基于PLC的智能家居系统设计.doc

_作者：路线单位：江南大学物联网工程学院班级：自动化1303班学号：1070413305基于PLC的智能家居系统设计摘要随着社会的不断发展与进步，人们不断去追求更舒适、方便、高效、安全的生活环境。传统的家居环境只满足了人们最基本的需求，无法满足人们对于家居环境越来越高的要求。由于人们对于高品质生活的追求，且随着计算机技术、网络技术、通信技术、自动化技术的发展，智能家居这种时代的产物应运而生。本文首先介绍了智能家居的概念和国内外的发展现状，随后对智能家居领域涉及到的几项技术进行了初步研究和简单应用，并设计了一套基于PLC 的智能家居原型系统，为接下来的研究奠定了基础。国内外对于智能家居的研究有很多，但是多选用单片机和 ARM 作为主控器。智能家居首要解决的问题就是稳定可靠，小型 PLC 相对于单片机和ARM 来说更加稳定实用。GSM 网络在全国范围内实现了联网与漫游，具备很强的网络能力和广泛的覆盖范围，同时不必另外组建网络，也对用户数量没有限定，资费便宜，外加短信业务的数据传输功能，都使得短信息形式成为智能家居 PLC 控制系统的首选。本设计运用PLC编程智能控制来实现智能家居，能自主设计控制方式、增加设备和改造控制。设备控制都使用直流继电器，以弱电控制强电，强弱电隔离，使用起来更加方便安全。关键词 智能家居；PLC；GSM网络 AbstractWith the continuous development and progress of society, People continue to pursue more comfortable, convenient, efficient and safe living environment. Traditional household environment only meet the most basic needs of the people. It cant meet the higher and higher requirements for home furnishing environment of people. The smart home system is invented at the right moment, due to the pursuit high quality life for people. It comes along with the development of the computer technology, network technology, communication technology and automation technology. The article first introduces the concept of smart home and domestic and foreign development of present situation, and then studied the field of smart home involves several technology and the simple application, and designs a set of intelligent household prototype system based on PLC, which laid the foundation for the next study. There are a lot of studies of smart home in the domestic and overseas, but the majority of those products use single-chip microcomputer and ARM as the main control unit. The priority issue in Smart home is the character of stable, and the small size PLC is more stable and practical than single-chip microcomputer and ARM. GSM network has realized the networking and roaming across the country. It has a strong capacity of the network and the extensive coverage, etc. There is no limit on the number of users in GSM network, the using consumption of GSM network is relatively low, and it has text data transmission function of the message. SMS becomes the first selection of the PLC control system in smart home for these reasons above. Based on PLC to achieve design for smart home, freedom design for control, increase control of equipment and renovation. Device control using DC relay, strong electric control by weak strong, the strength of electrical be isolation, Using more convenient and safe.Keywords: Smart home; PLC; GSM network第1章 绪 论1.1 概述与研究意义人们对于家居生活环境的要求随着科技水平和物质生活水平的提高而变得越来越高。日常生活的各方面都朝着数字化、网络化、智能化、人性化的目标发展1。作为现代生活的一个必然趋势，智能家居正在受到越来越多的关注。对于智能家居来讲，最重要的是以适用性为主旨，摒弃掉那些虚有其表，只可充作摆设的功能，产品以适用性、易用性和人性化为主。尽管当前智能家居有了很大的发展，市场上也出现了许多相应的产品，可是从总体上来看，行业发展缺少统一标准，产品质量也参差不齐，并且倾向家居自动化，而非智能化2。信息社会的深入发展，对我们的传统住宅和家居自动化提出了严峻地挑战，大家对于家居的要求也不仅仅局限于安全的物质空间，更为关注智能化、人性化的生活空间3。智能家居是利用综合布线、网络通信和安全防范等技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起的一个系统，该系统用来提升家居的便利性、舒适性和安全性。要实现智能家居，首先需要在家居中建立一个通讯网络，通过该网络可以方便地实现对各个网络节点设备的控制和监测。其次，需要一定的媒介平台实现网络和外界的通讯，满足远程或近程的控制和信息的交换。利用智能家居控制器可以提供多种智能控制方案，使人们在处理家庭事物方面，更加快捷，省力。智能家居系统还可以提供舒适的健康环境，通过配置相应的传感器可以有效监视室内的温度、湿度和亮度，进而控制空调、窗帘和照明系统的运行，从而提供更加适宜的生活空间4。另外通过各类安防传感器，提高了人们及时发现和处理紧急情况的能力。配备 Internet 接入功能后更增强了远程监控的能力，增加了住户的安全感，使人们能够全身心地投入到工作，从而提高生活质量。 住宅智能化控制的开发与建设是 21 世纪发展的必然趋势。信息技术的大力普及和应用，极大的推动了住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，使其实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活适量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义1.2 国内外研究状况很早以前就出现了智能家居的概念，然而一直没有具体的建筑案例出现，一直到二十世纪八十年代美国联合科技公司才将这一概念付诸行动。当时，该公司将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的 City Place Building，这才出现了世界上首例“智能化建筑”，此后揭开了全球争相建设智能型住宅的序幕。在这之后智能型住宅在新加坡、韩国、日本、美国、德国等国家都有了广泛应用。1998 年 5 月份在新加坡举办的“98 亚洲家电与电子消费品国际展览”上推出了“新加坡模式”的家庭智能化系统5，该系统包含三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等功能。到 2000 年为止，在新加坡有近三十个社区大约五千户的家庭安装了“家庭智能系统”，美国已有近四万户家庭采用了这一类的“家庭智能系统”6。从 2003 年春节后，韩国三星公司在中韩两国开始同时推出其智能家居系统，通过网络和机顶盒，将家居自动控制、信息家电、安防设备和娱乐信息中心这四部分集合成一个全方位的、面向互联网的家居智能控制网络。我国在2000 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康型示范小区列为国家着重发展项目，国家投资了十五个亿来支持该项目的实施落实7。2006 年 4 月时任国家主席胡锦涛同志访美期间，受邀参观微软集团总裁比尔盖茨的私人豪宅。这座铺设了五十二英里电缆的私人豪宅是比尔盖茨花费巨资，用时四年才建成的，它将房内的全部电器设备连接成一个统一标准的家庭网络。这次参观访问可以说是指明了我国在住宅智能化方面今后的发展方向8。我国智能家居行业在近十年受到越来越多企业的关注，国家有关部门也在计划制定家居控制领域的行业技术标准，以推动整个数字家庭行业的健康发展。我国智能家居的发展道路有一定的特殊性，其智能化是由智能小区和家庭安全防护系统逐步发展演变而来。2000 年，我国在小康型城乡住宅项目实施方中将建造智能化示范小区列入国家大力发展项目，这就促使我国的智能化建设的重点方向是从智能大厦建设向智能住宅小区、智能化家居系统建设发展。2006 年 8 月 25 日在北京召开的“国际智能家居高峰论坛”上，与会专家们共同讨论了中国智能化家居未来的发展方向。相关专家指出，在中国，智能化家居也有了初步发展，但远不如想象中乐观，虽然投资金额和数量有着惊人的增长，但是工程质量却名不副实，需要意识到我国智能家居还有很大的努力空间9。第2章 控制系统的设计与实现本系统的设计理念是利用PLC控制技术，将家居设备自动化家居安全防范技术和家居环境监测等功能集成到一个综合管理平台上，在保证系统的稳定可靠节能环保和低成本性的同时，兼顾系统的扩展性、兼容性、适用性，保证系统功能的可增选性，以提高了居住环境的方便性舒适性安全性和智能性10。智能家居PLC控制系统主要分为居住环境信息采集传送、建筑设备自动控制和远程监测显示三部分。建筑设备自动控制部分以对车库自动门的控制为例，采用PLC作为系统控制核心，电动机的正转、反转和停止等控制由接触器的主触点控制，电动机转轴与相关的机械传动装置相连，从而控制自动门的升降与停止11。自动门关闭后，用户在门外用采用手机信号钥匙将门锁打开或者用户在门内将门锁采用机械方式开启时，系统产生一个开门信号。CPU收到开门信号，输出开门信号，门打开，当门运行至开门极限位置SQ1时会停止运行。延时1s后，输出关门信号。为了电机堵转现象的产生，系统设计了电流保护模块12。在整个关门过程中电机控制的主干线路由电流保护模块进行检测，如果超过电动机的额定电流67倍时，PLC接收到电流保护模块输出的TTL信号，执行开门动作，可有效的防止电动机过载导致的损坏，检测电路当运行至关门极限位置SQ2时，PLC输出信号控制电动机停止运行，同时输出信号控制电磁锁工作上锁。系统中电流保护模块、GSM短信模块以及PLC模块分别使用5V、12V和24V的直流电。对此，本系统设有直流稳压电源电路，通过电路对单相交流电进行降压、整流、滤波、稳压等处理，确保系统供电电源的稳定性13。智能家居系统中环境信息的采集信号主要基于烟雾传感器、可燃性气体探测器和温湿度传感器等多种类别的传感器14。烟雾传感器和可燃性气体探测器主要安装于厨房，分别用于检测烟雾和燃气值，当检测到含量超标时，发信号至PLC，PLC通过GSM短信模块发送报警信息至用户手机，从而避免危险的发生。同时，用户还可通过监控画面远程观看家居实时环境状态，也可发送短信至GSM模块，通过GSM模块与PLC之间的通信，获取家居环境的具体信息参数。用户也可通过短信的模式发送命令通过GSM模块给PLC，从而控制各类电气设备的运行。譬如：可燃性气体探测器检测到燃气泄漏，PLC收到异常报警信号，通过GSM模块进行通讯，GSM模块将短信通过网络发送给用户，用户接收到信息后，可发送短信至GSM模块命令PLC做出控制，打开电动窗户，排出可燃性气体，从而实现家居的安全防范技术。以火灾报警信息推送过程为例。烟雾传感器或可燃性气体探测器等传感器都有一个可预设的值，当检测当前值超过设定值时，PLC产生中断事件，执行中断处理程序，中断子程序进行串口通讯发送报警短信。同时，GSM模块是否有接收到查询短信会由主控器PLC循环检测，当接收到用户的查询状态短信时，PLC读取传感器数值，将相关的数据以短信的形式发送给用户。程序流程图如图1所示。气体浓度是否超标开中断始开始始初始化始数据采集始 Y N发送报警短信始结束始图1 程序流程图GSM模块采用取得SIEMENS公司推出的TC35i模块，该模块已经获得国内无线电设备入网证，并且符合ETSI标准的GSM7.07和GSM7.05。TC35i系列模块是西门子公司推出的基于GSM900移动通信网络系统的OEM模块，可适应各专业领域对于语音传输和无线数据传输及可开发性的需求的15。TC35i模块。集成了射频电路和基带，同时为用户提供标准的AT命令接口，可稳定、安全、快速的传输数据、语音、短消息等信号。并且接口协议公开，满足各种用户开发、设计和应用的需求。当GSM模块接收到短信息时，PLC就会向GSM模块写入命令控制字，GSM模块通过串口向PLC发送短信数据。反之，PLC要向用户发送消息时，PLC会先通过串口发送数据给GSM模块，GSM模块再将信息数据发送至用户的手机。参考文献1蒋雪梅. 自动门控制器的电路设计方案分析与研究J. 科技创新导报, 2011-05-11:116-118. 2王明秋. 智能家居控制系统的设计与实现研究D. 华中师范大学, 2006-11-01:4-10.3刘晶. 智能家居中PLC控制系统的实现D. 哈尔滨理工大学, 2014.4武艳. 智能家居中PLC控制系统的设计与实现J. 电子测试, 2015, 24:9-10.5唐劲松. 智能化小区如何建设J. 中国建设信息, 2001-06-25:3-5.6 LI Ming. 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