智能化窗與簾系統(tǒng)的節(jié)能自動控制設計

古麗扎提·海拉提,胡志華

(上海第二工業(yè)大學智能制造與控制工程學院,上海201209)

智能化窗與簾系統(tǒng)的節(jié)能自動控制設計

古麗扎提·海拉提,胡志華

(上海第二工業(yè)大學智能制造與控制工程學院,上海201209)

近年來,智能化家電產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)技術在智能家居中的應用得到了迅速發(fā)展。從節(jié)能的角度,考慮到玻璃門窗是家居生活中極為重要的節(jié)能控制對象,以安全防護和自動通風節(jié)能控制為主,并以窗簾開關控制為輔調節(jié)室溫等,分析與設計智能窗與簾的節(jié)能自動控制系統(tǒng)。該設計采用3組不同的控制方案,并對每組方案的優(yōu)缺點進行比較,模擬測試效果表明,智能家居控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和擴展性,有助于該控制系統(tǒng)的使用和推廣。

智能化;可編程序控制器;自動控制;Wi-Fi技術;節(jié)能

0 引言

智能家居的發(fā)展不僅僅是插座、安防、語音、連接或者是平臺,充滿自動化和連接性將是真正智能家居的特點。窗與簾系統(tǒng),是家居中需要管理和維護頻率較高的家居設施。能夠根據(jù)室內環(huán)境的光線強度、空氣濕度、平衡室溫和室外風雨狀況,基于智能化控制技術進行自我調節(jié)和控制,具有這樣功能的窗與簾系統(tǒng)不僅能方便用戶使用,同時也能為用戶解決部分節(jié)能問題。

1984年在美國,世界上第一幢智能建筑[1]出現(xiàn),此后智能家居產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。我國小米智能家居系統(tǒng)已成為功能較完善的智能家居平臺。

智能家居控制系統(tǒng)給人們的家居生活帶來了舒適、安全和便利的家庭環(huán)境。家電產(chǎn)品的智能化發(fā)展迅速,諸如智能插座、智能照明和安防設備等產(chǎn)品儼然成為智能家居控制的代表。物聯(lián)網(wǎng)技術[5-6]在智能家居中的應用也得到了迅速發(fā)展。智能家居真正的定義為利用電腦、網(wǎng)絡和綜合布線技術,通過家庭信息管理平臺,將與家居生活有關的各種子系統(tǒng)有機地結合為一個系統(tǒng)。這意味著它包括3個方面的內容:①需要建立通信網(wǎng)絡處理必要的信息,在家庭網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的控制下,通過相應的硬件和執(zhí)行機構,實現(xiàn)對所有家庭網(wǎng)絡家電和設備的控制和監(jiān)測;②需要建立平臺,實現(xiàn)家庭與外界的信息交換溝通,以及控制與監(jiān)測;③需要滿足人們的需求——安全、舒適和方便,同時考慮綠色環(huán)保和節(jié)能。

智能家居系統(tǒng)主要包括4個部分,中央控制器、軟件信息交互平臺、終端傳感器信息采集和通信方式。其中,關鍵的兩個部分是中央控制器和通信方式。中央控制器,即主控制器,多以單片機為主,具有價格低廉等特點,但其穩(wěn)定性差,故障率高;可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)以其高穩(wěn)定性[7-8]、便于擴展功能等特點在自動化行業(yè)得到廣泛應用。通信方式以無線通信方式為主,典型代表為:藍牙(Bluetooth)技術、Zigbee技術和Wi-Fi技術[9]?；谒{牙技術的無線網(wǎng)絡作為較早的通信方式,其功耗高、成本高,在智能家居行業(yè),該技術很快由基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡取代,且具有網(wǎng)絡容量大,通信時滯時間短的優(yōu)勢?；赪i-Fi技術的無線網(wǎng)絡成本低,開發(fā)難度小,能夠便捷的與手機或PC機進行通信,目前成為較流行的無線網(wǎng)絡通信方式。

本文綜合以上所述技術的優(yōu)點,采用不同的主控器和軟件信息交互平臺,以窗戶與窗簾為整體控制對象,形成3組方案,設計智能家居節(jié)能自動控制系統(tǒng)。該研究意義在于,分析智能家居設備與環(huán)境之間的協(xié)調性,旨在設計具有自動性和節(jié)能環(huán)保性的智能家居控制環(huán)境。主控制器分別采用單片機與PLC兩種,軟件信息交互平臺分別為移動手機終端和PC機終端信息交互控制平臺,通信方式為基于Wi-Fi技術的無線網(wǎng)絡。通過3種方案分別進行控制設計,包括玻璃門窗自動通風和安全防護,窗簾定時開關,以及與空調協(xié)調調節(jié)室溫等。進一步分析比較3種方案在智能家居自動控制系統(tǒng)中的發(fā)展前景。

1 智能化窗與簾系統(tǒng)自動控制設計方案

在現(xiàn)代智能家庭生活環(huán)境中,窗戶與窗簾的自動開關控制不僅能給人們的生活帶來便捷[10],從節(jié)能的角度更能得到人們的關注、應用和推廣。本文選取智能家居中的窗戶與窗簾作為控制對象,綜合考慮穩(wěn)定性、便捷性等因素運用3種不同的控制理念,實現(xiàn)了窗戶與窗簾的自動控制。這3種控制方案分別是:①基于PLC的智能窗與簾系統(tǒng)的控制;②基于ESP8266的無線組網(wǎng)智能窗與簾系統(tǒng)的控制;③基于ARM的智能窗與簾系統(tǒng)的集中控制。通過3種控制方案的設計與比較,得出每種方案的優(yōu)缺點,主要目的是為了滿足不同控制效果的需求,使智能家居控制更具體化,從節(jié)能的角度有助于人們的認識和推廣應用。

2 基于PLC的智能窗與簾系統(tǒng)的控制

在該控制設計中,結合PLC的通用性、穩(wěn)定性與組態(tài)王的開放性、強適應性等優(yōu)勢,基于PLC來設計居家環(huán)境中的智能窗戶與窗簾的控制系統(tǒng),通過自動控制窗戶的關閉與打開,應對突發(fā)狀況,或者當家里空氣質量不達標時,能夠及時通風,從而保持良好的室內空氣;遇到下雨天時,窗戶能夠自動關閉,防止室內物品或裝飾品被淋濕而遭受破壞。窗簾可以控制室內的光照強度,具有2種模式:Z為照度自動開關模式,可根據(jù)光照的強度自動控制窗簾的開和閉;D為定時自動開關模式,可根據(jù)設定時間進行自動開和閉。除了自動控制,也可以通過手動控制,便于人們的操作。利用組態(tài)王做窗戶與窗簾的控制界面,模擬其工作過程,組態(tài)王通過控制PLC的動作從而控制窗戶與窗簾的打開與關閉?？刂乒δ芤詳?shù)據(jù)下載線通信并實現(xiàn),或者可以通過Wi-Fi模塊進行通信,使得控制更加便于應用。

主控制器采用三菱PLC,實現(xiàn)窗戶和窗簾的自動或手動打開與關閉控制。主要控制功能包括:①窗簾的開關控制。利用光敏傳感器采集光信號,當采集到有光時窗簾可以自動打開,沒有光時自動關閉。同時,也可以進行手動控制;②窗戶的自動開關控制。利用MQ5煙霧傳感器與雨滴傳感器,當有煙霧氣體時窗戶自動打開進行通風,沒有煙霧氣體時自動關閉;當有雨滴出現(xiàn)時,窗戶自動關閉。同時,也可以通過手動控制來實現(xiàn)。

窗戶和窗簾自動控制系統(tǒng)的界面主要采用組態(tài)王6.55軟件設計,將PLC與組態(tài)王通過Wi-Fi模塊轉虛擬串口進行通信,方便快速控制,形成一套完整的智能窗戶與窗簾系統(tǒng),達到保持室內空氣清新的效果。該窗戶與窗簾的智能控制系統(tǒng)的簡易流程圖如圖1所示。

JLBS微小拉壓力傳感器采用了箔式應變片貼在合金鋼彈性體上，承受拉、壓力均可，具有測量精度高、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小、輸出對稱性好、結構緊湊等特點。通過查閱技術手冊，可以得到此壓力傳感器的綜合精度為R=0.05%F·S，量程為M=25N。

圖1 基于PLC的窗戶與窗簾的智能控制系統(tǒng)的簡易流程圖Fig.1 The processing of intelligent control system for windows and curtains based on PLC

由圖1可見,智能窗戶與窗簾控制系統(tǒng)接收不同功能傳感器的信號,選擇實現(xiàn)窗戶與窗簾的打開與關閉,表1列出了窗戶與窗簾工作過程中的各種動作狀態(tài)情況。

表1工作過程動作狀態(tài)分析Tab.1 Analysis of the action status in work process

3 基于ESP8266的無線組網(wǎng)智能窗與簾系統(tǒng)的控制

基于ESP8266的無線組網(wǎng)設計智能窗戶與窗簾的控制系統(tǒng)中運用嵌入式處理器的高性能、接口豐富、方便移植與擴展等優(yōu)點,并且利用嵌入式操作系統(tǒng)的實時性強、可靠性高、資源豐富等優(yōu)勢,將嵌入式技術作為無線網(wǎng)絡控制器的開發(fā)平臺,使無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的應用開發(fā)能夠變?yōu)樵谇度胧狡脚_上的二次開發(fā),從而縮短開發(fā)周期,并且節(jié)約資源。結合計算機、嵌入式和通信網(wǎng)絡技術,將家居中的各種設備(如照明、安防、家電等)通過無線網(wǎng)絡連接到一起。該設計中,利用32位嵌入式ARM處理器STM32F103作為智能家居控制系統(tǒng)的控制核心,采用ESP8266 Wi-Fi模塊作為無線芯片,其性能穩(wěn)定,易于擴展,為組網(wǎng)的首選。組網(wǎng)后實現(xiàn)設備間統(tǒng)一化、數(shù)據(jù)傳輸實時話、信息安全化。電腦端可以連接網(wǎng)關進入控制網(wǎng)絡中的其他設備。上位機編程軟件采用Labview軟件[11]設計監(jiān)控和管理界面。

簡易無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要功能是讓用戶使用上位機通過Wi-Fi實現(xiàn)與網(wǎng)絡的通信,從而達到控制網(wǎng)絡環(huán)境中設備的效果。網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體結構包含以下主要組成部分:①創(chuàng)建Wi-Fi網(wǎng)絡系統(tǒng)的AP端。則需要連入該Wi-Fi網(wǎng)絡的STA終端,以及兩者之間的用于相互傳輸數(shù)據(jù)的無線介質層。AP是整個Wi-Fi網(wǎng)絡的核心組成部分,Wi-Fi無線信號的穩(wěn)定性、強度的大小都是由AP來決定。②建立熱點。ESP8266模塊作為AP模式時,可供上位機和其他子節(jié)點連接;當ESP8266模塊作為STA模式時,充當子節(jié)點角色,可以連接熱點Wi-Fi。因此與家電設備連接的Wi-Fi模塊需要設置為STA模式,通過連接作為AP模式的Wi-Fi模塊建立的熱點,使上位機與Wi-Fi模塊、設備之間構成一個簡單的星型的局域網(wǎng),實現(xiàn)上位機與其他設備之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。

基于ESP8266的無線組網(wǎng)設計智能窗戶與窗簾的控制系統(tǒng)簡圖如圖2所示。整個簡易網(wǎng)絡系統(tǒng)下位機主要是由服務器端和客戶端所構成,所以整個系統(tǒng)的程序主要分為兩部分:①網(wǎng)絡服務器的控制程序;②網(wǎng)絡客戶端的控制程序。服務器在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中充當控制器的角色,主要的工作是:創(chuàng)建網(wǎng)絡系統(tǒng)全體信息所需要的網(wǎng)絡,即創(chuàng)建一個Wi-Fi熱點,并區(qū)分連接到服務器的節(jié)點,接收和轉發(fā)相應指令和數(shù)據(jù)。客戶端的控制程序主要是實現(xiàn)接收和分析服務器發(fā)送的指令和數(shù)據(jù),以此指令來實現(xiàn)對子節(jié)點設備的控制,當子節(jié)點設備得到相應的指令后,設備就開始執(zhí)行相應的功能,同時給服務器返回信號,告知服務器已收到數(shù)據(jù)。在整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中,上位機擔任的是控制器和顯示的角色,不僅能達到控制網(wǎng)絡系統(tǒng)中設備的作用,還能提供較好的實現(xiàn)人機交換的功能,用戶能直觀地了解到當前網(wǎng)絡中各個設備的狀態(tài)及工作情況,讓用戶更加一目了然的掌握整個網(wǎng)絡。

圖2 基于ESP8266的無線組網(wǎng)智能窗戶與窗簾的控制簡圖Fig.2 Intelligent control system for windows and curtains based on the wireless network ESP8266

4 基于ARM的智能窗與簾系統(tǒng)的集中控制

基于ARM的智能窗戶與窗簾的集中控制系統(tǒng),是以STM32(STM32F103ZET6)作為主要控制器、STC12(STC12C5A60S2)作為智能家居模型的集中控制系統(tǒng)。其核心在于STM32控制器可以控制多種家居模型,并以2.4G無線通信進行連接,形成一個星形網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)。終端采用移動手機,通過藍牙技術與STM32通信來達到控制STC12的家居模型。采用該控制方式,可以在STM32控制器上連接多種外圍設備,便于及時擴充產(chǎn)品的功能。此外,在STM32控制器上安裝液晶顯示屏和攝像頭,可以監(jiān)測家居內外的情況,起到家居安防的作用。同時,以STC12作為輔助控制器的智能家居模型具有經(jīng)濟性、穩(wěn)定性的特點。

基于ARM的智能窗戶與窗簾的集中控制系統(tǒng)簡圖如圖3所示。集中控制系統(tǒng)包括STM32控制器以及STC12的模型控制器。STM32控制器不僅擔任了控制STC12智能家居模型的任務,還連接了外置的OV7725攝像頭和帶有ILI9341的LCD液晶屏,可以實時查看家居實時情況。同時,STM32控制器上帶有HC-06藍牙模塊,能與手機進行無線通信,能夠用手機控制STC12智能家居模型。STC12控制器不僅要控制智能家居對象,同時要和STM32控制器進行通信連接。此外,STM32控制器和STC12智能家居模型控制器之間,不是采用常用的串口通信連接的方法,而是以2.4G無線模塊來進行無線通信連接,這可以規(guī)避常規(guī)的布線,同時也節(jié)約了空間。

圖3 基于ARM的智能窗戶與窗簾的集中控制系統(tǒng)簡圖Fig.3 Intelligent control system for windows and curtains based on ARM

STM32控制器功能強大,不僅能夠進行通信控制,還可以帶動OV7725攝像頭和帶有ILI9341控制器的攝像頭。STC12芯片與尋常的51單片機相比,其功能強大,使用STC12芯片來模擬智能家居模型和進行通信連接比較容易,同時在后期需要添加一些額外功能,便于擴展,而不需要再替換模型控制器芯片。窗戶和窗簾作為智能家居的節(jié)能控制對象,采用2個STC12模型控制器分別擔任智能家居中窗戶和窗簾的控制。

5 設計方案的比較及各自的優(yōu)缺點

智能家居節(jié)能自動控制系統(tǒng)主要采用3組不同的方案,通過采用不同的主控器和軟件信息交互平臺,以窗戶與窗簾為整體控制對象進行設計。

方案1采用三菱PLC,實現(xiàn)窗戶和窗簾的自動或手動打開與關閉的控制。

優(yōu)點:PLC的安裝和接線便捷,接線端子引線銜接外部設備;可靠性高,抗干擾能力強,可長時間無故障運行;可直接驅動交流接觸器或電磁閥;可根據(jù)要求修改用戶程序,調試時間少;控制硬件元件數(shù)較少,易于擴展;組態(tài)王軟件設計的圖形界面易實現(xiàn)監(jiān)控可視化。

缺點:成本高,對編程要求較高。

方案2采用32位嵌入式ARM處理器STM32F103為主控制器,以ESP8266 Wi-Fi模塊作為無線芯片,并采用Labview上位機編程設計監(jiān)控和管理界面。

優(yōu)點:嵌入式ARM處理器的接口較豐富,容易擴展。無線網(wǎng)絡控制平臺的優(yōu)勢是能夠實現(xiàn)設備間統(tǒng)一化,在傳輸實時數(shù)據(jù)的同時,保證信息的安全。

缺點:網(wǎng)絡調試和通信協(xié)議的端口設置調試繁瑣;無線網(wǎng)絡容易斷開,Wi-Fi模塊上的外擴天線與模塊本身需焊接好,否則易導致網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定。

方案3采用STM32F103為主控制器,并接合STC12控制單元,采用移動手機終端實現(xiàn)智能家居集中控制:

優(yōu)點:集中控制的思想是連接和控制不同的設備,整體感較強。開發(fā)和設計成本相對較低?；谀Ｐ涂刂菩酒?后期能夠額外添加新的控制功能,成本相對較低,效益高,用戶使用手機控制較便捷。

缺點:主控板容易受制版工藝、布局結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差。

每組方案各有其特點,表2所示為該3組方案性能的比較。由表可見,方案3具有綜合性能較好的特點。

表2 3組控制方案的比較分析Tab.2 Comparative analysis of three control programs

6 結語

智能家居的設計與發(fā)展,不僅僅是簡單地將各個設備連接起來,而在于充分考慮其穩(wěn)定性、擴展性和經(jīng)濟性的同時,考慮便利性和節(jié)能性。智能家居作為綜合性的服務系統(tǒng),除了彌補產(chǎn)品的缺陷,更應當擴展新領域。本文以窗戶和窗簾作為智能家居節(jié)能控制對象,采用3組不同的控制方案設計智能家居自動控制系統(tǒng),其設計目的是為了提高和實現(xiàn)智能家居的穩(wěn)定性、節(jié)能性和經(jīng)濟性,并對每組方案的優(yōu)缺點進行比較。其中,采用STM32F103為主控制器并接合STC12控制單元,采用移動手機終端實現(xiàn)智能家居集中控制的方案具有良好的穩(wěn)定性、靈活性和可擴展性。在節(jié)能方面,希望該控制系統(tǒng)能夠做出進一步的發(fā)展,如從百葉調節(jié)光照儲能方面入手分析智能家居節(jié)能自動控制系統(tǒng)的設計。

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Design of Window and Curtain Intelligent Control System with Energy-Saving

GULIZHATI Hailati,HU Zhihua(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

In recent years,the smart home got rapid development with intelligent appliances and the internet of things technology. From the energy-saving point of view,the intelligent windows and automatic control system of curtain energy saving was analyzedand designed.It’s taking into account the glass doors and windows which is very important in the home life of energy-saving control object.The main function of the control system is security and automatic control of energy-saving ventilation and accessibility function is curtain switch control for room temperature regulation.Three groups of different adopts were designed,and the advantages and disadvantages of each set of scheme were compared.Simulation test results showed that the smart home control system should be stability and scalability.It is beneficial to use and promotion of the control system.

intelligent;PLC;automatic control;Wi-Fi technology;energy-saving

TP368.1

A

上海第二工業(yè)大學學生在上海市大學生工程訓練綜合能力競賽中榮獲一等獎

1001-4543(2016)04-0308-06

2016-06-24

古麗扎提·海拉提(1985-),女,新疆富蘊縣人,講師,博士,主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制研究。電子郵箱glzthlt@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學?；痦椖?No.EGD15XQD02)資助

2016年12月2日至4日,由上海市教育委員會主辦的“第六屆上海市大學生工程訓練綜合能力競賽暨第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽上海賽區(qū)選拔賽”在上海電機學院臨港校區(qū)舉行。本屆大賽主題為“無碳小車越障賽”,競賽命題為以重力勢能驅動的具有方向控制功能的無碳小車越障,大賽項目分為“S”型和“8”字型常規(guī)賽和挑戰(zhàn)賽2大類共4個項目。本屆比賽共有來自13所工科院校的26支隊伍160余名選手參賽,上海第二工業(yè)大學工程訓練中心選送的2支參賽隊參加了全部4個項目的比賽。由萬金貴、李穎老師指導,鐘樟榕、薛瑩、樓澤鑫同學參加的“8”型常規(guī)賽項目和萬金貴、劉賽老師指導,朱洪旺、周澤峰、曹蒙東同學參加的“S”型常規(guī)賽項目雙雙獲得一等獎。其中,“8”型常規(guī)賽參賽隊首次獲得該項目冠軍。根據(jù)競賽成績,上海大學、上海交通大學和上海第二工業(yè)大學等3所學校的4支參賽隊,將代表上海高校參加第五屆全國大學生工程訓練綜合能力大賽決賽。