智能家居用可編程序控制器設計

赫 亮，周 明，于 淼，連香姣

(1.北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京 100044；2.北京市建筑安全監(jiān)測工程技術研究中心，北京 100044)

智能家居用可編程序控制器設計

赫 亮1,2，周 明1,2，于 淼1,2，連香姣1,2

(1.北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京 100044；2.北京市建筑安全監(jiān)測工程技術研究中心，北京 100044)

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，智能家居已經(jīng)成為未來的發(fā)展潮流。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)設計復雜，造價昂貴，不利于普及。本文開發(fā)了適用于智能家居控制用的可編程序控制器，可以方便地構造個性化的智能家居系統(tǒng)。

智能家居；可編程序控制器；無線通信

1 智能家居控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

智能家居涉及到每個家庭，可以給人們帶來舒適、安全、便捷、節(jié)能、健康的生活。目前智能家居發(fā)展的瓶頸就是系統(tǒng)造價過高，安裝復雜，普通人家不愿承受，并且人們對家居的智能化需求多種多樣，千篇一律的智能方案難以滿足個性化要求。

智能家居近年來在實現(xiàn)功能上主要分以下幾種：

1) 智能燈光控制：替代傳統(tǒng)電源開關，用遙控等多種智能控制方式完成對住宅內(nèi)所有燈具進行控制，實現(xiàn)不同燈光情景效果。

2) 智能電器控制：一類是通過將原來紅外遙控器控制的普通家用電器轉換為無線紅外轉化器來控制；另一類是直接用無線電信號去控制家用電器的電源插座。

3) 智能安防報警：為保障家庭設施和成員的平安而安裝的一種防護和報警系統(tǒng)[4]，例如防盜報警、煤氣泄漏報警以及火災報警等。

4) 智能背景音樂：對各個房間都布置上背景音樂線，在一個或多個音源下，能夠讓每個房間都聽到悠揚舒適的背景音樂。

5) 高清視頻共享：一是信號源共享，將家庭中的電視信號通過HDMI音視頻切換矩陣，分配到不同地方的多臺高清電視機上；二是終端視頻源設備(高清電視機)實現(xiàn)互聯(lián)互通，任意一臺電視機均可收看和切換任意高清視頻源節(jié)目，并且不影響其他電視機。

6) 智能門窗控制：安裝有先進的防盜、防劫、報警系統(tǒng)技術的門窗，其控制系統(tǒng)由無線遙控器、智能主機、門窗(窗簾)控制器、門磁傳感器等組成。

7) 遠程網(wǎng)絡監(jiān)控：通過網(wǎng)絡進行遠程監(jiān)視和遠程控制，一般在距離住宅較遠的地方，利用電話座機、智能手機或者外部網(wǎng)絡對家里的電器進行控制。

2 可編程序控制器在智能家居中的應用

可編程序控制器是現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱之一，設計方便、編程簡單、開發(fā)周期短，是開發(fā)設計控制系統(tǒng)的理想控制器，目前廣泛應用在工業(yè)控制、冶金、石油、化工、建材、機械制造、環(huán)保、文化娛樂等各行各業(yè)。從PLC問世至今，一直表現(xiàn)出強大的生命力和高速增長態(tài)勢，在工業(yè)控制領域，PLC始終處于工業(yè)控制自動化領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供非?？煽康目刂品桨?。由于種種原因，國產(chǎn)品牌的PLC在國內(nèi)PLC市場份額所占比例很小，一直沒有形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，中國目前市場上95%以上的PLC產(chǎn)品來自國外公司。目前中國PLC市場主要廠商為Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、Ge-Fanuc等國際大公司，眾多PLC的品牌中 ，西門子、三菱及歐姆龍占據(jù)絕對的優(yōu)勢，60%左右的用戶使用了這些品牌的PLC產(chǎn)品，而Ockwell/ab、Ge-Fanuc和富士等品牌也占有相當?shù)氖袌龇蓊~。PLC國產(chǎn)化具有十分重要的意義。

智能家居中的各種控制對象，如電燈的開關和亮度調(diào)節(jié)，電器的開關，門窗、空調(diào)的開啟，都是大電壓大電流的設備，非常適合利用可編程序控制器構成控制系統(tǒng)。而目前利用可編程序控制器作智能家居控制核心的系統(tǒng)還比較少見。筆者認為其中的重要原因之一就是目前的可編程序控制器一般不具有無線通信功能，而智能家居控制系統(tǒng)最重要的也是無線遙控功能。因此，開發(fā)出具有無線通信功能的可編程序控制器具有非常重要的現(xiàn)實意義。

3 可編程序控制器硬件設計

可編程序控制器硬件設計包括CPU電路設計、電源電路設計、輸入電路設計、輸出電路設計和通信電路設計五個部分。

如圖1所示，CPU電路是由STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)構成的，包括STC12C5A60S2單片機、晶振電路和復位電路。圖2為輸出電路，單片機P0口的輸出經(jīng)過光電耦合器，使單片機電路和后面的輸出電路完全隔離，防止干擾，再經(jīng)過驅動芯片ULN2803驅動輸出繼電器。

圖1 CPU電路

圖2 輸出電路

圖3為輸入電路，共有8路輸入，輸入信號利用光耦電路與單片機主電路隔離開，能夠有效去除干擾，保護CPU電路。圖4為USB接口電路，常用的USB接口芯片有PDIUSBD12、PL2303、CH375等，其中PL2303價格便宜，可以實現(xiàn)串行通信，因此采用PL2303芯片，其1腳(TXD)和5腳(RXD)分別連到單片機的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)，實現(xiàn)單片機的USB通信，下載控制程序。

無線通信功能是可編程序控制器最重要的功能，可以很方便地實現(xiàn)無線遙控控制。常用的射頻無線通信網(wǎng)絡有RFID、ZigBee、Z-wave、藍牙、Wi-Fi等，其中ZigBee、藍牙和Wi-Fi應用最廣。藍牙通信簡單易行，將藍牙模塊HC06的地線、RXD、TXD與單片機的地線、TXD、RXD相連接即可，可以和USB接口共用單片機的串口P3.0和P3.1，也可以使用單片機的第二串口P1.6、P1.7。串口Wi-Fi模塊ESP8266和單片機的連接也很簡單，也是將模塊的VCC、GND、TXD、RXD和單片機的VCC、GND、RXD、TXD分別連起來。ZigBee網(wǎng)絡的優(yōu)點是功耗低，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)多，如果構建ZigBee網(wǎng)絡，可以使用ZigBeeSOC芯片CC2530代替STC12C5A60S2作為CPU電路的主控制器。目前市場上有將工業(yè)級網(wǎng)口和串口轉換為無線ZigBee、Wi-Fi或藍牙信號的適配器，而本設計直接將無線傳輸功能集成到PLC內(nèi)部，使用非常方便。

圖3 輸入電路

圖4 USB接口電路

4 可編程序控制器的軟件設計

安裝GUTTALadderEditor，它是一款用戶可配置的PLC梯形圖編程環(huán)境，它讀取事先定義好的內(nèi)存配置，指令集配置文件，提供梯形圖的編輯環(huán)境。用戶完成梯形圖編輯后，將梯形圖轉換為指令表傳遞給PLC的CPU單片機。

可編程序控制器功能強大，抗干擾性強，穩(wěn)定可靠，增加了無線控制功能模塊后，可以方便地實現(xiàn)手機控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，安裝方便，不僅適用于智能家居，還適用于工業(yè)控制、文化娛樂、市政設施等各種控制領域。

[1] 肖明耀.PLC創(chuàng)新制作技能實訓[M].北京：中國電力出版社，2013.

[2] 葛廣英，葛青，趙云龍，等.ZigBee原理、實踐及綜合應用[M].北京：清華大學出版社，2015.

[3] 沈紅衛(wèi).單片機通信與組網(wǎng)技術實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[4] 周雁冰.用ArduinoYun輕松DIY智能家居[J].無線電，2016(7-12)：219-222.

[5] 溫喆，范亞斌.基于物聯(lián)網(wǎng)的四網(wǎng)融合技術研究及其應用[M].長春：吉林人民出版社，2016.

TheDesignofProgrammableLogicControllerforSmartHome

He Liang1，2，Zhou Ming1，2，Yu Miao1，2，Lian Xiangjiao1，2

(1.SchoolofMechanical-ElectronicandVehicleEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044,China;2.EngineeringResearchCenterofMonitoringforConstructionSafety，Beijing100044,China)

With the development of science and technology，smart home is the growing trend in the future. The traditional smart home system is complex and expensive and it is difficult to popularize. This article develops a kind of programmable logic controller for smart home，it is convenient to design individuation smart home system.

smart home；PLC；wireless communication

2017-09-15

赫 亮(1972- )，女，黑龍江哈爾濱人，副教授，工學碩士，研究方向為機械電子工程。

1674- 4578(2017)06- 0003- 04

TU855;TP273.5

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