智能家庭管理系統(tǒng)設計

曾 勝,戴賢君,王 兵,黃 貞

(1.皖江工學院 電氣工程學院,安徽 馬鞍山 243031;2.中國計量大學 生命科學學院,浙江 杭州 310018;3.安徽工業(yè)大學 電氣信息工程學院,安徽 馬鞍山 243002)

1 研究意義

1.1 智能家居的研究

智慧家庭[1],是一個集樓宇設備、網(wǎng)絡通訊、信息家電和設備自動控制為一體的系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)、結構、服務、管理,為您營造高效、舒適、安全、便捷和環(huán)保的居住空間。建筑除了保留了原有的住宅功能外,還從原來的“消極”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺e極”的“智慧”狀態(tài)[3]。智能家庭不僅給人們帶來了信息交換的綜合功能,而且也優(yōu)化著人們的生活方式和環(huán)境,從而使人們可以有效地分配時間,節(jié)省能源。伴隨著世界范圍的智能家庭不斷推廣,智能家庭于上世紀末悄悄進入了我國市場。這些年來,智能家庭反復且頻繁地出現(xiàn)在設計媒體上,已經(jīng)家喻戶曉。智能家庭管理系統(tǒng)包括綜合布線、利用網(wǎng)絡通信和安全措施等技術,是將家庭生活中出現(xiàn)的相關的各種子系統(tǒng)相結合的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)增加了家庭的便利性、舒適性和安全性。在智能家庭生活中,各種操作系統(tǒng)、硬件裝置、開發(fā)者、網(wǎng)絡資源,都是智能家庭中不可缺少的一部分[3]。想實現(xiàn)智能家庭管理,首先需要在家中建立通信網(wǎng)絡,可以方便對各種網(wǎng)絡節(jié)點設備的控制和監(jiān)控。隨著視覺在智能家庭產(chǎn)品中的廣泛應用,未來的家居智能視覺將不再局限于家庭安全場景的個體鏈接,而是專注于創(chuàng)建基于視覺能力的自主多場景連接,實現(xiàn)智能家庭產(chǎn)品的主動感應和識別以及信息共享,達到全屋智能的能力,也根據(jù)用戶的喜好給予相關服務,促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)新。智能家庭管理系統(tǒng)確保了居民的安全、便利和舒適,以及能源效率和環(huán)保的生活環(huán)境[4]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國于1884年率先把這一幻想付諸實踐。20世紀80年代,美國的聯(lián)合技術公司才將這一概念付諸實踐。盡管智能家庭行業(yè)在國內(nèi)外已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展,推出了許多智能家庭產(chǎn)品,但是還沒有一款產(chǎn)品能夠滿足普通家庭的需求,因此智能家庭的各個方面都需要進行改進[5]。

1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在發(fā)達國家,特別是在美國、日本和韓國等擁有先進電子產(chǎn)品的國家,智能家居非常廣泛和流行。在中國,起步相對較晚,但發(fā)展很快,有很多制造商和各種各樣的產(chǎn)品。國內(nèi)智能家居的發(fā)展分為以下四個階段:第一階段在20世紀末,整個市場還處于對于智能家居的概念不清,這個時候國內(nèi)沒有生產(chǎn)商和經(jīng)銷商,只有在沿海地區(qū)有幾個美國智能家居的代理商,也主要賣給在中國的歐美用戶。第二階段是21世紀初期,受國外智能家居的影響,國內(nèi)也在上海、北京、南京、廣州等地開設了智能化家居的研發(fā)和銷售企業(yè)。第三階段由于上一階段開設的智能家居企業(yè)過多,而市場對于智能家居行業(yè)抱保守的態(tài)度,加上部分廠商夸大智能家居的實際功效,給智能家居領域帶來很大的負面影響,這一階段,大部分廠家都陷入銷售不利的局面,短短兩三年就有20多家智能家居生產(chǎn)商退出這一市場。第四階段則是在2010年以后,隨著各項技術的發(fā)展,智能家居的設備得到了急速的發(fā)展,且受房地產(chǎn)行業(yè)的宏觀調(diào)控,智能家居放量增長,邁入了高速發(fā)展時期,行業(yè)內(nèi)部的各項標準開始形成,行業(yè)并構成主流?？v觀智能家居生產(chǎn)的各個方面,像海爾這樣的龍頭企業(yè)相對較少。

在智能化互聯(lián)網(wǎng)化的市場背景下,智能家居監(jiān)控行業(yè)步入了一個快速發(fā)展的時期,在國家相關政策和各地要求的布局下,我國已啟動智慧城市建設,目前正在建設的智慧城市已經(jīng)有很多個。隨著全國各地智慧城市的建設,相關的市場規(guī)?？赡軙U至千億,甚至萬億[6]。我國在《2000年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產(chǎn)業(yè)工程項目實施方案》把建設智能化小康型示范小區(qū)列為國家著重發(fā)展項目,國家投資了15億支持項目實施[7]。2000年,我國在小康城市和農(nóng)村住宅項目實施方面,將智能化示范園區(qū)納入國家大力推動發(fā)展的項目,這使得我們國家的智能建筑從智能大樓的建造向智能住房的建造轉(zhuǎn)變,發(fā)展成為智能家庭的建造。在2006年8月25日于北京舉行的“世界智能家庭峰會”上,與會的多位專家學者就中國家庭智能家庭的發(fā)展趨勢進行了探討。在有關專家看來,中國的家庭智能系統(tǒng)雖然已初具規(guī)模,但還遠遠沒有規(guī)劃中那么美好。金額和數(shù)量有著非常大的增長趨勢,但工程的質(zhì)量卻很是一般,因此要意識到我國智能家居還有非常大的發(fā)展與前進的空間[8]。中國的智能家居市場正處于蓬勃發(fā)展的階段,然而,高昂的用戶成本和操作系統(tǒng)的高度復雜性卻是一項不可避免的挑戰(zhàn)。同時,智能家居也面臨著安全問題、隱私泄露以及用戶體驗不佳等方面的風險。為了應對這些挑戰(zhàn),必須探索可行的途徑,以使廣大民眾能夠充分享受智能家居所帶來的便捷和易用性。

智能家居現(xiàn)在正被廣泛地運用在各個領域,如住房、汽車工業(yè)、醫(yī)療保健等。若智能家居系統(tǒng)得到社會的廣泛認可,則在不遠的將來,智能家居將成為家居生產(chǎn)的主流,引領著人們進入智能時代[9]。國內(nèi)外科研者對智能家庭管理有著較深入的研究,大企業(yè)通過自身掌握的資源優(yōu)勢,開發(fā)出可實用的家庭管理系統(tǒng)。我國對這項研究和開發(fā)始于20世紀末,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國對家庭能源的管理系統(tǒng)的研究也在日趨成熟。

1.2.2 國外研究現(xiàn)狀

1998年的5月新加坡舉辦的“98亞洲家電及電子消費品國際展覽”上展示了“新加坡模式”的家庭智能化系統(tǒng)[10]。截至2000年,新加坡已經(jīng)有近30個地區(qū)約5 000戶安裝了“家庭智能系統(tǒng)”,美國已有40 000戶使用了這種類型的“家庭智能系統(tǒng)”[11]。利用互聯(lián)網(wǎng)技術,將四大元素:家庭自動化、信息家電、安全設施以及娛樂資訊,融入一個完善的、基于互聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)中。智能家居在發(fā)達國家應用廣泛,非常受歡迎,尤其是在美國、日本和韓國等先進電子產(chǎn)品中。隨著首座智能化大廈的建成,美國、韓國、日本、歐洲等國家的企業(yè)紛紛投入智能家居的研發(fā),并且提出了一系列有效的解決方案,以滿足當?shù)氐男枨?。一段時間以來,美國和一些歐洲國家在這一領域一直引領著智能家居的發(fā)展。

2 系統(tǒng)的總體設計

2.1 系統(tǒng)總體設計思路

基于PLC的智能家庭管理控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對智能家居設備的遠程控制,使用成熟可靠的傳感器和控制器,實現(xiàn)低成本、易于使用的智能家庭管理控制系統(tǒng),確保智能家庭管理系統(tǒng)的兼容性和可擴展性,并降低智能家庭管理控制系統(tǒng)的成本[12]。同時,系統(tǒng)可以提升生活的便利性,該系統(tǒng)采用PLC技術對家居控制,實現(xiàn)了內(nèi)部網(wǎng)絡的信息互換,外部信息的交流和數(shù)據(jù)共享,主機控制收集城市中的電器狀態(tài)信息,控制系統(tǒng)控制整個住宅的電器,控制面板控制整個住宅的圖像和信號,因此控制面板是整個系統(tǒng)的核心,涵蓋了各類技術[13]。智能家居控制系統(tǒng)將電力線載波、無線傳輸和網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g結合起來,形成了一個復雜的,具有人性化的綜合智能控制系統(tǒng)。把室內(nèi)變成移動端,進一步應用在整個家庭的各個空間中,幫助人們更好地把握生活。

因此,設計了一個通過觸摸屏以實現(xiàn)智能窗簾開合、智能照明、智能洗衣機、智能車庫、智能中央空調(diào)和煙霧危險報警器基本控制的基于PLC的核心處理器。在這個基礎之上,作為PLC系統(tǒng)的上微機,負責PLC信息通信,完成了智能家庭系統(tǒng)的設備監(jiān)控和本地控制功能,同時上位機也作為遠程訪問家庭系統(tǒng)的信息接入點。遠程計算機在線和本地微機之間的信息互換交流,實現(xiàn)對智能家庭系統(tǒng)設備的訪問和控制。讓人們更容易管理電器,同時遠程訪問和監(jiān)控家用電器,使數(shù)字化家庭更加人性化。經(jīng)過模塊的處理,用戶所發(fā)出的指令得以轉(zhuǎn)化為一個完整的指令。該命令包括執(zhí)行指令、檢測和記錄信息,以及顯示這些信息。在PLC控制下,該指令被暫時存儲,直至經(jīng)過PLC的檢查并傳輸至執(zhí)行器,從而完成硬件系統(tǒng)的操作。

2.2 系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)的基本運行順序由子系統(tǒng)之中的數(shù)據(jù)信息借助數(shù)據(jù)線輸入到現(xiàn)場控制主機PLC之中,PLC的控制結構相對簡單,無需繁瑣的維護程序,且其結構堅固耐用,足以滿足絕大多數(shù)用戶的應用需求[14]。硬件的實現(xiàn)方案多種多樣,能否達到功能齊全、價格低廉及安全使用是需要考慮的。智能家庭控制系統(tǒng)由PLC控制,主程序總體結構示意圖如圖1。

圖1 總體結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the overall structure

3 系統(tǒng)的硬件設計

PLC是一種專業(yè)的工業(yè)控制設備,有一個類似于計算機應用系統(tǒng)的硬件結構。一臺PLC計算機由一個處理器、存儲器(EPROM、RAM)、I/O單元、外圍I/O接口、通信接口和電源組成。在集成PLC的情況下,這些部件都在同一個外殼中。傳統(tǒng)的PLC硬件結構圖如圖2。

圖2 PLC硬件結構圖Figure 2 PLC hardware structure diagram

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 編程環(huán)境介紹

軟件設計中,使用的是博途v16,它擁有高效的穩(wěn)定性,采用了先進的編程技術和算法,能確保編程效率以及程序的穩(wěn)定性,可擴展性強,支持多

種通信協(xié)議和硬件設備,可以方便地進行擴展和升級;該軟件具有簡單易用的用戶界面,使用戶們能快速上手并進行操作。博途v16有標準化以及高度集中的性能特點,拓展了許多嶄新的功能,覆蓋從規(guī)劃工程到調(diào)試的每一個階段。軟件質(zhì)量得到了大幅提升,同時也減少了調(diào)試次數(shù)和工程成本,使用戶享受到更好的體驗。

4.2 控制系統(tǒng)的設計

4.2.1 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)提供了兩種可供選擇的控制模式,以滿足您的個性化需求。手動模式和自動控制模式均可靈活的控制使用,既能滿足不同用戶對環(huán)境要求的差異又能實現(xiàn)多種功能,從而為人們生活帶來更多便利。在自動模式下,系統(tǒng)能夠探測到燈光、洗衣機、車庫、空調(diào)、煙霧等設備的存在,并通過智能控制器對其進行智能管理[15]。按照系統(tǒng)要求,設計系統(tǒng)流程圖,如圖3。

圖3 系統(tǒng)流程圖Figure 3 System flow diagram

4.2.2 PLC的I/O分配表

I/O分配表是PLC的輸入點和輸出點地址名稱的定義,先確認控制方案,然后開始對PLC的控制地址進行定義分配。一個合理的I/O分配表需要結合實際的工程需求,合理分配。

根據(jù)系統(tǒng)組成分析,下表為PLC的I/O點分配表,如表1。

表1 系統(tǒng)的I/O分配表

4.3 控制系統(tǒng)的PLC程序

根據(jù)控制系統(tǒng)的設計方案,運用PLC軟件編寫程序,將各個部分程序轉(zhuǎn)換成相應的梯形圖,并將其輸入到編程軟件中。

4.3.1 系統(tǒng)主程序控制

圖4為智能家庭管理系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖,通過原理圖的設計可以看出其智能系統(tǒng)的先進性、全面性、便捷性,能夠進行智能化控制。

圖4 PLC主程序設計圖Figure 4 PLC main program design diagram

4.3.2 控制系統(tǒng)的設計

智能家庭管理系統(tǒng)的接線圖,PU是熔斷保險器,能夠因為控制電路電流過載而自動斷開,防止電路短路。按照控制系統(tǒng)要求,原理圖如圖5。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖Figure 5 Schematic diagram of control system

5 程序的調(diào)試

博途winCC可以直接進行程序仿真,編程用到西門子S7-1500,以達到更加真實的仿真效果,從而使計算機成為一臺更加真實的PLC。本文以智能家庭管理系統(tǒng)為背景,采用面向?qū)ο蠹夹g實現(xiàn)了其主程序及各個子程序。對于智能家庭管理系統(tǒng)的主程序和各個子程序進行了調(diào)試,以糾正和調(diào)整程序設計中出現(xiàn)的錯誤。打開軟件博途v16[16-17],打開源代碼塊進行檢查,檢測無誤,安裝完畢后,打開仿真軟件,進行仿真實驗,以下是智能家庭管理[18-19]控制系統(tǒng)的觸摸屏的仿真界面。

1)觸摸屏主界面,主界面有六個圖標,分別為窗簾按鈕、智能照明按鈕、智能洗衣機模塊、智能車庫按鈕、中央空調(diào)按鈕和煙霧報警按鈕。觸摸屏主界面如圖6。

圖6 觸摸屏主界面圖Figure 6 Touch screen main interface diagram

2)先給時鐘進行設置,模擬室內(nèi)環(huán)境給予仿真程序一個室內(nèi)當前的溫濕度、年月日以及PM2.5的參數(shù),并按下仿真開啟按鈕,即讓系統(tǒng)在一個特定的狀態(tài)進行仿真,以便后續(xù)進行程序調(diào)試。時鐘設置界面如圖7。

圖7 觸摸屏主界面圖Figure 7 Touch screen main interface diagram

3)點擊智能窗簾按鈕,分為手動和自動兩個模式,自動模式有一個定時開關,設置啟動時間和停止時間,到達時間時就可以自動開合。手動模式時,直接按下屏幕打開與關閉按鈕進行智能控制,觸摸屏窗簾控制界面如圖8所示。

圖8 觸摸屏窗簾控制界面圖Figure 8 Touch screen curtain control interface diagram

4)點擊智能照明按鈕,分為手動和自動兩個模式,自動模式是有一個定時開關,設置啟動時間和停止時間,到達時間時就可以自動開關。手動模式時直接按下打開關閉按鈕控制智能照明。打開狀態(tài)下觸摸屏照明控制界面如圖9。

圖9 觸摸屏照明控制界面圖Figure 9 Touch screen lighting control interface diagram

5)點擊智能車庫按鈕,觸摸屏直接遠程控制車庫門開合。按下開門按鈕時,觸摸屏車庫控制界面如圖10。

圖10 觸摸屏車庫控制界面圖Figure 10 Touch screen garage control interface diagram

6)點擊智能洗衣機按鈕,可以設置進水,洗滌,脫水,烘干的時間,觸摸屏上會顯示當前狀態(tài),也可以直接控制的啟動和停止。給各個流程狀態(tài)設置時間后,按下洗衣機啟動按鈕,此時觸摸屏洗衣機控制界面如圖11所示。

圖11 觸摸屏洗衣機控制界面圖Figure 11 Touchscreen washing machine control interface diagram

7)點擊中央空調(diào)按鈕,可以直接在觸摸屏上設置溫度,溫度低于設定值會自動調(diào)節(jié),室內(nèi)溫度升高;溫度高于設定值會自動調(diào)節(jié),室內(nèi)溫度降低。當前室內(nèi)溫度為24 ℃,設定溫度為25 ℃因此系統(tǒng)將進行自動升溫。此時觸摸屏空調(diào)控制界面如圖12。

圖12 觸摸屏中央空調(diào)控制界面圖Figure 12 Touch screen central air conditioner control interface diagram

8)當室內(nèi)有危險煙霧進入時,室內(nèi)的PM2.5參數(shù)將會有所改變,系統(tǒng)收到信息并發(fā)出警告,室內(nèi)窗簾會自動打開,凈化空氣。此時觸摸屏危險煙霧報警控制界面如圖13。

圖13 觸摸屏危險煙霧報警控制界面圖Figure 13 Touch screen dangerous smoke alarm control interface diagram

6 結 論

1)該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于舒適,成本相對較低,雖然功能不多,但主要是為了滿足和確保家庭安全。為了使得智能家庭管理安全得到保障,早上和下午自動打開和關閉窗戶,自動照明、智能洗衣、煙霧警報可以實現(xiàn),人們?nèi)粘Ｉ钪杏赏獠凯h(huán)境引起的問題可以在一定程度上得到解決。在該系統(tǒng)的試運行中,完全按照設計標準要求進行試產(chǎn)和檢驗,各項指標均達到設計要求。經(jīng)實際應用和現(xiàn)場測試,各項的性能指標均達到設計要求。

2)在開發(fā)系統(tǒng)的硬件和軟件時,采用了更先進的技術和創(chuàng)新的方法。與傳統(tǒng)的設計方法相比,不同電氣設備的控制方式存在一定的差異,但是基本控制順序是一致的,即將電氣設備的運行信息傳入到PLC之中,再由PLC發(fā)送給遠程控制終端,住宅擁有者在控制終端上發(fā)出相關的指令,控制終端將指令發(fā)送給PLC,再由PLC直接控制電氣設備改變相關的運行參數(shù)。