基于PLC的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

年4月19日基于PLC的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔僅供參考作者：路線單位：江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院班級(jí)：自動(dòng)化1303班學(xué)號(hào)：基于PLC的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們不斷去追求更舒適、方便、高效、安全的生活環(huán)境。傳統(tǒng)的家居環(huán)境只滿足了人們最基本的需求，無法滿足人們對(duì)于家居環(huán)境越來越高的要求。由于人們對(duì)于高品質(zhì)生活的追求，且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，智能家居這種時(shí)代的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生。本文首先介紹了智能家居的概念和國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，隨后對(duì)智能家居領(lǐng)域涉及到的幾項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了初步研究和簡單應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了一套基于PLC的智能家居原型系統(tǒng)，為接下來的研究奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)外對(duì)于智能家居的研究有很多，可是多選用單片機(jī)和ARM作為主控器。智能家居首要解決的問題就是穩(wěn)定可靠，小型PLC相對(duì)于單片機(jī)和ARM來說更加穩(wěn)定實(shí)用。GSM網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)與漫游，具備很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)能力和廣泛的覆蓋范圍，同時(shí)不必另外組建網(wǎng)絡(luò)，也對(duì)用戶數(shù)量沒有限定，資費(fèi)便宜，外加短信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，都使得短信息形式成為智能家居PLC控制系統(tǒng)的首選。本設(shè)計(jì)運(yùn)用PLC編程智能控制來實(shí)現(xiàn)智能家居，能自主設(shè)計(jì)控制方式、增加設(shè)備和改造控制。設(shè)備控制都使用直流繼電器，以弱電控制強(qiáng)電，強(qiáng)弱電隔離，使用起來更加方便安全。關(guān)鍵詞智能家居；PLC；GSM網(wǎng)絡(luò)AbstractWiththecontinuousdevelopmentandprogressofsociety,Peoplecontinuetopursuemorecomfortable,convenient,efficientandsafelivingenvironment.Traditionalhouseholdenvironmentonlymeetthemostbasicneedsofthepeople.Itcan’tmeetthehigherandhigherrequirementsforhomefurnishingenvironmentofpeople.Thesmarthomesystemisinventedattherightmoment,duetothepursuithighqualitylifeforpeople.Itcomesalongwiththedevelopmentofthecomputertechnology,networktechnology,communicationtechnologyandautomationtechnology.Thearticlefirstintroducestheconceptofsmarthomeanddomesticandforeigndevelopmentofpresentsituation,andthenstudiedthefieldofsmarthomeinvolvesseveraltechnologyandthesimpleapplication,anddesignsasetofintelligenthouseholdprototypesystembasedonPLC,whichlaidthefoundationforthenextstudy.Therearealotofstudiesofsmarthomeinthedomesticandoverseas,butthemajorityofthoseproductsusesingle-chipmicrocomputerandARMasthemaincontrolunit.ThepriorityissueinSmarthomeisthecharacterofstable,andthesmallsizePLCismorestableandpracticalthansingle-chipmicrocomputerandARM.GSMnetworkhasrealizedthenetworkingandroamingacrossthecountry.Ithasastrongcapacityofthenetworkandtheextensivecoverage,etc.ThereisnolimitonthenumberofusersinGSMnetwork,theusingconsumptionofGSMnetworkisrelativelylow,andithastextdatatransmissionfunctionofthemessage.SMSbecomesthefirstselectionofthePLCcontrolsysteminsmarthomeforthesereasonsabove.BasedonPLCtoachievedesignforsmarthome,freedomdesignforcontrol,increasecontrolofequipmentandrenovation.DevicecontrolusingDCrelay,strongelectriccontrolbyweakstrong,thestrengthofelectricalbeisolation,Usingmoreconvenientandsafe.Keywords:Smarthome;PLC;GSMnetwork第1章緒論1.1 概述與研究意義人們對(duì)于家居生活環(huán)境的要求隨著科技水平和物質(zhì)生活水平的提高而變得越來越高。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)展[1]。作為現(xiàn)代生活的一個(gè)必然趨勢(shì)，智能家居正在受到越來越多的關(guān)注。對(duì)于智能家居來講，最重要的是以適用性為主旨，摒棄掉那些虛有其表，只可充作擺設(shè)的功能，產(chǎn)品以適用性、易用性和人性化為主。盡管當(dāng)前智能家居有了很大的發(fā)展，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了許多相應(yīng)的產(chǎn)品，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，而且傾向家居自動(dòng)化，而非智能化[2]。信息社會(huì)的深入發(fā)展，對(duì)我們的傳統(tǒng)住宅和家居自動(dòng)化提出了嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)，大家對(duì)于家居的要求也不但僅局限于安全的物質(zhì)空間，更為關(guān)注智能化、人性化的生活空間[3]。智能家居是利用綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信和安全防范等技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起的一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來提升家居的便利性、舒適性和安全性。要實(shí)現(xiàn)智能家居，首先需要在家居中建立一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過該網(wǎng)絡(luò)能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)。其次，需要一定的媒介平臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和外界的通訊，滿足遠(yuǎn)程或近程的控制和信息的交換。利用智能家居控制器能夠提供多種智能控制方案，使人們?cè)谔幚砑彝ナ挛锓矫妫涌旖?，省力。智能家居系統(tǒng)還能夠提供舒適的健康環(huán)境，經(jīng)過配置相應(yīng)的傳感器能夠有效監(jiān)視室內(nèi)的溫度、濕度和亮度，進(jìn)而控制空調(diào)、窗簾和照明系統(tǒng)的運(yùn)行，從而提供更加適宜的生活空間[4]。另外經(jīng)過各類安防傳感器，提高了人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理緊急情況的能力。配備Internet接入功能后更增強(qiáng)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力，增加了住戶的安全感，使人們能夠全身心地投入到工作，從而提高生活質(zhì)量。住宅智能化控制的開發(fā)與建設(shè)是21世紀(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。信息技術(shù)的大力普及和應(yīng)用，極大的推動(dòng)了住宅小區(qū)智能化建設(shè)的進(jìn)程，更為住宅小區(qū)智能化提供了可靠的技術(shù)保障，使其實(shí)施起來更加容易和簡捷。智能信息家電及智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化、個(gè)性化的獨(dú)特魅力，它對(duì)于改進(jìn)現(xiàn)代人類的生活適量，創(chuàng)造舒適、安全、便利的生活空間有著非常重要的意義1.2 國內(nèi)外研究狀況很早以前就出現(xiàn)了智能家居的概念，然而一直沒有具體的建筑案例出現(xiàn)，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)。當(dāng)時(shí)，該公司將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州哈特佛市的CityPlaceBuilding，這才出現(xiàn)了世界上首例“智能化建筑”，此后揭開了全球爭相建設(shè)智能型住宅的序幕。在這之后智能型住宅在新加坡、韓國、日本、美國、德國等國家都有了廣泛應(yīng)用。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)[5]，該系統(tǒng)包含三表抄送功能、安防報(bào)警功能、可視對(duì)講功能、監(jiān)控中心功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和系統(tǒng)軟件配置等功能。到年為止，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)”[6]。從年春節(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)，經(jīng)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)。中國在《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)[7]。年4月時(shí)任國家主席胡錦濤同志訪美期間，受邀參觀微軟集團(tuán)總裁比爾·蓋茨的私人豪宅。這座鋪設(shè)了五十二英里電纜的私人豪宅是比爾·蓋茨花費(fèi)巨資，用時(shí)四年才建成的，它將房內(nèi)的全部電器設(shè)備連接成一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的家庭網(wǎng)絡(luò)。這次參觀訪問能夠說是指明了中國在住宅智能化方面今后的發(fā)展方向[8]。中國智能家居行業(yè)在近十年受到越來越多企業(yè)的關(guān)注，國家有關(guān)部門也在計(jì)劃制定家居控制領(lǐng)域的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以推動(dòng)整個(gè)數(shù)字家庭行業(yè)的健康發(fā)展。中國智能家居的發(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。年，中國在小康型城鄉(xiāng)住宅項(xiàng)目實(shí)施方中將建造智能化示范小區(qū)列入國家大力發(fā)展項(xiàng)目，這就促使中國的智能化建設(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。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，可是工程質(zhì)量卻名不副實(shí)，需要意識(shí)到中國智能家居還有很大的努力空間[9]。第2章控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是利用PLC控制技術(shù)，將家居設(shè)備自動(dòng)化"家居安全防范技術(shù)和家居環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能集成到一個(gè)綜合管理平臺(tái)上，在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠"節(jié)能環(huán)保和低成本性的同時(shí)，兼顧系統(tǒng)的擴(kuò)展性、兼容性、適用性，保證系統(tǒng)功能的可增選性，以提高了居住環(huán)境的方便性"舒適性"安全性和智能性[10]。智能家居PLC控制系統(tǒng)主要分為居住環(huán)境信息采集傳送、建筑設(shè)備自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯示三部分。建筑設(shè)備自動(dòng)控制部分以對(duì)車庫自動(dòng)門的控制為例，采用PLC作為系統(tǒng)控制核心，電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止等控制由接觸器的主觸點(diǎn)控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與相關(guān)的機(jī)械傳動(dòng)裝置相連，從而控制自動(dòng)門的升降與停止[11]。自動(dòng)門關(guān)閉后，用戶在門外用采用手機(jī)信號(hào)"鑰匙將門鎖打開或者用戶在門內(nèi)將門鎖采用機(jī)械方式開啟時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)開門信號(hào)。CPU收到開門信號(hào)，輸出開門信號(hào)，門打開，當(dāng)門運(yùn)行至開門極限位置SQ1時(shí)會(huì)停止運(yùn)行。延時(shí)1s后，輸出關(guān)門信號(hào)。為了電機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流保護(hù)模塊[12]。在整個(gè)關(guān)門過程中電機(jī)控制的主干線路由電流保護(hù)模塊進(jìn)行檢測(cè)，如果超過電動(dòng)機(jī)的額定電流6~7倍時(shí)，PLC接收到電流保護(hù)模塊輸出的TTL信號(hào)，執(zhí)行開門動(dòng)作，可有效的防止電動(dòng)機(jī)過載導(dǎo)致的損壞，檢測(cè)電路當(dāng)運(yùn)行至關(guān)門極限位置SQ2時(shí)，PLC輸出信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)輸出信號(hào)控制電磁鎖工作上鎖。系統(tǒng)中電流保護(hù)模塊、GSM短信模塊以及PLC模塊分別使用5V、12V和24V的直流電。對(duì)此，本系統(tǒng)設(shè)有直流穩(wěn)壓電源電路，經(jīng)過電路對(duì)單相交流電進(jìn)行降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等處理，確保系統(tǒng)供電電源的穩(wěn)定性[13]。智能家居系統(tǒng)中環(huán)境信息的采集信號(hào)主要基于煙霧傳感器、可燃性氣體探測(cè)器和溫濕度傳感器等多種類別的傳感器[14]。煙霧傳感器和可燃性氣體探測(cè)器主要安裝于廚房，分別用于檢測(cè)煙霧和燃?xì)庵担?dāng)檢測(cè)到含量超標(biāo)時(shí)，發(fā)信號(hào)至PLC，PLC經(jīng)過GSM短信模塊發(fā)送報(bào)警信息至用戶手機(jī)，從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。同時(shí)，用戶還可經(jīng)過監(jiān)控畫面遠(yuǎn)程觀看家居實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)，也可發(fā)送短信至GSM模塊，經(jīng)過GSM模塊與PLC之間的通信，獲取家居環(huán)境的具體信息參數(shù)。用戶也可經(jīng)過短信的模式發(fā)送命令經(jīng)過GSM模塊給PLC，從而控制各類電氣設(shè)備的運(yùn)行。譬如：可燃性氣體探測(cè)器檢測(cè)到燃?xì)庑孤琍LC收到異常報(bào)警信號(hào)，經(jīng)過GSM模塊進(jìn)行通訊，GSM模塊將短信經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶，用戶接收到信息后，可發(fā)送短信至GSM模塊命令PLC做出控制，打開電動(dòng)窗戶，排出可燃性氣體，從而實(shí)現(xiàn)家居的安全防范技術(shù)。以火災(zāi)報(bào)警信息推送過程為例。煙霧傳感器或可燃性氣體探測(cè)器等傳感器都有一個(gè)可預(yù)設(shè)的值，當(dāng)檢測(cè)當(dāng)前值超過設(shè)定值時(shí)，PLC產(chǎn)生中斷事件，執(zhí)行中斷處理程序，中斷子程序進(jìn)行串口通訊發(fā)送報(bào)警短信。同時(shí)，GSM模塊是否有接收到查詢短信會(huì)由主控器PLC循環(huán)檢測(cè)，當(dāng)接收到用戶的查詢狀態(tài)短信時(shí)，PLC讀取傳感器數(shù)值，將相關(guān)的數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送給用戶。程序流程圖如圖1所示。氣體濃度氣體濃度是否超標(biāo)開中斷始開始始開中斷始開始始初始化始數(shù)據(jù)采集始YN發(fā)送報(bào)警短信發(fā)送報(bào)警短信始結(jié)束始結(jié)束始圖1程序流程圖GSM模塊采用取得SIEMENS公司推出的TC35i模塊，該模塊已經(jīng)獲得國內(nèi)無線電設(shè)備入網(wǎng)證，而且符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)的GSM7.07和GSM7.05。TC35i系列模塊是西門子公司推出的基于GSM900移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的OEM模塊，可適應(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)性的需求的[15]。TC35i模塊。集成了射頻電路和基帶，同時(shí)為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，可穩(wěn)定、安全、快速的傳輸數(shù)據(jù)、語音、短消息等信號(hào)。而且接口協(xié)議公開，滿足各種用戶開發(fā)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的需求。當(dāng)GSM模塊接收到短信息時(shí)，PLC就會(huì)向GSM模塊寫入命令控制字，GSM模塊經(jīng)過串口向PLC發(fā)送短信數(shù)據(jù)。反之，PLC要向用戶發(fā)送消息時(shí)，PLC會(huì)先經(jīng)過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給GSM模塊，GSM模塊再將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的手機(jī)。參考文獻(xiàn)[1]蔣雪梅.自動(dòng)門控制器的電路設(shè)計(jì)方案分析與研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),-05-11:116-118.[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),-11-01:4-10.[3]劉晶.智能家居中PLC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱理工大學(xué),.[4]武艷.智能家居中PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,,24:9-10.[5]唐勁松.智能化小區(qū)如何建設(shè)[J].中國建設(shè)信息,-06-25:3-5.[6]LIMing.Intelligentmonitoringsystembasedonembeddedweb[J].JournalofChongqingNormalUniversit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