基于RFID的消除待机功耗型考勤系统设计

杜海涛+马志强+冀晓凯

摘 要：以STC12C5A60S2和RFID读写模块为主要部件，辅以DS1302和LCD12864显示模块、继电器模块，针对待机功耗的问题，设计了一款适用于办公室的基于射频卡技术的节电型考勤系统。该系统在具有考勤功能的同时可以有效避免电能的浪费。该设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面，硬件设计主要包括13.56 MHz读/写RFID模块、DS1302时钟模块、12864LCD显示单元，STC12C5A60S2微控制器单元及继电器控制单元的电路设计等。软件设计主要包括RFID读写模块子程序，DS1302实时时钟程序，12864液晶显示子程序等。

关键词：考勤系统;RFID;DS1302;节能

中图分类号：TP273                        文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2015）01-00-03

0  引  言

很多人对于电器的“待机能耗”这一概念并不是很清楚，通俗来讲，待机能耗是日用家电产品在待机功能状态下的电能消耗。有些人甚至压根没听说过这个概念，很多人以为用摇控器关闭了电器设备，电器设备就不可能耗电了，造成这一观念的原因主要是对电器的“关机”和“待机”概念混淆，关机是电器完全断电了，但待机情况下电器仍然消耗电能。

据上海电力公司组织的一项调查显示，该市空调、家庭视频与音频系统、电脑与通讯系统这三类主要家用电器的待机能耗总量约为7亿千瓦时，如果平均每发电1千瓦时，需要消耗468克原煤，那么将白白浪费30多万吨原煤。每年7亿千瓦时的待机能耗，直接造成消费者约3亿元电费支出的浪费。前段时间，中央电视台播放一则公益广告也是提醒广大观众注意随手拔下插座，以防止待机功耗的存在。降低待机能耗不仅意味着消费者节省用电开支，更直接减少了能源浪费和环保压力，因为我国目前主要还是火力发电，若以每户每年流失130度电计算，则相当于为此白白发电而浪费52千克标准煤、520升净水，同时排放了碳粉尘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。

本文针对当前所存在的一系列状况设计并开发完成了一款适用于办公环境下的用于消除待机功耗的基于RFID射频卡技术的考勤机，从而尽可能降低不必要的电能浪费。本文所设计系统投入现场使用后，一个办公室内部的每一位员工上班后若想让其所处位置的电脑（包含主机、显示器、音箱等）及辅助设备（如打印机等）工作，需要在上班时首先刷卡确认，该确认完成对员工的考勤工作，并且自动控制相关继电器吸合完成对该员工所处位置设备的上电操作。该系统也可以进行相关设置和查询，诸如每一位员工的上班时间（辅助考勤）、下班时间自动切断办公电源等。

1  系统方案设计

本设计硬件部分主要包括基于STC12系列单片机和射频读卡单元、LCD显示单元及继电器单元的设计，系统整体设计方案如图1所示。

本设计基于STC12C5A60S2微控制器及符合ISO15963协议标准的13.56 MHz读/写RFID模块，包括DS1302时钟模块和12864LCD时钟显示器件。本设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面，硬件设计主要包括13.56 MHz读/写RFID模块、DS1302时钟模块、12864LCD显示单元，STC12C5A60S2微控制器单元及继电器控制单元的电路设计等。软件设计主要包括RFID读写模块子程序，DS1302实时时钟程序，12864液晶显示子程序等。

图1  系统整体方案图

2  系统硬件设计

系统硬件设计主要由电源电路、RF射频模块电路、LCD显示模块电路、控制按键模块电路、时钟电路模块及多路继电器开关电路等部分组成。该系统以STC12C5A60S2单片机为核心，可完成RF射频卡模块读写、多路继电器开关、LCD液晶显示等功能。

2.1  主控芯片电路

本系统采用宏晶科技的STC12C5A60S2作为系统的核心控制器。该微控制器为LQFP44封装，工作电压为3.7～5.5 V，具有60 KB Flash程序存储器，1 KB的SRAM，且采用增强型8051内核，速度比普通8051单片机快6～12倍，完全满足该系统设计需求。

2.2  RF射频模块电路

本系统采用基于恩智浦IC集成电路开发的高频RFID读/写模块CM015B-3。CM015B-3是完全符合ISO15963协议标准的13.56 MHz读/写模块，支持I.CODE SLI，Tag_it HF I.可以自己检测卡片/标签，且具有RS 232输出接口。图2为CM015B-3实物图。

图2  RF射频模块CM015B-3实物图

如图2所示，RF射频模块CM015B-3有五个引脚。分别为管脚GND、管脚VCC、管脚Txd、管脚Rxd及ID卡检测标志，其与单片机接口连接非常方便。管脚Txd和管脚Rxd分别与单片机Txd和Rxd相连，管脚GND接系统地线，管脚VCC与系统的电源正极+5 V相连。RF射频模块CM015B-3与单片机之间采用串口遵循相关协议进行通信。

2.3  继电器开关电路

继电器模块硬件设计原理图如图3所示。当员工刷卡进行考勤，若考勤成功则将其对应继电器吸合。继电器吸合意味该员工所对应区域设备完成上电操作。

图3  继电器模块原理图

2.4  DS1302时钟模块

本系统采用美国DALLAS公司推出的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302实现对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时。如图4所示，为DS1302模块示意图。

图4  DS1302模块

该模块主要基于STC11F01E内置的2 KB的E2PROM单元配合外置的自学习按键来实现。当初次使用该插座时，按住自学习按键同时按下数字机顶盒遥控器的待机键并对准该插座的红外接收器，此时该遥控器的待机键的红外码值就会写入MCU的E2PROM中，插座完成自学习功能。下次使用数字机顶盒遥控器的待机键就是该插座的关闭按键。

3  系统软件设计

本设计采用Keil C进行软件编程设计。本系统的软件设计主要包括单片机编程以及RFID读写数据的子程序，实时时钟显示子程序，12864液晶显示界面子程序，继电器控制程序等。

3.1  系统功能

系统功能描述如下：

系统待机状态：LCD显示当前时间信息，通过按键进行选择可进行考勤记录回看，系统设置等功能。

上班时间：员工刷卡，系统保存员工考勤时间记录，同时系统发出继电器控制指令将当前刷卡员工所对应位置电源接通。

下班时间：依据系统设置时间，下班时间系统将自动切断所有位置电源，消除待机功耗所引起的电能的不必要浪费。如若员工需要加班延长通电时间，则需要员工持卡利用按键对该设备进行相关设置。

软件设计框图如图5所示。

图5  软件设计框图

3.2  软件模块

如图6所示，为系统软件设计文件夹所包含文件。共包含8个.C文件和8个.H文件，编译文件.hex大小为13 KB。

图6  程序模块

程序模块主要由3部分组成。

（1）读卡器模块

读卡器模块由Reader.h和Reader.c组成，主要用于实现对CM015B-3读写模块的控制。

（2）DS1302模块

DS1302模块由DS1302.h和DS1302.c组成，主要实现对时钟芯片DS1302的控制，以实现对实时时间和日期的显示及对考勤时间的记录。

（3）12864模块

12864模块由12864.h和12864.c组成，主要实现LCD12864的显示。用于显示当前时间、考勤记录及辅助按键模块对系统进行相关设置。

4  结  语

本系统主要完成基于ISO15693协议射频读写模块的节电型考勤系统硬件设计。该系统硬件设计以STC12C5A60S2单片机和ISO15693射频读写模块为核心，此外还包括时钟芯片DS1302模块、继电器模块、RS 232接口、供电模块和LCD12864等。

本系统所提出的设计具有以下现实意义：待机功耗已经成为整个社会所关注的问题。本系统可以有效解决目前办公环境下的电脑、打印机等设备的待机功耗问题，有效降低不必要的电能浪费。本系统具有考勤功能，方便查看每一位员工的当天到岗情况。本系统中所采用的RFID射频卡是目前大多数企业员工都已经具有的员工卡，可避免不必要的开支浪费。本系统具有很强的扩展性，可以同时对多路系统进行电源控制。

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