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基于 PLC 的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于 PLC 的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)化 1205 傅建忠 1070412505 摘要 自動(dòng)化 1205 傅建忠 1070412505 摘要 隨著人們生活水平提高和科技水平的進(jìn)步，人們對(duì)于家居的要求越來越高， 日常 生活的各方面都朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化的目標(biāo)發(fā)，智能家居正好滿足 人們這些方面的要求，因此受到極大的關(guān)注。 本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)不同于一般的 自動(dòng)化產(chǎn)品，從技術(shù)層面深刻解讀智能化的家居系統(tǒng)，打造真正的安全、舒適、便捷 的家居 PLC 控制系統(tǒng)。用 GSM 作為網(wǎng)絡(luò)媒介和聯(lián)通個(gè)人和家庭網(wǎng)的工具， 通過短信等 方式進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制。本文主要基于 PLC 技術(shù)對(duì)智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 主 要涉及到的技術(shù)有自動(dòng)控制技術(shù)、 通信技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)等， 優(yōu)化算法， 實(shí)現(xiàn)高效率、 低成本、易操作的系統(tǒng)。 關(guān)鍵字PLC；家庭內(nèi)組網(wǎng)；GSM 模塊；可編程控制器 江南大學(xué) 傅建忠 目錄 第 1 章 緒論1 1.1 概述.1 1.2 智能家居的研究意義.1 1.3 智能家居的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2 2.1 設(shè)計(jì)思路.2 2.2 功能介紹.3 2.3 主要模塊介紹.3 第 3 章 硬件設(shè)計(jì)3 3.1智能網(wǎng)關(guān)3 3.2 PLC 通信模塊.4 3.3 GSM 模塊.4 第 4 章 軟件設(shè)計(jì).5 4.1通信協(xié)議5 4.2 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì)5 參考文獻(xiàn)6 江南大學(xué) 傅建忠 1 第 1 章 緒 論第 1 章 緒 論 1.1 概述1.1 概述 智能家居（英文：smart home, home automation）是以住宅為平臺(tái)，利用綜合 布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、 安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活 有關(guān)的設(shè)施集成， 構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)， 提升家居安全性、 便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境 1。智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)的影 響之下物聯(lián)化體現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng) 之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮 2。智能家居就是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把家用電器、照明 設(shè)備、冰箱空調(diào)、防盜系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、水電系統(tǒng)等通過傳感器等聯(lián)通起 來，實(shí)現(xiàn)更加安全、高效、便捷。傳統(tǒng)的家居，在新時(shí)代和新技術(shù)的幫助下，仿佛一 個(gè)活生生的動(dòng)物一樣，不僅能夠感知外界的變化，還能“思考”，根據(jù)設(shè)定的規(guī)范或 者基于大數(shù)據(jù)從，自己給出最優(yōu)的解決方案，極大地改善人們的居住條件，并且還賦 予了除了居住之外的其他功能和體驗(yàn)。 本文主要基于 PLC 技術(shù)對(duì)智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 主要涉及到的技術(shù)有自動(dòng) 控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、易操作的系 統(tǒng)。 1.2 智能家居的研究意義1.2 智能家居的研究意義 隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)水平和精神水平得到了極大的提升。人們的要 求也越來越高，尤其是對(duì)于科技的普遍使用和科技水平進(jìn)步的速率加快， 人們對(duì)于科 技的要求和預(yù)期也隨之大增，互聯(lián)網(wǎng)日益普遍，尤其是智能手機(jī)的使用，人們將很多 功能搬到手機(jī)上，終端操作非常方便，人們也非常習(xí)慣便捷、簡(jiǎn)易的操作。同時(shí)，隨 著生活壓力和生活節(jié)奏的加快，對(duì)于精神方面的要求也越來高， 家庭逐漸變成了一個(gè) 集居住、休閑、辦公、娛樂等多功能的處所。日常生活的各方面都朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò) 化、智能化、人性化的目標(biāo)發(fā)展 2。智能家居正好滿足人們這些方面的要求，因此受 到極大的關(guān)注。近年來，主打智能家居的產(chǎn)品很多，可是從總體上來看，行業(yè)發(fā)展缺 少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊，并且傾向家居自動(dòng)化，而非智能化 3。 本文超越一般的自動(dòng)化產(chǎn)品，從技術(shù)層面深刻解讀智能化的家居系統(tǒng)， 打造真正 的安全、 舒適、 便捷的家居PLC控制系統(tǒng)。 PLC， 即可編程序控制器(Programmable Logic Controller，GSM(全稱為 Global System for Mobile communication)。用 GSM 作為 網(wǎng)絡(luò)媒介和聯(lián)通個(gè)人和家庭網(wǎng)的工具。 1.3 智能家居的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 智能家居的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在很早很早以前，人們就幻想能有一個(gè)智能化的建筑，但是囿于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力和 科技水平，這也只能成為一個(gè)幻想。1884 年，美國是第一個(gè)真正將這一個(gè)幻想付諸 實(shí)踐的國家。一直到二十世紀(jì)八十年代美國聯(lián)合科技公司才將這一概念付諸行動(dòng)。 江南大學(xué) 傅建忠 2 1998 年 5 月份在新加坡舉辦的“98 亞洲家電與電子消費(fèi)品國際展覽“上推出了 “新加 坡模式”的家庭智能化系統(tǒng) 4。到 2000 年為止，在新加坡有近三十個(gè)社區(qū)大約五千 戶的家庭安裝了“家庭智能系統(tǒng)”，美國已有近四萬戶家庭采用了這一類的“家庭智 能系統(tǒng)” 5。從 2003 年春節(jié)后，韓國三星公司在中韓兩國開始同時(shí)推出其智能家居 系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)和機(jī)頂盒，將家居自動(dòng)控制、信息家電、安防設(shè)備和娛樂信息中心這 四部分集合成一個(gè)全方位的、面向互聯(lián)網(wǎng)的家居智能控制網(wǎng)絡(luò)。 我國在2000 年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目實(shí)施方案中，將建設(shè)智能 化小康型示范小區(qū)列為國家著重發(fā)展項(xiàng)目， 國家投資了十五個(gè)億來支持該項(xiàng)目的實(shí)施 落實(shí) 6。 國家非常重視， 胡錦濤在訪美期間還參觀了比爾蓋茨的智能家庭， 感受頗深。 社會(huì)各界空前關(guān)注智能化行業(yè)發(fā)展，與之相關(guān)產(chǎn)業(yè)也大力發(fā)展，如物聯(lián)網(wǎng)、通信等， 李克強(qiáng)總理 2015 年還點(diǎn)名中國網(wǎng)速太慢，網(wǎng)費(fèi)太貴。我國智能家居的發(fā)展道路有一 定的特殊性，其智能化是由智能小區(qū)和家庭安全防護(hù)系統(tǒng)逐步發(fā)展演變而來 7。2000 年， 我國在小康型城鄉(xiāng)住宅項(xiàng)目實(shí)施方案中將建造智能化示范小區(qū)列入國家大力發(fā)展 項(xiàng)目，這就促使我國的智能化建設(shè)的重點(diǎn)方向是從智能大廈建設(shè)向智能住宅小區(qū)、 智 能化家居系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展 8。2006 年 8 月 25 日在北京召開的 “國際智能家居高峰論壇” 上， 與會(huì)專家們共同討論了中國智能化家居未來的發(fā)展方向。 相關(guān)專家指出， 在中國， 智能化家居也有了初步發(fā)展，但遠(yuǎn)不如想象中樂觀， 雖然投資金額和數(shù)量有著驚人的 增長(zhǎng)，但是工程質(zhì)量卻名不副實(shí)，需要意識(shí)到我國智能家居還有很大的努力空間 9。 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 2.1 設(shè)計(jì)思路2.1 設(shè)計(jì)思路 將智能家居分為三個(gè)層次， 分別定義為感知層、 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng) 用層三個(gè)層次，從物到人。 2.1.1 感知層2.1.1 感知層 感知層為家庭內(nèi)各個(gè)需要 觀測(cè)的對(duì)象或者指標(biāo)通過傳感 器來感知， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、 快讀地采 集各項(xiàng)需要的內(nèi)容。 感知的內(nèi)容 送往網(wǎng)絡(luò)層，感知層是對(duì)底層、 最基本的層次。 2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層集成了來自感知層的數(shù)據(jù)、人們?cè)O(shè)置的參數(shù)和要求等，組成家庭網(wǎng)絡(luò)，和 感知層與應(yīng)用層進(jìn)行交互?？梢酝ㄟ^ WEB 發(fā)布在網(wǎng)上或者輸送到想要保存的位置。 江南大學(xué) 傅建忠 3 2.1.3 應(yīng)用層2.1.3 應(yīng)用層 應(yīng)用層包含從網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)送到各種終端設(shè)備的傳輸設(shè)備和終端設(shè)備， 終端設(shè)備可以 是手機(jī)、電腦，甚至可以是任何一個(gè)物體，即物聯(lián)著人，還可以物聯(lián)著物。系統(tǒng)地框 圖見圖 1。 2.2 智能家居內(nèi)部組網(wǎng)方案2.2 智能家居內(nèi)部組網(wǎng)方案 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為人們提供了更多的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，智能家居系統(tǒng)需要首先需要 把感知的信息傳送到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層中，方式很多，最主要的組網(wǎng)方案有載波技術(shù)、無線 技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。 2.2.1 載波技術(shù)2.2.1 載波技術(shù) 用電力線載波來傳 遞信號(hào)， 有高壓、 中壓和 低壓電力線三種。顯然， 高壓不適用于家居， 低壓 可以對(duì)于家居系統(tǒng)來說， 可以采用低壓電力線作 為信號(hào)的傳輸介質(zhì)。 穩(wěn)定 性高并且成本低。 2.2.2 無線技術(shù)2.2.2 無線技術(shù) 無線技術(shù)更加方便， 可以繞過障礙物， 安裝也 十分簡(jiǎn)單方便，還避免了電線的危險(xiǎn)性。目前技術(shù)較為成熟，主要有有 WiFi、藍(lán)牙、 Zigbee 等。尤其是 WiFi 技術(shù)，使用最為普遍，穩(wěn)定強(qiáng)，速度快，所能覆蓋的范圍較 廣。 2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)目前應(yīng)用最廣泛，穩(wěn)定相和抗干擾性非常強(qiáng)， 該總線技術(shù)上的每一 個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)失控，并不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，具有安全性 能高、控制功能豐富的優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格相對(duì)較高 10。 第 3 章 硬件設(shè)計(jì)第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 3.1 智能網(wǎng)關(guān)3.1 智能網(wǎng)關(guān) 智能家居的硬件很多，電表、電線、插座、家用電器等。通過智能家庭網(wǎng)關(guān)來管 理其他電器。PLC 是一種利用電力線傳輸數(shù)據(jù)的通信方式 11。 . 以傳輸電流的電力線 作為通信載體，PLC 具有極大的便利性，只要房間里有電源插座便可接入網(wǎng)絡(luò)，從而 江南大學(xué) 傅建忠 4 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸. 智能家庭網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入， 實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與室內(nèi)電力線局域網(wǎng)的 融合 1213. 而且還有其他很多優(yōu)點(diǎn)，比如帶寬高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，互聯(lián)性能好。智能網(wǎng)關(guān) 硬件系統(tǒng)主要包括：主處理器模塊、電力線載波模塊、調(diào)試接口模塊、以太網(wǎng)模塊和 電源模塊.主處理器模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、命令控制；電力線載波模塊主要負(fù)責(zé)電 力線載波的調(diào)制解調(diào)與收發(fā)；調(diào)試接口模塊主要用于系統(tǒng)調(diào)試和參數(shù)設(shè)定； 以太網(wǎng)模 塊，主要負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)通信；電源模塊負(fù)責(zé)供電和后備電池切換 14。 3.2 PLC 通信模塊3.2 PLC 通信模塊 安裝有通信設(shè)備整機(jī)內(nèi)的通訊模塊既負(fù)責(zé)與其對(duì)應(yīng)的顯示板進(jìn)行通訊， 也負(fù)責(zé)與終端網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。 網(wǎng)絡(luò)交換處理負(fù)責(zé)接收傳來 的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后傳給接口,如圖 3。業(yè)務(wù)處理根據(jù)通訊協(xié)議解析 接收到的數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)通過接口或接口直接傳送給家電板上 的。同時(shí)將家電傳來的數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給 15。PLC 通信模塊放 置于需要感知的對(duì)象上，然后和網(wǎng)關(guān)相連,如圖 4. 圖 3 PLC 通信模塊圖 4 PLC 模塊和網(wǎng)關(guān)關(guān)系 3.3 GSM 系統(tǒng)3.3 GSM 系統(tǒng) GSM 短信模塊是一種基于無線 GSM 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)級(jí) MODEM(調(diào)制解調(diào)器)，它內(nèi)嵌入 GSM 無線通信模塊、 集成卡槽、 天線及各種外圍電路等。 卡槽內(nèi)插入移動(dòng)運(yùn)營商的 SIM 卡，就可以建立與移動(dòng)運(yùn)營商的短信中心的無線連接的裝置。 通過 GSM 短信模塊的連 接就可以實(shí)現(xiàn)主控器與應(yīng)用系統(tǒng)之間短信的自由收發(fā) 16。 本系統(tǒng)采用的 GSM 短信模塊 是己取得國內(nèi)無線電設(shè)備入網(wǎng)證的 SIEMENS 公司推出的 TC35i 模塊 17， 該模塊性價(jià)比 比較高，并且符合 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)的 GSM707 和 GSM705 18。TC35i 系列模塊是 SIEMENS 公司為適應(yīng)各專業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谡Z音傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸及可開發(fā)性的需求而推出的基 于 GSM900 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 OEM(全稱 Original Equipment nufacturer)模塊 19。 TC35i 模塊集成了射頻電路和基帶，并且為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的 AT 命令接口，同時(shí)可以 江南大學(xué) 傅建忠 5 為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真等提供穩(wěn)定、安全、快速的傳輸，而且為了滿足用戶開 發(fā)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的需求，接口協(xié)議也公開 20。TC35i 模塊主要有電源模塊 ASIC、GSM 射頻模塊、GSM 基帶處理器、天線插槽、FLASH、ZIF 連接器這六部分 21。 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 通信協(xié)議4.1 通信協(xié)議 智能家居的控制系統(tǒng)主要依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此通信是最主要的輸送方式， 它的通 信協(xié)議，采用 TCP/IP 協(xié)。 4.2 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì)4.2 遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì) 使用 GSM。全球移動(dòng)通信系統(tǒng) GSM(Global System for Mobile communication， 簡(jiǎn)稱 GSM)。GSM 短信模塊提供了完全符合 GSM7.05 與 GSM707 規(guī)范的命令接口。 GSM0707 中定義的 AT 命令接口提供了一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備和移動(dòng)平臺(tái)之間通訊的通 用接口，而 GSM0705 又對(duì)短消息作出了詳細(xì)規(guī)定 22。 江南大學(xué) 傅建忠 6 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 郭穩(wěn)濤，何怡剛智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2011，19(09):2019-212. 2 王明秋智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究D華中師范大學(xué)，2006-11-01： 4-10 3 Erfaneh Allameh， Mohammadali Heidari Jozam， Bauke de Vries， Harry Timmermans， Jakob Beetz， Farhang Mozaffar The role of Smart Home in Smart Real EstateJ Journal of European Real Estate Research，2012,V01.5,PP156.170. 4 俞健 基于 TC35i 的移動(dòng)通信終端的研究與實(shí)現(xiàn)D 武漢理工大學(xué)， 2012.05 01： 12-18. 5 侯海濤國內(nèi)外智能家居發(fā)展現(xiàn)狀J建材發(fā)展導(dǎo)向，2004.10.30：13.15 6 唐勁松智能化小區(qū)如何建設(shè)J中國建設(shè)信息，2001.06.25：3-5 7LI MingIntelligent Monitoring System Based on Embedded WebJJournal of Chongqing Normal University,2009，V0126(3)，PP.72 8Jay Liebowitz， Janet 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