基于PLC的智能家居控制系统

徐爱明

（广东省技师学院，广东惠州，516100）



基于PLC的智能家居控制系统

徐爱明

（广东省技师学院，广东惠州，516100）

摘要：随着社会的发展和进步，人们对于生活品质的追求不断提高，舒适、方便、高效、安全的生活环境是每个人都向往的生活环境。本文旨在设计基于PLC的智能家居控制系统，集家居自动化、家居安全防护和家居环境监测于一身，为用户提供良好的生活体验，提高家居环境的安全性、方便性和舒适性。

关键词：智能家居;PLC;传感器;安全

0 引言

随着我国国民经济水平和科学技术的不断提高，特别是计算机技术和网络通讯技术的发展，智能家居越来越受到人们的重视。智能家居是充分利用综合布线、网络通信和安全防护技术，同家居生活联系在一起，将有关电子系统有机整合成一个系统，该系统能够很好地提升家居的便利性、舒适性和安全性。生活节奏的加快，人们大部分的时间是在公司内度过的，家居长期处于无人的状态，家居内的安全保证受到了一定的威胁。本文主要探究建立基于PLC的智能家居控制系统，实现家居情况的实时监测，安全防护和远程报警。该系统通过自动门设计、室内环境监测、煤气泄漏报警、家居起火监测、短信告知报警等功能设计，实现实时保护家居环境安全的目的。

1 国内外智能家居发展现状1.1 国外发展现状

国内外智能家居的发展不平衡。发达国家的智能家居水平发展程度较高，例如美国的X-10，欧洲的EIB。其中，日本的智能家居发展水平很高，目前已经实现了室内电气自动化联网，具有生物识别技术的自动门系统，智能化的家居温度、湿度监测和控制系统。此外国外还有以家居安防为主的智能家居项目，整个系统涉及了灯光控制、电动窗帘控制、空调和地暖控制、室内环境监测、安全防护等。

1.2 国内发展现状

国内的智能家居发展始于2003年，由于我国经济发展水平和技术的限制，智能家居的发展水平较低。我国的住宅是开发商的主导商品，很难根据消费者的意愿来购买和安装智能家居产品。近年来，我国经济的快速发展，电子技术和通讯技术的提高，智能家居逐渐成为发展的热点。目前，北京中旬威易公司采用Zigbee技术和CAN总线技术实现了楼宇对讲，杭州鸿雁电器提出了采用无线通讯技术和现场总线技术的面板触摸系统。很多家庭为了提高家居的安全性和舒适性，安装了生物门锁，采购了自动扫地机器人、具有物联网功能的家用电器，智能家居将将成为我国居民消费的新热点。

2 智能家居系统的功能模块分析

2.1 自动门控制功能模块

门禁系统为家居环境提供了必要的保护，本文设计的门禁系统能够实现：用户在门外或门内将门锁开启，产生的开门信号传递给PLC的输入端口，系统根据程序设定执行开门动作；当门运行到极限位置时会触发行程开关停止运行，延时10S后，执行关门动作；当门运行到关门极限时，PLC输出信号给电磁锁立即上锁。同时，用户的手机也能远程控制自动门完成上锁功能。整个自动门系统的总体框架如图1所示。

图1　自动门系统模块总体框图

2.2 家居环境监测控制功能模块

通过在室内合理布置温度、湿度、煤气检测、烟雾检测传感器，实时采集室内环境信息，传递给PLC，PLC能够对整体环境进行分析判断，能够完成自动调节。同时，PLC也能够通过短信的形式发送给用户室内的环境信息，用户也能够通过手机完成远程控制。该系统采用的传感器的型号分别为：温湿度传感器SHT11，烟雾传感器MQ-2，煤气传感器MQ-5。智能家居控制系统环境监测模块的部分框图如图2所示。

图2　环境监测模块的部分框图

2.3 远程监测功能模块

远程家居监测模块是通过手机短信借助GSM网络实现GSM短信模块同PLC之间进行信息互动，将家居设备、家居环境等信息发送到用户的手机上，实现远程监测，同时用户通过手机可以远程控制家居设备。远程监测模块的工作原理为，用户需要远程控制家居设备时，只需要用手机向GSM模块中的SIM卡号发送短消息，GSM能够通过串口同 PLC之间实现数据通讯，GSM接到短消息后，PLC利用查询程序读取GSM短消息模块中的新信息，然后控制各个子功能模块，实现对家居设备的监测和控制。远程监测功能模块的系统框图如图3所示。

图3　远程监测功能模块的系统框图

3 智能家居控制系统设计与实现

本文设计的智能家居控制系统采用可编程控制器PLC，继电器，GSM短信模块，温湿度传感器、烟雾传感器、煤气传感器等组成。PLC选用了SIEMENS公司的S7-200系列PLC，即S7-224。该PLC是SIEMENS公司推出的小型PLC，具有功能齐全的编程和工控组态软件，适合小型的控制系统，适用于本文智能家居控制系统的开发。S7-224 PLC具有24个输入输出接口，2个模拟电位器，1个RS485通讯接口，2路高速脉冲输出，6路高速计数器。

3.1 自动门系统的设计实现

自动门系统模块中不同的功能模块采用的额定电压不同，主控器电压24V，短信模块电压12V，电流保护模块电压5V。首先需要单相交流电通过降压、整流、滤波和稳压处理，得到满足不同要求的电压。自动门采用电机控制，本文选用的电机为70KTYG齿轮减速永磁同步交流电机，PLC不能直接控制电机运行，需要添加继电器，才能弥补电机输出功率不足，同时能够防止干扰，提高系统的稳定性。自动门系统的控制电路如图4所示。

图4　自动门系统的控制电路

自动门系统的安全性和稳定性对智能家居系统具有重要的影响，为了防止自动门电机出现过载运行和电机堵转，本文设计了系统过流保护。自动门过流保护采用霍尔电流传感器进行电流检测，选用的传感器的型号为WCS2702，该传感器响应速度快、动态性能好、稳定性高。电流检测的原理电流图如图5所示。

图5　过流保护电流检测原理图

S7-224 PLC程序编写采用的SIEMENS专用组态软件STEP 7，STEP 7是专门用于SIEMENS PLC开发的组态和编程的软件包，根据项目开发的不同需要，可以选取不同的STEP 7的版本。STEP 7标准软件包主要组成如图6所示。根据自动门控制的要求，本文设计的PLC控制程序如图7所示。

图6　STEP 7标准软件包主要组成

3.2 家居环境监测模块

传感器家居环境监测不可获取的部分，本文采用了温度、湿度、烟雾检测和煤气检测等多种传感器。传感器采集家居环境信息，PLC通过采集传感器的信息实时监测家居环境。采集的数据经过A/D转换，将模拟量转变为数字量传递给PLC，PLC对整体的环境状况进行判断，通过短信模块家居环境以信息的方式传递给用户手机，用户可以实时掌握家居环境。

图7　自动门PLC控制程序

本文以烟雾传感器MQ-2为例，介绍传感器同PLC控制模块的连接。用户根据需要设定烟雾传感器的检测值，如果监测到烟雾浓度的数值高于设定值时，传感器发送高电平给PLC相应的端口。该端口执行PLC程序，发送警报信息给用户，达到实时报警的功能。用户如果想到得到家居环境的信息，可以发送信息给GSM模块，PLC会将采集的家居信息传递给用户手机。烟雾传感器同PLC之间的连接电路图如图8所示。

图8　PLC同烟雾传感器连接电路图

本文以烟雾报警和煤气报警设计的PLC程序如图9所示。

图9　报警程序

图10　GTM900C同SIM连接的接口电路

3.3 远程监测模块设计

本文采用基于蜂窝系统的GSM通信，GSM是一种应用广泛、技术成熟的系统。本文采用的GSM模块为华为GTM900C，工作频段为EGSM900/GSM1800。GTM900C采用的通讯协议为RS-232C，该通讯协议不能直接同S7-224 PLC的RS485进行直接通信。S7-224PLC默认的采用PPI通讯模块，为了解决通讯问题，本文采用了VOTEK公司生产的袖珍接口转换器UT-218，该转换器能够将RS-232信号转换成RS-485，并且不需要外接电源。SIM通过ZIF引脚同GTM900C连接，通过测试CCIN引脚是否是高电平来监测SIM卡是否连接好。GTM900C同SIM连接的接口电路如图10所示。

PLC短消息控制流程为，当GSM短信模块接收到用户发送的短消息后，PLC利用查询方式接收到输入信号，然后向GSM模块输入控制指令，GSM模块会将短信数据发送给PLC。发送信息时，PLC会先将数据发送给GSM模块，然后通过GSM模块再将短信发送给用户手机。

GSM模块采用的GSM07协议，该协议规定了短信息通过无线控制信道进行传输，经过短信服务中心实现存储和转发。每个短消息的最大字节数为240字节。GSM通过AT指令完成短消息业务，其指令主要分为通用配置指令、消息配置指令、消息接收和读出指令、消息发送和写入指令。短消息的编码模式分为块模式、文本模式和PUD模式，现在汉字传输多采用PUD Mode。本文选用了PUD模式编写短消息。

本文以“烟雾报警！”介绍短消息编写与发送。“烟雾报警！”的PUD编码为“70DF 96FE 8B66 62A5 FF01”。PLC将ASCII码存储到相应的寄存器中，当某个传感器向PLC发送信号，PLC可以快速将提前存储的短消息发送到用户的手机上，PLC通讯程序如图11所示。

4 总结

本文在分析智能家居发展现状的基础上，提出了基于可编程控制器PLC的智能家居控制系统。该系统采用了S7-224 PLC、GTM900C GSM模块、各种传感器，主要包括三大功能模块：自动门系统模块、家居环境监测模块、远程监测模块等，实现了家居环境的智能控制和监测，为提高家居环境的安全性、舒适性提供了一定的技术支持。

参考文献

[1]刘晶.智能家居中PLC控制系统的实现[D].哈尔滨理工大学,2014.

[2]罗昔柳,边洪瑞,秦迎梅. 基于三菱PLC的智能家居服务系统设计[J]. 控制工程,2009,S4:44-48.

[3]周旭坤,杨冠鲁. 基于ZigBee和PLC技术的智能家居系统的研究[J].微型机与应用,2013,09:38-41.

[4]唐义权.基于PLC的智能家居网络研究[D].宁波大学,2012.

[5]单朝兰.智能家居控制系统及相关产品的研究与开发[D].浙江大学,2006.

图11　短消息存储与发送程序

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