基于PLC的智能家居的基礎模塊分析設計

廖湘渝

同濟大學浙江學院，浙江 嘉興 314000

0 引言

隨著社會經濟的發展，居民對家居用品的舒適度、方便度、實用性、性價比、安全度等方面都有了更高的要求。隨著阿爾法狗等智能機器人的誕生，智能家居逐漸進入人們的生活。使用智能家居設計和建造一個理想的家庭生活環境，成為越來越多人的選擇。

文章主要對完成一個比較完善的智能家具系統所需要的技術支持、基本模塊及所需模塊進行分析，首先要運用到的技術有PLC可編程技術、GSM短信息和SMS信息交互技術、傳感器技術、無線控制技術；其次基本的智能家具的模塊有自動門開關模塊、溫濕度控制模塊、煤氣及煙霧濃度實時監測及短信報警模塊、PLC編程模塊。整個系統就是運用這些技術將這些模塊連為一體，為居民提供好的環境和服務[1]。

1 PLC技術概述

PLC又叫可編程控制器，其內部結構可等效為一個繼電器系統，故PLC主要是用來代替繼電器實現邏輯控制。目前世界上的PLC有美國、歐洲、日本三個流派，主要品牌有GE、松下、西門子、三菱、歐姆龍等。雖然現在PLC的種類繁多，但是它的主要組成部分有微處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出接口、電源、編程器等，各部分之間均采用總線連接。PLC的工作方式可分為三個階段：輸入采樣階段、程序執行階段、輸出刷新階段。隨著電子技術和集成電路的廣泛應用，PLC功能日益完善，性能不斷提高，PLC正在朝著智能化、網絡化的方向發展。其特點也有很多，如可信度高、方便編程、自檢性強、工作環境要求不是很高、與其他裝置連接方便，適用范圍廣[2]。

2 PLC智能家居系統中涉及的技術

2.1 GSM短信息及SMS無線數據傳送技術

隨著移動通信網絡的快速普及和移動通信技術的發展，GSM短信息和SMS數據傳送技術也有了一定程度的進步，它們多用于無線報警、遠距離檢測、數據收集等多個領域。GSM短信息通過無線專用控制信道DCCH進行傳輸，經過短信息業務中心完成存儲和前轉，覆蓋地域廣，有通信距離長、網絡可靠性高、抗干擾能力強、穩定性好、快捷等優點；SMS數據傳送技術，是利用現有的GSM網絡資源，發揮它傳輸特性好的優勢，為事情發生現場的數據采集提供一種便利的無線傳送方式，它的傳輸通道相當于是透明的，并且SMS數據傳輸系統內放有自動網絡連接和對應的協議處理模塊，不需要PC端在后臺運行支持，同時它可以做到一對一、一對多的對等的數據傳輸，傳輸延時較小，幾乎不會對客戶的使用體驗帶來不便[3]。

2.2 傳感器技術

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成電信號或者是其他所需形式的信息輸出來滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的工作一般由敏感元件、轉換元件、測量電路和輔助電源四個部分組成，其工作步驟大致可概括為數據采集、放大整合、傳輸存儲、數據分析。傳感器種類繁多，可分為電阻式傳感器、壓阻式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器、超聲波傳感器、熱敏傳感器等。傳感器的優點也十分顯著，因為它的高阻抗、小功率，所以它僅需很低的輸入能量，它可以從肉眼看不到的微小變化測量得到需要的數據，有較高的系統穩定性，工作頻率快，動態響應快，機構簡單，適應性強，可在高低溫、強輻射等惡劣環境下工作，應用范圍廣。

2.3 無線控制技術

無線控制技術是發射機把控制的電信號先編碼，然后轉換成無線電波發送出去，隨后接收機收到載有信息的無線電波，通過接收、放大、解碼得到原先的控制電信號，再把這個電信號進行功率放大，用來驅動對應的電氣元件，實現無線控制。在確保信號安全、通暢、可靠的條件下，可以通過無線控制技術將家中用于監視、控制、報警、保護等傳感器與實時控制系統、居民的手機電腦管理信息系統相集成，與現場無線設備互聯。其優勢在于方便靈活，在有效距離內都可以使用。

3 智能家居PLC控制系統的基礎模塊分析設計

智能家居PLC的控制模塊主要可以分為自動控制模塊、信息采集模塊和遠程監測模塊。智能家居自動控制模塊可以通過對自動開關門的控制，用PLC作為主控器使繼電器所對應開關的閉合斷開，控制三相異步交流電動機的正轉、反轉和停止，來達到門的開合；控制模塊中的信息采集部分可以采用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等其他種類傳感器實現；智能家具PLC控制系統遠程監測模塊大部分是以手機短信的形式實現用戶與PLC主控器之間的信息傳送反饋。

3.1 人臉識別自動開關門模塊分析設計

人臉識別是通過收集人的臉部特征信息進行身份識別的技術，可采用固態圖像傳感器收集開門人的臉部數據圖像，上傳到數據中心，使用對應的特征和算法，與家庭成員的照片進行對比判別。當家用自動門關閉時，通過人臉識別判定成功或者輸入密碼正確和使用鑰匙將門鎖開啟時，或者用戶在家中將門鎖開啟時，會產生一個開門信號，PLC接收到開門信號后，根據程序執行開門動作，使控制自動門的交流電動機閉合主觸點，開始工作。考慮到自動門的質量負載較大，對電動機的啟動有一定困難，這里可采用電動機Y-△降壓起動。當自動門運行到開門極限位置，觸碰門框邊緣的行程開關時，KM繼電器所在的控制電路被切斷，電動機停止運轉。如果是在關門的過程中，電流測量保護系統檢測到主路上的電流是交流電動機額定電流的數倍，電路電流過大會產生較多熱量，這時保護系統會給PLC輸入端口發送一個高電平信號，這時PLC會讓交流電動機執行開門動作，避免電動機過載損壞和一些不必要的電器燒壞。同理，當自動門運行到關門的極限位置時，觸碰行程開關，PLC控制交流電動機停轉，與此同時電磁鎖感應到門關上的信號，立即將房門上鎖。

3.2 溫度濕度控制模塊分析設計

該模塊是采用溫度傳感器和濕度傳感器檢測到空氣中的溫度和濕度，通過溫濕度傳感器收集到的空氣中溫濕度數據，傳送給PLC控制系統，提供給用戶作出指令判斷的依據，從而控制空調、加濕器等家用電器的開關。溫度傳感器是通過金屬在環境溫度變化后發生相應的延伸膨脹的原理，在金屬表面貼上合適的應變片，來收集金屬膨脹后的變化量。設計中，要盡可能減小應變片的橫向效應等因素引起的數據誤差，并采取一定的補償措施。而濕度傳感器的數據收集主要靠電阻式或電容式濕敏元件來實現，在空氣中的水蒸氣被吸附在感濕膜表面時，元件的電阻率和電阻值會發生相應的變化，經過計算，測得環境中的濕度。也可以采用濕敏電容，電容式傳感器一般是用高分子薄膜電容制成的，當環境中濕度發生改變時，濕敏電容中兩極板間介質的相對介電常數會發生對應的變化，電容變化量與相對濕度成正比。測量電路可以使用單相橋式整流電路，將交流電轉換成直流電，其結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好、精確度高、容易實現電路補償，既有全波整流電路的優點，又避免了結構復雜、輸出脈動大等缺點。在獲取到家居環境溫濕度數據之后，傳輸給PLC控制器進行分析判斷，最后通過短信模塊將用戶家中環境的數據發送到用戶的手機。

3.3 煤氣及煙霧濃度監測和報警模塊分析設計

該模塊通過煤氣傳感器和煙霧傳感器收集數據，檢測廚房煤氣是否泄漏，以及房間內有無電器著火產生的煙霧。煤氣中的氣體濃度和煙霧中的粒子都會影響傳感器中的電信號，將這些電信號發送給PLC控制系統進行計算分析，與正常數據對比，判斷房屋內是否安全。當空氣中的某種可燃氣濃度超過安全閾值時，測量電橋會失去平衡，PLC控制器會輸出電信號自動激活警報系統，同時將判斷結果的報警短信發送到用戶的手機[4]。

3.4 PLC編程模塊分析設計

該模塊設計采用當前應用最廣泛的PLC編程語言梯形圖，它可以直觀簡潔地控制多個裝置，其包括CPU、存儲器、輸入輸出接口、編程器。PLC自動門模塊，是PLC給出高低電平，控制電機的正反轉和停止；接收短信息模塊，是GSM短信息模塊接收到用戶手機的控制指令后，PLC通過串口中斷指令查詢新的信息，再通過AT指令讀取信息的內容并進行解析，進而轉化為PLC對應的控制動作，來控制各個功能模塊，實現智能化家具。反之，由各個傳感器收集到的數據對比、解析、整合，通過PLC串口中斷指令、AT指令及GSM短信息來完成信息發送模塊，實現智能家居。

4 結束語

文章基于PLC的智能家居的基礎模塊，簡單分析智能家居中基本家具的PLC控制，但是在實際應用中可能會存在很多問題，需要不斷更新程序，或者設計基礎更好地程序。相對于單片機，抗干擾性差、故障率高、依賴環境；PLC抗干擾性強、故障率低、便于維護，在智能家居使用時，用戶體驗更好，但是相對于單片機成本要高，這也是今后PLC要改進的地方。