基于PLC的宿舍管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘旺平 蔡小偉 張材仕 鄒鵬輝 林福龍 張中正

摘 ? 要：為解決學(xué)生逃課滯留宿舍，僅靠人力難以監(jiān)督的問題，文章提出一種以學(xué)生課表為中心，基于PLC的宿舍管理系統(tǒng)。每間宿舍配備HMI觸摸屏用于學(xué)生課表管理，以S7-1214C PLC為主站管理多間宿舍，以STC15單片機(jī)為從站采集傳感器信息。根據(jù)課程表對(duì)宿舍進(jìn)行有課、無課及特殊情況分類管理，輔助宿舍燈光自動(dòng)控制、樓道燈光控制及損壞檢測(cè)、防盜報(bào)警系統(tǒng)等功能。

關(guān)鍵詞：宿舍管理;可編程邏輯控制;單片機(jī);人機(jī)交互

1 ? ?目前高校宿舍管理所面臨的問題

據(jù)研究表明，高等學(xué)校專業(yè)課逃課比例在19%以上[1]，大學(xué)發(fā)生失火和丟失物品的現(xiàn)象嚴(yán)重，宿舍樓走廊燈損壞后不能及時(shí)進(jìn)行登記檢修。傳統(tǒng)的宿舍管理中，幾乎任何需求都是以人力進(jìn)行操作，比如開燈（可調(diào)解亮度）、收衣服等，都受人的主觀因素影響。當(dāng)人在不方便管理時(shí)，會(huì)造成一些資源浪費(fèi)，例如光線夠亮?xí)r還開電燈[2]。對(duì)比以往的宿舍管理方式，在傳統(tǒng)模式下，主要依靠人工進(jìn)行宿舍監(jiān)控管理，出現(xiàn)了浪費(fèi)人力、管理漏洞等較多問題。本文提出了以學(xué)生課表為中心，基于可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）的宿舍管理系統(tǒng)。每間宿舍配備人機(jī)交互（Human Machine Interface，HMI）觸摸屏用于學(xué)生課表管理，以S7-1214C PLC為主站管理多間宿舍，以STC15單片機(jī)為從站采集傳感器信息。根據(jù)課程表，對(duì)宿舍進(jìn)行“有課”“無課”“特殊情況”分類管理。在有課情況下，如果宿舍內(nèi)人體檢測(cè)模塊檢測(cè)到有人時(shí)，宿管室WinCC上位機(jī)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并且存放到報(bào)警報(bào)表中。在“無課”或者“特殊情況”下，宿舍照明燈會(huì)根據(jù)亮度傳感器進(jìn)行關(guān)、開控制。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有人經(jīng)過時(shí)，走廊照明燈燈亮。同時(shí)，電燈旁的亮度傳感器對(duì)燈光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷照明燈是否損壞。如果檢測(cè)到照明燈未正常工作，該信息將傳送到宿管室上位機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)報(bào)修的功能，大大減少了檢修人員的工作量。

2 ? ?總體方案設(shè)計(jì)

智能宿舍管理系統(tǒng)控制由PLC統(tǒng)一管理，并增加單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。宿舍內(nèi)的燈光控制由單片機(jī)采集外部信號(hào)，經(jīng)處理器初步處理后，通過Modbus-RTU協(xié)議傳送給PLC，PLC進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行控制[3]。走廊燈光控制由紅外檢測(cè)模塊采集外部信號(hào)，直接傳送給PLC進(jìn)行處理。走廊亮度檢測(cè)模塊采集的外部信號(hào)也直接傳送到PLC進(jìn)行照明燈判斷檢修。宿舍火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)包括煙霧檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、火焰檢測(cè)模塊，采集外部環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過單片機(jī)綜合處理后，直接接到PLC I/O口，再經(jīng)PLC分析、處理后執(zhí)行動(dòng)作。宿舍安全防盜報(bào)警系統(tǒng)由紅外檢測(cè)模塊采集外部信號(hào)，傳送給PLC處理。S7-1214C PLC通過PROFINET協(xié)議與觸摸屏、WinCC通信，S7-1214C PLC通過Modbus-RTU協(xié)議與單片機(jī)通信，單片機(jī)通過I/O口與各傳感器通信，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 ? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 ?燈光控制系統(tǒng)

當(dāng)學(xué)生“無課”或宿管室啟動(dòng)“特殊情況”按鈕時(shí)，宿舍內(nèi)的亮度探測(cè)模塊感測(cè)到外部亮度數(shù)值再通過單片機(jī)計(jì)算、分析后，調(diào)節(jié)LED燈的開關(guān)，進(jìn)而極大限度地滿足人們各種照明環(huán)境的需求，為宿舍節(jié)約用電。走廊區(qū)域：在相應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)（時(shí)間段可以通過樓管室觸摸屏設(shè)置），走廊處的紅外傳感器感應(yīng)到有人，電燈打開并延遲一定時(shí)間后斷開。此外，如果走廊電燈開啟了，而該電燈附近的亮度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)未達(dá)到閥值，就認(rèn)定為電燈發(fā)生故障，記錄在宿管室上位機(jī)的報(bào)警報(bào)表中。

3.2 ?火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

由于在火災(zāi)發(fā)生前期，宿舍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生煙、火光，并且溫度升高。這些變化的環(huán)境因素將被傳感器采集后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital，A/D）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，并傳送火災(zāi)控制系統(tǒng)[4]。其中，溫度傳感器采集的溫度經(jīng)單片機(jī)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度—時(shí)間曲線[5]來進(jìn)行火災(zāi)溫度判定。為避免檢測(cè)出錯(cuò)，采取單片機(jī)檢測(cè)到滿足煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骷盎馂?zāi)溫度判定這3種條件或手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕功能時(shí)，產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。發(fā)生火災(zāi)的宿舍、隔壁宿舍、所在的樓層以及每棟宿舍樓的樓管室的指示燈工作。上位機(jī)可記錄首次報(bào)警時(shí)間并查閱歷史報(bào)警記錄，使該棟宿舍樓的安全通道門打開，讓門禁解除，以便人員的有效疏散。

3.3 ?主PLC控制系統(tǒng)的硬件選型與配置

系統(tǒng)硬件電路以S7-1214C PLC為主站管理多間宿舍，STC15單片機(jī)為從站采集傳感器信息[6-7]。PLC與單片機(jī)之間采用Modbus-RTU通信協(xié)議通信。同時(shí)，PLC通過PROFINET協(xié)議將系統(tǒng)運(yùn)行的過程實(shí)時(shí)地傳輸?shù)紿MI上，PLC又通過PROFINET協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將宿管室上位機(jī)和Web客戶端連接。宿舍內(nèi)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都接于單片機(jī)，傳感器的數(shù)據(jù)采集由單片機(jī)做一個(gè)簡(jiǎn)單的處理后，通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC經(jīng)過分析后，作出判斷，再傳給單片機(jī)，執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。

3.4 ?單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)采用STC15L2K61S2單片機(jī)，具有外部中斷功能，STC15單片機(jī)運(yùn)算速度快、可靠性高，和同價(jià)位的單片機(jī)相比，具有更大的容量[8]。因此，總體來看，STC15單片機(jī)在性能上比較優(yōu)越，所以選用該款單片機(jī)。本次STC15L2K61S2單片機(jī)與外部的亮度傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、人體傳感器等傳感器連接，且單片機(jī)與S7-1214C PLC通過Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行通信[9-10]。

3.5 ?人機(jī)交互系統(tǒng)

監(jiān)控畫面的顯示由HMI觸摸屏和WinCC組態(tài)軟件兩部分執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作。觸摸屏選用西門子KTP700 Basic型觸摸屏，設(shè)計(jì)通過網(wǎng)線、交換機(jī)與下位機(jī)PLC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)觸摸屏信息的輸入、讀取及PLC上執(zhí)行的命令在觸摸屏上顯示。選用WinCC組態(tài)軟件，保證了管理人員易操作性和監(jiān)控的高效性。S7-1214C PLC通過PROFINET協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將現(xiàn)場(chǎng)情況反映在WinCC上位機(jī)上，異常情況記錄也將記錄在WinCC組態(tài)軟件的報(bào)表中。

4 ? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?PLC軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由S7-1200 PLC對(duì)燈光控制系統(tǒng)、安全防盜報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、節(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用S7-1214C PLC實(shí)時(shí)輪詢的功能，對(duì)每間宿舍進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，降低漏查率。單片機(jī)在宿舍“有課”“無課”兩種情況下，依據(jù)人體傳感器來檢測(cè)宿舍內(nèi)是否有人在，“無課”情況下，宿舍燈光依據(jù)亮度傳感器進(jìn)行開關(guān)調(diào)節(jié);“有課”情況下，宿舍本應(yīng)沒人在，但是如果人體傳感器檢測(cè)到有人時(shí)，就是異常狀態(tài)，將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并將產(chǎn)生警報(bào)記錄在報(bào)表中。

4.2 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求進(jìn)行分析，對(duì)各種組態(tài)軟件性能進(jìn)行對(duì)比分析，選擇WinCC組態(tài)軟件，使用WinCC軟件完成上位機(jī)各個(gè)監(jiān)控畫面的制作、報(bào)表設(shè)置，以及權(quán)限設(shè)置[13]。實(shí)際硬件中，WinCC與下位機(jī)PLC通過PROFINET協(xié)議通信。界面有：WinCC主界面、WinCC房間監(jiān)控畫面、WinCC報(bào)警監(jiān)控畫面、WinCC報(bào)警監(jiān)控表畫面、WinCC課程表畫面、WinCC走廊監(jiān)控畫面等。

5 ? ?結(jié)語

文中提出一種以學(xué)生課表為中心，基于PLC的宿舍管理系統(tǒng)。集WinCC上位、S7-1214C PLC、觸摸屏及單片機(jī)四者共同組成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控學(xué)生未上課在宿舍報(bào)警、宿舍燈光手自動(dòng)控制、樓道燈光控制及損壞檢測(cè)、防盜報(bào)警等功能。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能在一定程度上解決學(xué)生逃課問題，能優(yōu)化宿舍管理，減少了管理上的漏洞，減輕了人力資源壓力，具有一定有應(yīng)用前景。

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