基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)

徐愛(ài)明

（廣東省技師學(xué)院，廣東惠州，516100）

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基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)

徐愛(ài)明

（廣東省技師學(xué)院，廣東惠州，516100）

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)于生活品質(zhì)的追求不斷提高，舒適、方便、高效、安全的生活環(huán)境是每個(gè)人都向往的生活環(huán)境。本文旨在設(shè)計(jì)基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)，集家居自動(dòng)化、家居安全防護(hù)和家居環(huán)境監(jiān)測(cè)于一身，為用戶提供良好的生活體驗(yàn)，提高家居環(huán)境的安全性、方便性和舒適性。

關(guān)鍵詞：智能家居;PLC;傳感器;安全

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，智能家居越來(lái)越受到人們的重視。智能家居是充分利用綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信和安全防護(hù)技術(shù)，同家居生活聯(lián)系在一起，將有關(guān)電子系統(tǒng)有機(jī)整合成一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地提升家居的便利性、舒適性和安全性。生活節(jié)奏的加快，人們大部分的時(shí)間是在公司內(nèi)度過(guò)的，家居長(zhǎng)期處于無(wú)人的狀態(tài)，家居內(nèi)的安全保證受到了一定的威脅。本文主要探究建立基于PLC的智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家居情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安全防護(hù)和遠(yuǎn)程報(bào)警。該系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)門設(shè)計(jì)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、煤氣泄漏報(bào)警、家居起火監(jiān)測(cè)、短信告知報(bào)警等功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù)家居環(huán)境安全的目的。

1 國(guó)內(nèi)外智能家居發(fā)展現(xiàn)狀1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外智能家居的發(fā)展不平衡。發(fā)達(dá)國(guó)家的智能家居水平發(fā)展程度較高，例如美國(guó)的X-10，歐洲的EIB。其中，日本的智能家居發(fā)展水平很高，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)電氣自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)，具有生物識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)門系統(tǒng)，智能化的家居溫度、濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。此外國(guó)外還有以家居安防為主的智能家居項(xiàng)目，整個(gè)系統(tǒng)涉及了燈光控制、電動(dòng)窗簾控制、空調(diào)和地暖控制、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)等。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的智能家居發(fā)展始于2003年，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)的限制，智能家居的發(fā)展水平較低。我國(guó)的住宅是開(kāi)發(fā)商的主導(dǎo)商品，很難根據(jù)消費(fèi)者的意愿來(lái)購(gòu)買和安裝智能家居產(chǎn)品。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電子技術(shù)和通訊技術(shù)的提高，智能家居逐漸成為發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，北京中旬威易公司采用Zigbee技術(shù)和CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了樓宇對(duì)講，杭州鴻雁電器提出了采用無(wú)線通訊技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的面板觸摸系統(tǒng)。很多家庭為了提高家居的安全性和舒適性，安裝了生物門鎖，采購(gòu)了自動(dòng)掃地機(jī)器人、具有物聯(lián)網(wǎng)功能的家用電器，智能家居將將成為我國(guó)居民消費(fèi)的新熱點(diǎn)。

2 智能家居系統(tǒng)的功能模塊分析

2.1 自動(dòng)門控制功能模塊

門禁系統(tǒng)為家居環(huán)境提供了必要的保護(hù)，本文設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：用戶在門外或門內(nèi)將門鎖開(kāi)啟，產(chǎn)生的開(kāi)門信號(hào)傳遞給PLC的輸入端口，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定執(zhí)行開(kāi)門動(dòng)作；當(dāng)門運(yùn)行到極限位置時(shí)會(huì)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)停止運(yùn)行，延時(shí)10S后，執(zhí)行關(guān)門動(dòng)作；當(dāng)門運(yùn)行到關(guān)門極限時(shí)，PLC輸出信號(hào)給電磁鎖立即上鎖。同時(shí)，用戶的手機(jī)也能遠(yuǎn)程控制自動(dòng)門完成上鎖功能。整個(gè)自動(dòng)門系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1　自動(dòng)門系統(tǒng)模塊總體框圖

2.2 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)控制功能模塊

通過(guò)在室內(nèi)合理布置溫度、濕度、煤氣檢測(cè)、煙霧檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)采集室內(nèi)環(huán)境信息，傳遞給PLC，PLC能夠?qū)φw環(huán)境進(jìn)行分析判斷，能夠完成自動(dòng)調(diào)節(jié)。同時(shí)，PLC也能夠通過(guò)短信的形式發(fā)送給用戶室內(nèi)的環(huán)境信息，用戶也能夠通過(guò)手機(jī)完成遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)采用的傳感器的型號(hào)分別為：溫濕度傳感器SHT11，煙霧傳感器MQ-2，煤氣傳感器MQ-5。智能家居控制系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的部分框圖如圖2所示。

圖2　環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的部分框圖

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能模塊

遠(yuǎn)程家居監(jiān)測(cè)模塊是通過(guò)手機(jī)短信借助GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GSM短信模塊同PLC之間進(jìn)行信息互動(dòng)，將家居設(shè)備、家居環(huán)境等信息發(fā)送到用戶的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)用戶通過(guò)手機(jī)可以遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊的工作原理為，用戶需要遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備時(shí)，只需要用手機(jī)向GSM模塊中的SIM卡號(hào)發(fā)送短消息，GSM能夠通過(guò)串口同 PLC之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，GSM接到短消息后，PLC利用查詢程序讀取GSM短消息模塊中的新信息，然后控制各個(gè)子功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能模塊的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能模塊的系統(tǒng)框圖

3 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC，繼電器，GSM短信模塊，溫濕度傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等組成。PLC選用了SIEMENS公司的S7-200系列PLC，即S7-224。該P(yáng)LC是SIEMENS公司推出的小型PLC，具有功能齊全的編程和工控組態(tài)軟件，適合小型的控制系統(tǒng)，適用于本文智能家居控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。S7-224 PLC具有24個(gè)輸入輸出接口，2個(gè)模擬電位器，1個(gè)RS485通訊接口，2路高速脈沖輸出，6路高速計(jì)數(shù)器。

3.1 自動(dòng)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)門系統(tǒng)模塊中不同的功能模塊采用的額定電壓不同，主控器電壓24V，短信模塊電壓12V，電流保護(hù)模塊電壓5V。首先需要單相交流電通過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓處理，得到滿足不同要求的電壓。自動(dòng)門采用電機(jī)控制，本文選用的電機(jī)為70KTYG齒輪減速永磁同步交流電機(jī)，PLC不能直接控制電機(jī)運(yùn)行，需要添加繼電器，才能彌補(bǔ)電機(jī)輸出功率不足，同時(shí)能夠防止干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自動(dòng)門系統(tǒng)的控制電路如圖4所示。

圖4　自動(dòng)門系統(tǒng)的控制電路

自動(dòng)門系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性對(duì)智能家居系統(tǒng)具有重要的影響，為了防止自動(dòng)門電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載運(yùn)行和電機(jī)堵轉(zhuǎn)，本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)。自動(dòng)門過(guò)流保護(hù)采用霍爾電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，選用的傳感器的型號(hào)為WCS2702，該傳感器響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性高。電流檢測(cè)的原理電流圖如圖5所示。

圖5　過(guò)流保護(hù)電流檢測(cè)原理圖

S7-224 PLC程序編寫采用的SIEMENS專用組態(tài)軟件STEP 7，STEP 7是專門用于SIEMENS PLC開(kāi)發(fā)的組態(tài)和編程的軟件包，根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的不同需要，可以選取不同的STEP 7的版本。STEP 7標(biāo)準(zhǔn)軟件包主要組成如圖6所示。根據(jù)自動(dòng)門控制的要求，本文設(shè)計(jì)的PLC控制程序如圖7所示。

圖6　STEP 7標(biāo)準(zhǔn)軟件包主要組成

3.2 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

傳感器家居環(huán)境監(jiān)測(cè)不可獲取的部分，本文采用了溫度、濕度、煙霧檢測(cè)和煤氣檢測(cè)等多種傳感器。傳感器采集家居環(huán)境信息，PLC通過(guò)采集傳感器的信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居環(huán)境。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳遞給PLC，PLC對(duì)整體的環(huán)境狀況進(jìn)行判斷，通過(guò)短信模塊家居環(huán)境以信息的方式傳遞給用戶手機(jī)，用戶可以實(shí)時(shí)掌握家居環(huán)境。

圖7　自動(dòng)門PLC控制程序

本文以煙霧傳感器MQ-2為例，介紹傳感器同PLC控制模塊的連接。用戶根據(jù)需要設(shè)定煙霧傳感器的檢測(cè)值，如果監(jiān)測(cè)到煙霧濃度的數(shù)值高于設(shè)定值時(shí)，傳感器發(fā)送高電平給PLC相應(yīng)的端口。該端口執(zhí)行PLC程序，發(fā)送警報(bào)信息給用戶，達(dá)到實(shí)時(shí)報(bào)警的功能。用戶如果想到得到家居環(huán)境的信息，可以發(fā)送信息給GSM模塊，PLC會(huì)將采集的家居信息傳遞給用戶手機(jī)。煙霧傳感器同PLC之間的連接電路圖如圖8所示。

圖8　PLC同煙霧傳感器連接電路圖

本文以煙霧報(bào)警和煤氣報(bào)警設(shè)計(jì)的PLC程序如圖9所示。

圖9　報(bào)警程序

圖10　GTM900C同SIM連接的接口電路

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本文采用基于蜂窩系統(tǒng)的GSM通信，GSM是一種應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的系統(tǒng)。本文采用的GSM模塊為華為GTM900C，工作頻段為EGSM900/GSM1800。GTM900C采用的通訊協(xié)議為RS-232C，該通訊協(xié)議不能直接同S7-224 PLC的RS485進(jìn)行直接通信。S7-224PLC默認(rèn)的采用PPI通訊模塊，為了解決通訊問(wèn)題，本文采用了VOTEK公司生產(chǎn)的袖珍接口轉(zhuǎn)換器UT-218，該轉(zhuǎn)換器能夠?qū)S-232信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-485，并且不需要外接電源。SIM通過(guò)ZIF引腳同GTM900C連接，通過(guò)測(cè)試CCIN引腳是否是高電平來(lái)監(jiān)測(cè)SIM卡是否連接好。GTM900C同SIM連接的接口電路如圖10所示。

PLC短消息控制流程為，當(dāng)GSM短信模塊接收到用戶發(fā)送的短消息后，PLC利用查詢方式接收到輸入信號(hào)，然后向GSM模塊輸入控制指令，GSM模塊會(huì)將短信數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC。發(fā)送信息時(shí)，PLC會(huì)先將數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM模塊，然后通過(guò)GSM模塊再將短信發(fā)送給用戶手機(jī)。

GSM模塊采用的GSM07協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定了短信息通過(guò)無(wú)線控制信道進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)短信服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)短消息的最大字節(jié)數(shù)為240字節(jié)。GSM通過(guò)AT指令完成短消息業(yè)務(wù)，其指令主要分為通用配置指令、消息配置指令、消息接收和讀出指令、消息發(fā)送和寫入指令。短消息的編碼模式分為塊模式、文本模式和PUD模式，現(xiàn)在漢字傳輸多采用PUD Mode。本文選用了PUD模式編寫短消息。

本文以“煙霧報(bào)警！”介紹短消息編寫與發(fā)送?！盁熿F報(bào)警！”的PUD編碼為“70DF 96FE 8B66 62A5 FF01”。PLC將ASCII碼存儲(chǔ)到相應(yīng)的寄存器中，當(dāng)某個(gè)傳感器向PLC發(fā)送信號(hào)，PLC可以快速將提前存儲(chǔ)的短消息發(fā)送到用戶的手機(jī)上，PLC通訊程序如圖11所示。

4 總結(jié)

本文在分析智能家居發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了基于可編程控制器PLC的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了S7-224 PLC、GTM900C GSM模塊、各種傳感器，主要包括三大功能模塊：自動(dòng)門系統(tǒng)模塊、家居環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊等，實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境的智能控制和監(jiān)測(cè)，為提高家居環(huán)境的安全性、舒適性提供了一定的技術(shù)支持。

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圖11　短消息存儲(chǔ)與發(fā)送程序

Intelligent Home Control System Based on PLC

Xu Aiming
（Guangdong Province Technician College Institute，Huizhou，516100）

Abstract：With society's development and progress,the pursuit of people for life quality enhances continually.Everyone hope to live in the environment,which is convenient,efficient,safe and comfortable. The purpose of this article is to design smart home control system based on PLC,which is the aggregation of home automation, home security and home environment monitoring.The system can provide users with good life experience, and improve household environment safety,convenience and comfort.

Keywords：Intelligent home control system;PLC;Sensors;Safety