基于PLC的智能家居控制系統

徐愛明

（廣東省技師學院，廣東惠州，516100）

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基于PLC的智能家居控制系統

徐愛明

（廣東省技師學院，廣東惠州，516100）

摘要：隨著社會的發展和進步，人們對于生活品質的追求不斷提高，舒適、方便、高效、安全的生活環境是每個人都向往的生活環境。本文旨在設計基于PLC的智能家居控制系統，集家居自動化、家居安全防護和家居環境監測于一身，為用戶提供良好的生活體驗，提高家居環境的安全性、方便性和舒適性。

關鍵詞：智能家居;PLC;傳感器;安全

0 引言

隨著我國國民經濟水平和科學技術的不斷提高，特別是計算機技術和網絡通訊技術的發展，智能家居越來越受到人們的重視。智能家居是充分利用綜合布線、網絡通信和安全防護技術，同家居生活聯系在一起，將有關電子系統有機整合成一個系統，該系統能夠很好地提升家居的便利性、舒適性和安全性。生活節奏的加快，人們大部分的時間是在公司內度過的，家居長期處于無人的狀態，家居內的安全保證受到了一定的威脅。本文主要探究建立基于PLC的智能家居控制系統，實現家居情況的實時監測，安全防護和遠程報警。該系統通過自動門設計、室內環境監測、煤氣泄漏報警、家居起火監測、短信告知報警等功能設計，實現實時保護家居環境安全的目的。

1 國內外智能家居發展現狀1.1 國外發展現狀

國內外智能家居的發展不平衡。發達國家的智能家居水平發展程度較高，例如美國的X-10，歐洲的EIB。其中，日本的智能家居發展水平很高，目前已經實現了室內電氣自動化聯網，具有生物識別技術的自動門系統，智能化的家居溫度、濕度監測和控制系統。此外國外還有以家居安防為主的智能家居項目，整個系統涉及了燈光控制、電動窗簾控制、空調和地暖控制、室內環境監測、安全防護等。

1.2 國內發展現狀

國內的智能家居發展始于2003年，由于我國經濟發展水平和技術的限制，智能家居的發展水平較低。我國的住宅是開發商的主導商品，很難根據消費者的意愿來購買和安裝智能家居產品。近年來，我國經濟的快速發展，電子技術和通訊技術的提高，智能家居逐漸成為發展的熱點。目前，北京中旬威易公司采用Zigbee技術和CAN總線技術實現了樓宇對講，杭州鴻雁電器提出了采用無線通訊技術和現場總線技術的面板觸摸系統。很多家庭為了提高家居的安全性和舒適性，安裝了生物門鎖，采購了自動掃地機器人、具有物聯網功能的家用電器，智能家居將將成為我國居民消費的新熱點。

2 智能家居系統的功能模塊分析

2.1 自動門控制功能模塊

門禁系統為家居環境提供了必要的保護，本文設計的門禁系統能夠實現：用戶在門外或門內將門鎖開啟，產生的開門信號傳遞給PLC的輸入端口，系統根據程序設定執行開門動作；當門運行到極限位置時會觸發行程開關停止運行，延時10S后，執行關門動作；當門運行到關門極限時，PLC輸出信號給電磁鎖立即上鎖。同時，用戶的手機也能遠程控制自動門完成上鎖功能。整個自動門系統的總體框架如圖1所示。

圖1　自動門系統模塊總體框圖

2.2 家居環境監測控制功能模塊

通過在室內合理布置溫度、濕度、煤氣檢測、煙霧檢測傳感器，實時采集室內環境信息，傳遞給PLC，PLC能夠對整體環境進行分析判斷，能夠完成自動調節。同時，PLC也能夠通過短信的形式發送給用戶室內的環境信息，用戶也能夠通過手機完成遠程控制。該系統采用的傳感器的型號分別為：溫濕度傳感器SHT11，煙霧傳感器MQ-2，煤氣傳感器MQ-5。智能家居控制系統環境監測模塊的部分框圖如圖2所示。

圖2　環境監測模塊的部分框圖

2.3 遠程監測功能模塊

遠程家居監測模塊是通過手機短信借助GSM網絡實現GSM短信模塊同PLC之間進行信息互動，將家居設備、家居環境等信息發送到用戶的手機上，實現遠程監測，同時用戶通過手機可以遠程控制家居設備。遠程監測模塊的工作原理為，用戶需要遠程控制家居設備時，只需要用手機向GSM模塊中的SIM卡號發送短消息，GSM能夠通過串口同 PLC之間實現數據通訊，GSM接到短消息后，PLC利用查詢程序讀取GSM短消息模塊中的新信息，然后控制各個子功能模塊，實現對家居設備的監測和控制。遠程監測功能模塊的系統框圖如圖3所示。

圖3　遠程監測功能模塊的系統框圖

3 智能家居控制系統設計與實現

本文設計的智能家居控制系統采用可編程控制器PLC，繼電器，GSM短信模塊，溫濕度傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等組成。PLC選用了SIEMENS公司的S7-200系列PLC，即S7-224。該PLC是SIEMENS公司推出的小型PLC，具有功能齊全的編程和工控組態軟件，適合小型的控制系統，適用于本文智能家居控制系統的開發。S7-224 PLC具有24個輸入輸出接口，2個模擬電位器，1個RS485通訊接口，2路高速脈沖輸出，6路高速計數器。

3.1 自動門系統的設計實現

自動門系統模塊中不同的功能模塊采用的額定電壓不同，主控器電壓24V，短信模塊電壓12V，電流保護模塊電壓5V。首先需要單相交流電通過降壓、整流、濾波和穩壓處理，得到滿足不同要求的電壓。自動門采用電機控制，本文選用的電機為70KTYG齒輪減速永磁同步交流電機，PLC不能直接控制電機運行，需要添加繼電器，才能彌補電機輸出功率不足，同時能夠防止干擾，提高系統的穩定性。自動門系統的控制電路如圖4所示。

圖4　自動門系統的控制電路

自動門系統的安全性和穩定性對智能家居系統具有重要的影響，為了防止自動門電機出現過載運行和電機堵轉，本文設計了系統過流保護。自動門過流保護采用霍爾電流傳感器進行電流檢測，選用的傳感器的型號為WCS2702，該傳感器響應速度快、動態性能好、穩定性高。電流檢測的原理電流圖如圖5所示。

圖5　過流保護電流檢測原理圖

S7-224 PLC程序編寫采用的SIEMENS專用組態軟件STEP 7，STEP 7是專門用于SIEMENS PLC開發的組態和編程的軟件包，根據項目開發的不同需要，可以選取不同的STEP 7的版本。STEP 7標準軟件包主要組成如圖6所示。根據自動門控制的要求，本文設計的PLC控制程序如圖7所示。

圖6　STEP 7標準軟件包主要組成

3.2 家居環境監測模塊

傳感器家居環境監測不可獲取的部分，本文采用了溫度、濕度、煙霧檢測和煤氣檢測等多種傳感器。傳感器采集家居環境信息，PLC通過采集傳感器的信息實時監測家居環境。采集的數據經過A/D轉換，將模擬量轉變為數字量傳遞給PLC，PLC對整體的環境狀況進行判斷，通過短信模塊家居環境以信息的方式傳遞給用戶手機，用戶可以實時掌握家居環境。

圖7　自動門PLC控制程序

本文以煙霧傳感器MQ-2為例，介紹傳感器同PLC控制模塊的連接。用戶根據需要設定煙霧傳感器的檢測值，如果監測到煙霧濃度的數值高于設定值時，傳感器發送高電平給PLC相應的端口。該端口執行PLC程序，發送警報信息給用戶，達到實時報警的功能。用戶如果想到得到家居環境的信息，可以發送信息給GSM模塊，PLC會將采集的家居信息傳遞給用戶手機。煙霧傳感器同PLC之間的連接電路圖如圖8所示。

圖8　PLC同煙霧傳感器連接電路圖

本文以煙霧報警和煤氣報警設計的PLC程序如圖9所示。

圖9　報警程序

圖10　GTM900C同SIM連接的接口電路

3.3 遠程監測模塊設計

本文采用基于蜂窩系統的GSM通信，GSM是一種應用廣泛、技術成熟的系統。本文采用的GSM模塊為華為GTM900C，工作頻段為EGSM900/GSM1800。GTM900C采用的通訊協議為RS-232C，該通訊協議不能直接同S7-224 PLC的RS485進行直接通信。S7-224PLC默認的采用PPI通訊模塊，為了解決通訊問題，本文采用了VOTEK公司生產的袖珍接口轉換器UT-218，該轉換器能夠將RS-232信號轉換成RS-485，并且不需要外接電源。SIM通過ZIF引腳同GTM900C連接，通過測試CCIN引腳是否是高電平來監測SIM卡是否連接好。GTM900C同SIM連接的接口電路如圖10所示。

PLC短消息控制流程為，當GSM短信模塊接收到用戶發送的短消息后，PLC利用查詢方式接收到輸入信號，然后向GSM模塊輸入控制指令，GSM模塊會將短信數據發送給PLC。發送信息時，PLC會先將數據發送給GSM模塊，然后通過GSM模塊再將短信發送給用戶手機。

GSM模塊采用的GSM07協議，該協議規定了短信息通過無線控制信道進行傳輸，經過短信服務中心實現存儲和轉發。每個短消息的最大字節數為240字節。GSM通過AT指令完成短消息業務，其指令主要分為通用配置指令、消息配置指令、消息接收和讀出指令、消息發送和寫入指令。短消息的編碼模式分為塊模式、文本模式和PUD模式，現在漢字傳輸多采用PUD Mode。本文選用了PUD模式編寫短消息。

本文以“煙霧報警！”介紹短消息編寫與發送。“煙霧報警！”的PUD編碼為“70DF 96FE 8B66 62A5 FF01”。PLC將ASCII碼存儲到相應的寄存器中，當某個傳感器向PLC發送信號，PLC可以快速將提前存儲的短消息發送到用戶的手機上，PLC通訊程序如圖11所示。

4 總結

本文在分析智能家居發展現狀的基礎上，提出了基于可編程控制器PLC的智能家居控制系統。該系統采用了S7-224 PLC、GTM900C GSM模塊、各種傳感器，主要包括三大功能模塊：自動門系統模塊、家居環境監測模塊、遠程監測模塊等，實現了家居環境的智能控制和監測，為提高家居環境的安全性、舒適性提供了一定的技術支持。

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圖11　短消息存儲與發送程序

Intelligent Home Control System Based on PLC

Xu Aiming
（Guangdong Province Technician College Institute，Huizhou，516100）

Abstract：With society's development and progress,the pursuit of people for life quality enhances continually.Everyone hope to live in the environment,which is convenient,efficient,safe and comfortable. The purpose of this article is to design smart home control system based on PLC,which is the aggregation of home automation, home security and home environment monitoring.The system can provide users with good life experience, and improve household environment safety,convenience and comfort.

Keywords：Intelligent home control system;PLC;Sensors;Safety