基于RFID的消除待機(jī)功耗型考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜海濤+馬志強(qiáng)+冀曉凱

摘 要：以STC12C5A60S2和RFID讀寫模塊為主要部件，輔以DS1302和LCD12864顯示模塊、繼電器模塊，針對(duì)待機(jī)功耗的問題，設(shè)計(jì)了一款適用于辦公室的基于射頻卡技術(shù)的節(jié)電型考勤系統(tǒng)。該系統(tǒng)在具有考勤功能的同時(shí)可以有效避免電能的浪費(fèi)。該設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，硬件設(shè)計(jì)主要包括13.56 MHz讀/寫RFID模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、12864LCD顯示單元，STC12C5A60S2微控制器單元及繼電器控制單元的電路設(shè)計(jì)等。軟件設(shè)計(jì)主要包括RFID讀寫模塊子程序，DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序，12864液晶顯示子程序等。

關(guān)鍵詞：考勤系統(tǒng);RFID;DS1302;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

很多人對(duì)于電器的“待機(jī)能耗”這一概念并不是很清楚，通俗來講，待機(jī)能耗是日用家電產(chǎn)品在待機(jī)功能狀態(tài)下的電能消耗。有些人甚至壓根沒聽說過這個(gè)概念，很多人以為用搖控器關(guān)閉了電器設(shè)備，電器設(shè)備就不可能耗電了，造成這一觀念的原因主要是對(duì)電器的“關(guān)機(jī)”和“待機(jī)”概念混淆，關(guān)機(jī)是電器完全斷電了，但待機(jī)情況下電器仍然消耗電能。

據(jù)上海電力公司組織的一項(xiàng)調(diào)查顯示，該市空調(diào)、家庭視頻與音頻系統(tǒng)、電腦與通訊系統(tǒng)這三類主要家用電器的待機(jī)能耗總量約為7億千瓦時(shí)，如果平均每發(fā)電1千瓦時(shí)，需要消耗468克原煤，那么將白白浪費(fèi)30多萬噸原煤。每年7億千瓦時(shí)的待機(jī)能耗，直接造成消費(fèi)者約3億元電費(fèi)支出的浪費(fèi)。前段時(shí)間，中央電視臺(tái)播放一則公益廣告也是提醒廣大觀眾注意隨手拔下插座，以防止待機(jī)功耗的存在。降低待機(jī)能耗不僅意味著消費(fèi)者節(jié)省用電開支，更直接減少了能源浪費(fèi)和環(huán)保壓力，因?yàn)槲覈壳爸饕€是火力發(fā)電，若以每戶每年流失130度電計(jì)算，則相當(dāng)于為此白白發(fā)電而浪費(fèi)52千克標(biāo)準(zhǔn)煤、520升凈水，同時(shí)排放了碳粉塵35.36千克、CO2 ?129.61千克、二氧化硫3.9千克、氮氧化物1.95千克。

本文針對(duì)當(dāng)前所存在的一系列狀況設(shè)計(jì)并開發(fā)完成了一款適用于辦公環(huán)境下的用于消除待機(jī)功耗的基于RFID射頻卡技術(shù)的考勤機(jī)，從而盡可能降低不必要的電能浪費(fèi)。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)投入現(xiàn)場(chǎng)使用后，一個(gè)辦公室內(nèi)部的每一位員工上班后若想讓其所處位置的電腦（包含主機(jī)、顯示器、音箱等）及輔助設(shè)備（如打印機(jī)等）工作，需要在上班時(shí)首先刷卡確認(rèn)，該確認(rèn)完成對(duì)員工的考勤工作，并且自動(dòng)控制相關(guān)繼電器吸合完成對(duì)該員工所處位置設(shè)備的上電操作。該系統(tǒng)也可以進(jìn)行相關(guān)設(shè)置和查詢，諸如每一位員工的上班時(shí)間（輔助考勤）、下班時(shí)間自動(dòng)切斷辦公電源等。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分主要包括基于STC12系列單片機(jī)和射頻讀卡單元、LCD顯示單元及繼電器單元的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

本設(shè)計(jì)基于STC12C5A60S2微控制器及符合ISO15963協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的13.56 MHz讀/寫RFID模塊，包括DS1302時(shí)鐘模塊和12864LCD時(shí)鐘顯示器件。本設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，硬件設(shè)計(jì)主要包括13.56 MHz讀/寫RFID模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、12864LCD顯示單元，STC12C5A60S2微控制器單元及繼電器控制單元的電路設(shè)計(jì)等。軟件設(shè)計(jì)主要包括RFID讀寫模塊子程序，DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序，12864液晶顯示子程序等。

圖1 ?系統(tǒng)整體方案圖

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由電源電路、RF射頻模塊電路、LCD顯示模塊電路、控制按鍵模塊電路、時(shí)鐘電路模塊及多路繼電器開關(guān)電路等部分組成。該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，可完成RF射頻卡模塊讀寫、多路繼電器開關(guān)、LCD液晶顯示等功能。

2.1 ?主控芯片電路

本系統(tǒng)采用宏晶科技的STC12C5A60S2作為系統(tǒng)的核心控制器。該微控制器為L(zhǎng)QFP44封裝，工作電壓為3.7～5.5 V，具有60 KB Flash程序存儲(chǔ)器，1 KB的SRAM，且采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051單片機(jī)快6～12倍，完全滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2.2 ?RF射頻模塊電路

本系統(tǒng)采用基于恩智浦IC集成電路開發(fā)的高頻RFID讀/寫模塊CM015B-3。CM015B-3是完全符合ISO15963協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的13.56 MHz讀/寫模塊，支持I.CODE SLI，Tag_it HF I.可以自己檢測(cè)卡片/標(biāo)簽，且具有RS 232輸出接口。圖2為CM015B-3實(shí)物圖。

圖2 ?RF射頻模塊CM015B-3實(shí)物圖

如圖2所示，RF射頻模塊CM015B-3有五個(gè)引腳。分別為管腳GND、管腳VCC、管腳Txd、管腳Rxd及ID卡檢測(cè)標(biāo)志，其與單片機(jī)接口連接非常方便。管腳Txd和管腳Rxd分別與單片機(jī)Txd和Rxd相連，管腳GND接系統(tǒng)地線，管腳VCC與系統(tǒng)的電源正極+5 V相連。RF射頻模塊CM015B-3與單片機(jī)之間采用串口遵循相關(guān)協(xié)議進(jìn)行通信。

2.3 ?繼電器開關(guān)電路

繼電器模塊硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。當(dāng)員工刷卡進(jìn)行考勤，若考勤成功則將其對(duì)應(yīng)繼電器吸合。繼電器吸合意味該員工所對(duì)應(yīng)區(qū)域設(shè)備完成上電操作。

圖3 ?繼電器模塊原理圖

2.4 ?DS1302時(shí)鐘模塊

本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)現(xiàn)對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)。如圖4所示，為DS1302模塊示意圖。

圖4 ?DS1302模塊

該模塊主要基于STC11F01E內(nèi)置的2 KB的E2PROM單元配合外置的自學(xué)習(xí)按鍵來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)初次使用該插座時(shí)，按住自學(xué)習(xí)按鍵同時(shí)按下數(shù)字機(jī)頂盒遙控器的待機(jī)鍵并對(duì)準(zhǔn)該插座的紅外接收器，此時(shí)該遙控器的待機(jī)鍵的紅外碼值就會(huì)寫入MCU的E2PROM中，插座完成自學(xué)習(xí)功能。下次使用數(shù)字機(jī)頂盒遙控器的待機(jī)鍵就是該插座的關(guān)閉按鍵。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Keil C進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)編程以及RFID讀寫數(shù)據(jù)的子程序，實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示子程序，12864液晶顯示界面子程序，繼電器控制程序等。

3.1 ?系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能描述如下：

系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)：LCD顯示當(dāng)前時(shí)間信息，通過按鍵進(jìn)行選擇可進(jìn)行考勤記錄回看，系統(tǒng)設(shè)置等功能。

上班時(shí)間：?jiǎn)T工刷卡，系統(tǒng)保存員工考勤時(shí)間記錄，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出繼電器控制指令將當(dāng)前刷卡員工所對(duì)應(yīng)位置電源接通。

下班時(shí)間：依據(jù)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)間，下班時(shí)間系統(tǒng)將自動(dòng)切斷所有位置電源，消除待機(jī)功耗所引起的電能的不必要浪費(fèi)。如若員工需要加班延長(zhǎng)通電時(shí)間，則需要員工持卡利用按鍵對(duì)該設(shè)備進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 ?軟件設(shè)計(jì)框圖

3.2 ?軟件模塊

如圖6所示，為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)文件夾所包含文件。共包含8個(gè).C文件和8個(gè).H文件，編譯文件.hex大小為13 KB。

圖6 ?程序模塊

程序模塊主要由3部分組成。

（1）讀卡器模塊

讀卡器模塊由Reader.h和Reader.c組成，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)CM015B-3讀寫模塊的控制。

（2）DS1302模塊

DS1302模塊由DS1302.h和DS1302.c組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘芯片DS1302的控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)間和日期的顯示及對(duì)考勤時(shí)間的記錄。

（3）12864模塊

12864模塊由12864.h和12864.c組成，主要實(shí)現(xiàn)LCD12864的顯示。用于顯示當(dāng)前時(shí)間、考勤記錄及輔助按鍵模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

4 ?結(jié) ?語

本系統(tǒng)主要完成基于ISO15693協(xié)議射頻讀寫模塊的節(jié)電型考勤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)和ISO15693射頻讀寫模塊為核心，此外還包括時(shí)鐘芯片DS1302模塊、繼電器模塊、RS 232接口、供電模塊和LCD12864等。

本系統(tǒng)所提出的設(shè)計(jì)具有以下現(xiàn)實(shí)意義：待機(jī)功耗已經(jīng)成為整個(gè)社會(huì)所關(guān)注的問題。本系統(tǒng)可以有效解決目前辦公環(huán)境下的電腦、打印機(jī)等設(shè)備的待機(jī)功耗問題，有效降低不必要的電能浪費(fèi)。本系統(tǒng)具有考勤功能，方便查看每一位員工的當(dāng)天到崗情況。本系統(tǒng)中所采用的RFID射頻卡是目前大多數(shù)企業(yè)員工都已經(jīng)具有的員工卡，可避免不必要的開支浪費(fèi)。本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以同時(shí)對(duì)多路系統(tǒng)進(jìn)行電源控制。

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