0 引 言

　　近年來，RFID 技術在零售業.圖書館服務.供應鏈管理等領域得到廣泛使用.同時，RFID 技術也逐步應用于電力系統用以構筑智慧電網.傳統居民用戶信息采集系統的主站一般設置在供電局，用戶要了解用電信息需采用賬單查詢.上網查詢或電話查詢等方式.這些方式不夠便捷，難以滿足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情況，出現故障也無法及時排除.與此同時，現代人對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.

　　根據我國當前智能電網的發展趨勢，為了有效監控家庭用電終端，維護用電安全，本文構建了一個基于RFID 技術與各種探測傳感器相融合的智能家庭用電信息系統.該系統可解決如下問題：

　　(1) 完成家庭照明設備的開.關.亮度調節及狀態顯示;

　　(2) 實現對家庭中所有家用電器的統一控制與管理;

　　(3) 溫濕度采集傳感器根據家庭內外溫濕度的變化，自動調節窗簾的開合.空調的啟停;

　　(4) 安裝的煙霧傳感器.煤氣傳感器發現危險信息時，能自動報警并及時給家庭成員發送報警信息;

　　(5) 分析報告各個用電設備用電狀況，指導用戶合理用電，提醒用戶及時充值.

　　1 系統整體結構

　　典型的RFID 系統由標簽(Tag).讀卡器(Reader).中間件(Middleware) 和控制計算機及軟件等稱為應用(Application)的四部分組成.智能家庭用電信息平臺利用標簽獲取用電終端的用電狀況及各探測傳感器的狀態，安裝在房間特定區域的讀卡器根據接收到的標簽數據對家居環境進行監控，通過計算機網絡將接收到的標簽數據經過預處理之后存入系統數據庫中.監控用戶可以使用電腦.智能手機等實時了解用電終端的工作狀況，必要的報警信息還會觸發外設的聲光報警器.

　　圖1 所示是該平臺的系統拓撲結構.本系統中的標簽分為兩種類型：電能計量標簽與用電設備插頭相連，實時探測用電設備電能消耗，控制用電設備功率大小;環境監測標簽由溫濕度.煙霧及煤氣傳感器等組成，安裝在室內外特定區域，實時監測室內外環境.標簽定時將探測到的數據發送給讀卡器.讀卡器通過天線控制覆蓋接收信號的范圍，接入家庭網絡，將轉發的標簽數據存入系統數據庫中.標簽數據在數據庫中進行合并.去冗余.挖掘特征信息等處理.系統監控用戶通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況，家庭內外的環境狀況，同時，當家庭安防出現異常情況時，系統會通過郵件推送技術給用戶發送郵件.根據需要，系統還可以方便地進行功能擴展，比如在室內外特定區域安裝攝像機，報警信息觸發外部聲光報警器等.

　　智能家庭用電信息系統硬件部分使用有源RFID 設備.

　　軟件部分依照瀏覽器/ 服務器(Browser/Server, B/S) 框架結構，使用開源而廣泛使用的LAMP(Linux + Apache + MySQL+ PHP) 作為解決方案包.服務器是后臺控制軟件，提供閱讀器訪問.通信協議解析.標簽數據存儲和數據庫管理等服務;瀏覽器作為人機交互工具，提取數據庫中數據，進行合理引用處理，使得任何網絡終端設備都可以實現對用電終端設備監控;數據庫起到樞紐作用，作為系統核心，連接后臺解析的數據，響應前臺Web 網頁訪問請求.

　　智能用電信息系統后臺軟件使用JAVA 語言開發，采用基于TCP/IP 協議的套接字(Socket) 技術實現上位機(host) 與讀卡器直接的通信，利用JAVA 語言中JDBC 與系統數據庫交互.

　　該系統前臺部分使用PHP 語言開發，整合Ajax(AsynchronousJavaScript and XML) 技術，實現頁面實時刷新.

　　2 系統硬件設計

　　系統硬件部分主要包括標簽和閱讀器.標簽的硬件構成如圖2 所示.它集成微處理器.電源管理模塊.數據存儲模塊.射頻通信模塊和數據采集接口于一體.根據數據采集接口中使用傳感器的不同，標簽可以劃分為不同的類型.在本系統使用了兩種類型標簽，電能計量標簽和環境監測標簽.

　　電能計量標簽的數據采集接口基于美國凌云邏輯公司的單相雙向電能芯片CS5460A.該芯片符合IEC.JIS 工業標準，能夠測量瞬時電壓.瞬時電流.瞬時功率，同時具有相位補償及系統自動校準功能[8].與用電設備插頭相連的電能計量標簽采集電壓信號及電流信號，采集的電壓.電流信號通過相應的互感器之后進入流/ 壓變換電路，作為CS5460A 電能采集芯片的輸入.CS5460A進行電能計量，通過串行外設接口 (SerialPeripheral Interface, SPI) 與微處理器進行數據交互.

　　環境監測標簽在本系統中主要用來監測家庭環境信息，其子類別包括溫度采集標簽.濕度采集標簽.煙霧濃度采集標簽和煤氣濃度采集標簽.它們的功能原理都是實時采集環境參數，通過與微處理器內置的基準參數比對，獲得趨近于實際環境情況的參數值.微處理器內部還可以預設范圍閾值，當采集的參數超過閾值范圍時，就可以得到報警信號.

　　微處理器將數據采集接口采集到的信號按照一定的編碼規則進行整合與處理，將整合之后的數據通過射頻通信模塊以射頻信號方式發射出去.接收時再按照與編碼規則相同的解碼規則對數據進行解碼.

　　讀卡器作為數據交換的一環，將前端標簽采集的家庭現場環境信息傳遞給后端的計算機網絡.一方面，通過天線與標簽進行無線通信，實現讀取標簽采集的數據和設置標簽的設備參數.另外一方面，讀卡器又通過計算機網絡與上位機系統相連，轉發接收到的標簽信息，由上位機系統實現對標簽數據的存儲.管理和控制.

　　本系統使用的讀卡器使用2.4 GHz 微波與標簽雙向通信，預留RS232.RJ45 接口.讀卡器配置TCP Server.TCPClient.UDP 以及COM 協議棧，上位機系統可以方便選擇一種協議棧接收讀卡器轉化的標簽數據.為了實現同時對多個標簽進行識別，讀卡器執行防碰撞算法.該讀卡器還內置兩個繼電器，繼電器可以與電源開關相連，也可以與報警器相連.

　　當系統中出現緊急情況時，觸發繼電器斷開電源開關或者觸發外部報警器提醒用戶，從而保障用電安全.

　　3 系統軟件設計

　　根據模塊化的設計原則，在功能上把系統軟件劃分為三層，即數據服務層.邏輯處理層和用戶表示層.數據服務層將標簽采集到的各設備的數據信息存儲到磁盤上;邏輯處理層提供一系列數據處理接口，根據系統的要求將各種類信息進行歸并.去冗余等操作;用戶表示層與系統用戶直接交互，接受用戶的訪問請求，出現異常情況及時向用戶報告.

　　3.1 數據服務層

　　智能家庭用電信息系統使用關系型數據庫MySQL 存儲數據信息.圖3 所示是其數據庫表結構.

　　本系統對用戶的電表.系統的用電設備.環境監測位置及用戶信息進行統一編號，并以編號作為唯一標識符連接各個實體.

　　系統包括六張表：系統信息表存儲用戶家庭用電總體信息，系統以固定的時間間隔計算系統的電量消耗情況，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.設備信息表存儲系統監測設備的相關信息，本系統為每個用電設備預設了最大的消耗電量值.該表以設備編號為主鍵，同時對設備位置.設備名稱及購買時間等信息也進行了存儲.電能計量標簽采集的數據存儲到設備用電信息表中，該表以設備編號和計量時間作為聯合主鍵，實時反映設備用電信息.環境監測標簽采集的數據存入家居安防信息表中，實時存儲檢測到的溫濕度.煙霧濃度及煤氣濃度信息.為保障系統安全，系統為其設計了用戶信息表，該表存儲具有訪問權限的用戶信息及用戶級別.當系統出現異常情況需要報警時，相關的信息會存入報警信息表中.它具有處理標識，如果該報警信息已經被用戶處理了，則不再重復報警.

　　為了使系統各層具有高內聚.低耦合特性，同時方便數據庫操作，本設計集成Hibernate 框架于系統中進行對象實體關系映射.同時，Hibernate 對JDBC 進行了輕量級對象封閉，使得Java 程序員可以使用面向對象的思維來操作關系數據庫.另外，系統還對數據庫中每一張數據表建立了一個數據訪問對象(Data Access Object,DAO)，并由DAO 作為訪問數據庫的統一接口，因而隱藏了數據庫具體實現細節.

　　3.2 邏輯處理層

　　邏輯處理層為系統提供數據訪問操作接口，具體劃分為如圖4 所示的四個業務子模塊，即業務接口模塊.業務處理模塊.數據接口模塊和數據緩沖模塊.業務接口模塊接收從用戶觸發的訪問請求事件，將事件傳遞.解析，根據訪問請求的事件類型調用業務處理模塊中對應的功能模塊.業務處理模塊定義本系統所要做工作，包括電能計量.電價查詢.家庭安防及異常報警等.數據接口模塊直接面向數據庫，提供數據庫查詢訪問及數據篩選等工作，之后將數據交給數據緩沖模塊進行數據的分析和封裝.這樣一個流程之后，用戶就能獲得所訪問的結果.

　　家庭智能用電系統的各個模塊分工合作，完成各自任務，實現系統功能，圖5 所示是其程序流程.

　　程序開始運行之后獲取各個標簽的狀態量，這些狀態量包括家庭各用電設備的電流電壓功率.室內外環境中溫濕度.室內外環境中煙霧及煤氣濃度，然后判斷這些狀態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，將相關信息寫入數據庫并提示報警;反之，則直接通過Internet連接供電局得到當前階段電價.程序根據階段電價信息計算用戶當前所用電量電費，如果用戶預存入的電費余額不多，也把相關信息寫入數據并提醒用戶及時充值.

　　3.3 用戶表示層

　　為了適應當前移動平臺發展趨勢，本系統以B/S 作為框架結構，并以PHP 語言結合CSS.HTML 來開發用戶表示層.

　　為了保證系統具有良好的響應機制，在實施的過程中采用Ajax 技術.使用Ajax 技術，系統在對用戶請求進行響應過程中建立異步請求對象，避免了客戶端和服務器間直接交互.用戶請求的數據信息交由Ajax 引擎完成，使用戶操作和服務器響應異步化，減少冗余數據的重載，縮短了用戶的等待時間.

　　為本系統開發的一個官方微博能自動發布消息.進入互聯網提供商的應用開發平臺創建應用后申請App Key 和AppSecret 這兩個與授權相關的信息，下載與開發語言相對應的SDK( 本系統使用Java 版本)，里面有demo,把App Key 及App Secret 填入配置文件，根據想要實現的功能編寫和修改demo.

　　借助甲骨文公司提供的JavaMail API,利用谷歌郵箱作為發送者，使用簡單郵件傳輸協議(Simple Mail TransferProtocol, STMP)，實現系統郵件自動推送.

　　4 系統功能

　　注冊用戶可以遠程實現對電器設備自動化監控和電能計量管理，系統出現的異常報警信息則以郵件推送方式報告給用戶.本系統實現的具體功能如下：

　　(1) 用戶可以通過瀏覽器實時查看家庭內部耗電設備的有功功率的變化曲線及耗電設備占家庭用電的百分比.

　　(2) 用戶可以通過瀏覽器更改家庭設備的參數，從而遠程控制家庭設備的開關.

　　(3) 系統每月自動生成包含所有設備用電狀況的電費賬單，包括用電總度數.超出各檔階梯電價度數.各設備具體用電度數及占總耗電的百分比.本月用電趨勢等信息.幫助用戶詳細了解用電狀況，從而指導用戶提出更優化的用電方案.

　　(4) 電費賬單通過綁定的郵箱和微博推送，用戶只需登錄郵箱或關注系統綁定的官方微博就可以了解最新的家庭用電狀況.

　　(5) 用戶可以設定各用電設備的功率及耗能閾值，當設備用電功率或本月總耗能超出設定的閾值時，通過發送郵件和微博進行提醒，用戶可以根據需要決定是否遠程關閉用電設備.

　　(6) 系統實時監控家庭環境信息，自動調控室內的溫濕度信息.

　　(7) 煙霧及煤氣檢測標簽監控室內其濃度含量，出現異常事件時，及時報警.

　　5 結 語

　　基于RFID 技術的智能家庭用電信息平臺可實時采集顯示用戶當前用電信息，提供用電信息查詢功能，監控家庭環境溫濕度信息，并具有防火災報警及防煤氣泄露功能，同時可實現對用電終端.家庭安防的智能監控.另外，本系統以RFID 標簽作為采集器采集家庭環境信息，以無線射頻信號作為通信介質，通過讀卡器轉化標簽信號與網絡相連，上位機系統將數據存儲在數據庫中，對其進行算法處理和數據分析，瀏覽器可以方便地對這些信息訪問，并具有網絡安全性高.可靠性強.實施難度低和性價比高等優點，功能容易擴展.