卡授權模式；PC伺服器軟體管理平臺授權模式必須在Zigbee模塊6組網成功後授權。

其中Zigbee模塊6的配置參數需要設置，通過模塊自身串口與PC機串口相連進行設置，設置參數包括：Zigbee網關、模塊ID地址、自組網絡名稱、傳輸模式、數據幀格式及波特率。

本發明的數據信息查看有兩種方式，一種為智慧型手機APP查看方式；一種為PC端伺服器查看方式。智慧型手機APP查看方式即智能節電設備終端藍牙模塊7連接手機，並將實時用電量、刷卡記錄、溫溼度、空氣品質等數據信息發送給手機，在APP裡顯示數據信息，藍牙模塊7支持4.0及以下版本，手機APP為只讀模式。

本發明基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端可實現如下功能：高頻13.56MHz授權卡檢測，為授權卡時，繼電器2閉合被控設備供電，反之斷電；當授權卡離開讀卡範圍時，節電設備終端計時半小時後斷電，計時時間可設；在設備授權供電時，電量信息每隔一定時間上傳一次，時間可設；溫溼度、空氣品質實時進行監測並上傳，某項參數值達到預警值時，節電終端設備會發出聲音報警；傳統的節電設備終端功能單一、智能控制化程度不強，並沒有伺服器軟體管理平臺進行數據統計分析；本智能節電設備終端，功能多元化、穩定性強、智成化控制成度高、成本低、操作安裝簡單，並有伺服器軟體管理平臺進行數據統計分析和手機APP實時數據信息監測，在實際辦公場所應用中，可以在很大程度上減低用電費用，提高節約用電效率。

本發明基於RFID和Zigbee技術的智能節電終端實現了其功能多元化、控制智能化、安裝操作簡單化，特別是融合了智能節電和環境監控功能，可向目標伺服器發送監測信息，也可與智慧型手機連接，實時查看相關參數信息，在實際辦公場所應用中，可按區域或個人進行聯網控制，用電量數據統計分析。

本發明應用於教室節電終端時，利用RFID射頻識別模塊統計教室人數，高精度的光強測量集成晶片TSL230對教室光照度進行檢測，若教室光線充足，學生無論是否刷卡，照明燈均不打開；若是光線比較暗的白天或是晚自習，學生通過隨身攜帶的校園卡刷卡取電，控制器根據統計到的刷卡人數確定教室亮燈個數。結構簡單、實用性強、達到了按需供電的目的，為高校節約了電能，利於在高校推廣應用。

本發明還可以連接光強傳感器，並結合智能電動百葉窗、液晶刷卡選座子系統等設備，節電效果明顯。

本發明智能化控制程度高，適用範圍較大，如電腦、室內照明、辦公設備等均可控，而且在環境監控上有很好的應用，通過對辦公場所環境的監測，來告知開啟空氣淨化設備或排風等相關設備。