一種基于PLC智能家居控制系統(tǒng)的硬件設計

帥 偉

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 常州 213000）

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，居民生活水平得到了大幅提高，對居住環(huán)境和智能化控制水平的要求也越來越高，特別是居民老齡化問題越來越突出，傳統(tǒng)家居要求已經(jīng)遠遠達不到現(xiàn)代居民對于安全性、舒適性、便利性和可靠性的要求[1]。本設計以PLC為核心，其具備紅外傳感、智能照明、溫濕度檢測與控制等功能，同時還兼?zhèn)涮烊粴獠杉c報警、煙霧濃度報警等安全防范功能。

1 系統(tǒng)整體設計方案

現(xiàn)代家居環(huán)境以更加體貼、舒適、智能為綜合要求，同時兼顧個性化要求，所以系統(tǒng)采用手動控制和自動控制兩種控制模式[1]。本系統(tǒng)以MCGS軟件制作上位機完成監(jiān)控，通過各類傳感器作為采集設備，將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC運行后發(fā)送指令給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)動作從而完成相關(guān)控制設備的運行與停止[2]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

考慮到每個人的操作習慣或者愛好不一樣，本系統(tǒng)采用自動和手動兩種控制模式，用戶可以根據(jù)需要進行切換，控制模式如圖2所示。

圖2 控制模式選擇Fig.2 Control mode selection

2 系統(tǒng)的硬件設計與選型

2.1 監(jiān)控軟件

MCGS作為一款比較好用的軟件，功能強大，操作方便，容易上手，有較好的人機交互界面，不容易出現(xiàn)一些故障問題。除此之外，此軟件與其他軟件的兼容性比較好，通訊起來沒有什么阻礙。因此，選擇MCGS軟件來設計相應應用系統(tǒng)，MCGS組態(tài)軟件包括3個版本，分別是網(wǎng)絡版、通用版、嵌入版。

2.2 PLC選型

PLC是智能家居控制系統(tǒng)的核心，其主要是完成對數(shù)據(jù)采集后的分析計算，完成系統(tǒng)程序控制等相關(guān)任務。選擇三菱FX3U-32MR型號的PLC，其輸入輸出點數(shù)為32個，滿足系統(tǒng)需求，并留有一定的余量。

2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是采集室內(nèi)溫度和濕度的重要設備，本文采用霍尼韋爾SCT系列壁掛式溫濕度變送器是室內(nèi)應用的理想環(huán)境解決方案。其主要性能參數(shù)見表1。

表1 溫濕度傳感器性能指標參數(shù)表Table 1 Temperature and humidity sensor performance index parameter table

SCT系列溫濕度變送器提供多種選項和特征，如可選配易于讀取的LCD顯示屏顯示環(huán)境溫度、相對濕度或露點。溫濕度的標準輸出信號為4mA～20mA或0V～10V，本文采用電流輸出型即輸出信號為4mA～20mA，VS-、VS+采用直流24V輸入，T、RH分別輸出溫度和濕度電流信號[1]。接線端子如圖3所示。

圖3 接線端子示意圖Fig.3 Schematic diagram of wiring terminals

2.4 紅外傳感器

本文利用紅外傳感器探測室內(nèi)人體移動發(fā)出的熱輻射進行檢測并判斷室內(nèi)是否有人活動，如果檢測到人體活動后，會對控制模塊發(fā)出指令，從而控制室內(nèi)燈具插座的啟停，一是起到節(jié)約能源的作用[1]；二是可以結(jié)合光照度傳感器實現(xiàn)對室內(nèi)亮度欠缺的情況下，達到人體接近時，所在位置燈具打開，補充亮度不足的問題，使其更加人性化、智能化。本文選用MLX90621作為紅外傳感器，具體性能參數(shù)見表2。

表2 MLX90621紅外傳感器主要性能指標Table 2 Main performance indicators of MLX90621 infrared sensor

2.5 光照度傳感器

為了提高居住的舒適度，對于室內(nèi)光照度的要求必不可少。智能家居控制系統(tǒng)能夠采集不同環(huán)境下的光照度，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至PLC和上位機，通過對數(shù)據(jù)進行比對、分析，發(fā)出信號，燈具可以根據(jù)信號進行調(diào)節(jié)，從而滿足室內(nèi)人員在不同環(huán)境下所需要的光照度，提高居住生活的舒適度。本文采用NHZD10B1照度傳感器，具體性能參數(shù)見表3。

表3 NHZD10B1照度傳感器性能指標Table 3 NHZD10B1 Illuminance sensor performance index

2.6 煙霧濃度傳感器

本文采用JTY-GM-HA20傳感器，該傳感器集感溫和感煙于一體，根據(jù)感應煙霧顆粒的原理來工作，采用結(jié)構(gòu)設計以及光電信號處理技術(shù)。該傳感器不但對明燃所產(chǎn)生的可見煙霧反應快捷，也能對緩慢陰燃產(chǎn)生的可見煙霧有較好的反應速度。當煙霧濃度超標或環(huán)境溫度超過57℃時，探測器報警指示燈閃爍，探測器輸出繼電器常開常閉動作[2]，發(fā)出指令給PLC，PLC根據(jù)輸入的報警信號，輸出指令給消防噴淋系統(tǒng)。主要性能指標見表4。

表4 JTY-GM-HA20傳感器主要性能指標Table 4 Main performance indicators of JTY-GM-HA20 sensor

2.7 燃氣濃度傳感器

燃氣濃度傳感器在民用安全防護工程中，一般多用于家庭燃氣泄漏報警，用來探測燃氣的濃度。氣敏傳感器是其內(nèi)容的核心部件，一般使用過程中安裝在可能發(fā)生燃氣泄漏的場所，例如廚房、浴室等地。一旦發(fā)生泄漏，勢必空氣中的燃氣濃度會升高，當濃度達到設定好的值時，該傳感器對外發(fā)出聲光報警信號，也可以控制排風設備或者驅(qū)動直線電機來控制窗戶開啟，從而保障生命和財產(chǎn)的安全[3]。本文采用MQ-2作為天然氣濃度傳感器，傳感器外形及內(nèi)部電路圖如圖4所示。

圖4 MQ-2傳感器外形及內(nèi)部電路圖Fig.4 MQ-2 Sensor outline and internal circuit diagram

MQ-2傳感器具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出），其中模擬量輸出為0V～5V電壓，濃度越高，電壓輸出越高。TTL電平輸出時有效信號為低電平，即輸出信號低電平是信號燈亮。具體情況是4管腳輸出的是能夠反映煙霧濃度變化的直流信號，該管腳與比較器的2腳、RP構(gòu)成了比較器的門檻電壓。如果煙霧濃度較低時，輸出的電壓則低于門檻電壓，比較器U1A輸出高電平，此時LED燈熄滅。反之，如果煙霧濃度較大時，輸出的電壓則高于門檻電壓，比較器U1A輸出低電平，LED燈亮，發(fā)出報警。

2.8 PLC擴展模塊選型

由于本文所選溫濕度傳感器的溫度、濕度輸出信號均為電流信號，光照度傳感器輸出信號也是電流信號，燃氣傳感器輸出信號為電壓信號，其他紅外傳感器和煙霧濃度傳感器輸出信號都是數(shù)字信號[1]。對于模擬電壓、電流信號，要求擴展模塊具備處理標準電壓、電流信號的能力，同時要良好地兼容與PLC的通信。基于PLC的選定限制，擴展模塊選擇為三菱廠家的產(chǎn)品。結(jié)合上述要求，根據(jù)市場情況選用FX3U-4AD擴展模塊。具體性能指標見表5。

表5 FX3U-4AD主要性能指標Table 5 FX3U-4AD Main performance indicators

FX3U-4AD模塊端口示意圖如圖5所示，CH1、CH2、CH3、CH4表示4個輸入通道，24+、24-表示連接24V電源，具體信號輸入端口連接如圖6所示。

圖5 FX3U-4AD模塊端口示意圖Fig.5 Schematic diagram of FX3U-4AD module port

圖6 信號輸入端口連接圖Fig.6 Signal input port connection diagram

模塊包含了4個通道電壓/電流數(shù)據(jù)模擬量輸入，可以實現(xiàn)電壓輸入、電流輸入。各通道的A/D轉(zhuǎn)換值被自動寫入FX3U可編程控制器的特殊數(shù)據(jù)寄存器中。

3 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)控制流程如圖7所示，系統(tǒng)具備兩種控制模式，可以根據(jù)需要進行選擇，在自動模式下可以進行溫濕度、紅外光照、燃氣、煙霧等檢測，從而控制對應的控制設備，以完成智能化控制的目的[1]。

圖7 系統(tǒng)控制流程Fig.7 System control flow

4 結(jié)束語

本文設計了以PLC為核心的智能家居采集與控制系統(tǒng)的硬件電路，具備紅外傳感，是智能照明，溫濕度、燃氣、煙霧濃度檢測等安全防范功能的智能家居控制系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)整體設計方案以及各系統(tǒng)的硬件設計與選型。系統(tǒng)硬件電路簡單，性價比高，工作可靠，滿足智能家居的基本控制要求。