基于PLC的智能家居的基礎(chǔ)模塊分析設(shè)計(jì)

廖湘渝

同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314000

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民對(duì)家居用品的舒適度、方便度、實(shí)用性、性價(jià)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(jī)器人的誕生，智能家居逐漸進(jìn)入人們的生活。使用智能家居設(shè)計(jì)和建造一個(gè)理想的家庭生活環(huán)境，成為越來(lái)越多人的選擇。

文章主要對(duì)完成一個(gè)比較完善的智能家具系統(tǒng)所需要的技術(shù)支持、基本模塊及所需模塊進(jìn)行分析，首先要運(yùn)用到的技術(shù)有PLC可編程技術(shù)、GSM短信息和SMS信息交互技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線控制技術(shù)；其次基本的智能家具的模塊有自動(dòng)門開(kāi)關(guān)模塊、溫濕度控制模塊、煤氣及煙霧濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及短信報(bào)警模塊、PLC編程模塊。整個(gè)系統(tǒng)就是運(yùn)用這些技術(shù)將這些模塊連為一體，為居民提供好的環(huán)境和服務(wù)[1]。

1 PLC技術(shù)概述

PLC又叫可編程控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效為一個(gè)繼電器系統(tǒng)，故PLC主要是用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。目前世界上的PLC有美國(guó)、歐洲、日本三個(gè)流派，主要品牌有GE、松下、西門子、三菱、歐姆龍等。雖然現(xiàn)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(chǔ)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(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。隨著電子技術(shù)和集成電路的廣泛應(yīng)用，PLC功能日益完善，性能不斷提高，PLC正在朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。其特點(diǎn)也有很多，如可信度高、方便編程、自檢性強(qiáng)、工作環(huán)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(tǒng)中涉及的技術(shù)

2.1 GSM短信息及SMS無(wú)線數(shù)據(jù)傳送技術(shù)

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速普及和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，GSM短信息和SMS數(shù)據(jù)傳送技術(shù)也有了一定程度的進(jìn)步，它們多用于無(wú)線報(bào)警、遠(yuǎn)距離檢測(cè)、數(shù)據(jù)收集等多個(gè)領(lǐng)域。GSM短信息通過(guò)無(wú)線專用控制信道DCCH進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)短信息業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)，覆蓋地域廣，有通信距離長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、快捷等優(yōu)點(diǎn)；SMS數(shù)據(jù)傳送技術(shù)，是利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮它傳輸特性好的優(yōu)勢(shì)，為事情發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集提供一種便利的無(wú)線傳送方式，它的傳輸通道相當(dāng)于是透明的，并且SMS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)內(nèi)放有自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接和對(duì)應(yīng)的協(xié)議處理模塊，不需要PC端在后臺(tái)運(yùn)行支持，同時(shí)它可以做到一對(duì)一、一對(duì)多的對(duì)等的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸延時(shí)較小，幾乎不會(huì)對(duì)客戶的使用體驗(yàn)帶來(lái)不便[3]。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成電信號(hào)或者是其他所需形式的信息輸出來(lái)滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的工作一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路和輔助電源四個(gè)部分組成，其工作步驟大致可概括為數(shù)據(jù)采集、放大整合、傳輸存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)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(yōu)點(diǎn)也十分顯著，因?yàn)樗母咦杩埂⑿」β剩运鼉H需很低的輸入能量，它可以從肉眼看不到的微小變化測(cè)量得到需要的數(shù)據(jù)，有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，工作頻率快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，可在高低溫、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下工作，應(yīng)用范圍廣。

2.3 無(wú)線控制技術(shù)

無(wú)線控制技術(shù)是發(fā)射機(jī)把控制的電信號(hào)先編碼，然后轉(zhuǎn)換成無(wú)線電波發(fā)送出去，隨后接收機(jī)收到載有信息的無(wú)線電波，通過(guò)接收、放大、解碼得到原先的控制電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)進(jìn)行功率放大，用來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電氣元件，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制。在確保信號(hào)安全、通暢、可靠的條件下，可以通過(guò)無(wú)線控制技術(shù)將家中用于監(jiān)視、控制、報(bào)警、保護(hù)等傳感器與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、居民的手機(jī)電腦管理信息系統(tǒng)相集成，與現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備互聯(lián)。其優(yōu)勢(shì)在于方便靈活，在有效距離內(nèi)都可以使用。

3 智能家居PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊分析設(shè)計(jì)

智能家居PLC的控制模塊主要可以分為自動(dòng)控制模塊、信息采集模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊。智能家居自動(dòng)控制模塊可以通過(guò)對(duì)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門的控制，用PLC作為主控器使繼電器所對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的閉合斷開(kāi)，控制三相異步交流電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，來(lái)達(dá)到門的開(kāi)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(shí)現(xiàn)；智能家具PLC控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊大部分是以手機(jī)短信的形式實(shí)現(xiàn)用戶與PLC主控器之間的信息傳送反饋。

3.1 人臉識(shí)別自動(dòng)開(kāi)關(guān)門模塊分析設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別是通過(guò)收集人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的技術(shù)，可采用固態(tài)圖像傳感器收集開(kāi)門人的臉部數(shù)據(jù)圖像，上傳到數(shù)據(jù)中心，使用對(duì)應(yīng)的特征和算法，與家庭成員的照片進(jìn)行對(duì)比判別。當(dāng)家用自動(dòng)門關(guān)閉時(shí)，通過(guò)人臉識(shí)別判定成功或者輸入密碼正確和使用鑰匙將門鎖開(kāi)啟時(shí)，或者用戶在家中將門鎖開(kāi)啟時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)門信號(hào)，PLC接收到開(kāi)門信號(hào)后，根據(jù)程序執(zhí)行開(kāi)門動(dòng)作，使控制自動(dòng)門的交流電動(dòng)機(jī)閉合主觸點(diǎn)，開(kāi)始工作。考慮到自動(dòng)門的質(zhì)量負(fù)載較大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有一定困難，這里可采用電動(dòng)機(jī)Y-△降壓起動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)門運(yùn)行到開(kāi)門極限位置，觸碰門框邊緣的行程開(kāi)關(guān)時(shí)，KM繼電器所在的控制電路被切斷，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如果是在關(guān)門的過(guò)程中，電流測(cè)量保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到主路上的電流是交流電動(dòng)機(jī)額定電流的數(shù)倍，電路電流過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較多熱量，這時(shí)保護(hù)系統(tǒng)會(huì)給PLC輸入端口發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)，這時(shí)PLC會(huì)讓交流電動(dòng)機(jī)執(zhí)行開(kāi)門動(dòng)作，避免電動(dòng)機(jī)過(guò)載損壞和一些不必要的電器燒壞。同理，當(dāng)自動(dòng)門運(yùn)行到關(guān)門的極限位置時(shí)，觸碰行程開(kāi)關(guān)，PLC控制交流電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，與此同時(shí)電磁鎖感應(yīng)到門關(guān)上的信號(hào)，立即將房門上鎖。

3.2 溫度濕度控制模塊分析設(shè)計(jì)

該模塊是采用溫度傳感器和濕度傳感器檢測(cè)到空氣中的溫度和濕度，通過(guò)溫濕度傳感器收集到的空氣中溫濕度數(shù)據(jù)，傳送給PLC控制系統(tǒng)，提供給用戶作出指令判斷的依據(jù)，從而控制空調(diào)、加濕器等家用電器的開(kāi)關(guān)。溫度傳感器是通過(guò)金屬在環(huán)境溫度變化后發(fā)生相應(yīng)的延伸膨脹的原理，在金屬表面貼上合適的應(yīng)變片，來(lái)收集金屬膨脹后的變化量。設(shè)計(jì)中，要盡可能減小應(yīng)變片的橫向效應(yīng)等因素引起的數(shù)據(jù)誤差，并采取一定的補(bǔ)償措施。而濕度傳感器的數(shù)據(jù)收集主要靠電阻式或電容式濕敏元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在空氣中的水蒸氣被吸附在感濕膜表面時(shí)，元件的電阻率和電阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)過(guò)計(jì)算，測(cè)得環(huán)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(dāng)環(huán)境中濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容中兩極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，電容變化量與相對(duì)濕度成正比。測(cè)量電路可以使用單相橋式整流電路，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好、精確度高、容易實(shí)現(xiàn)電路補(bǔ)償，既有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，又避免了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出脈動(dòng)大等缺點(diǎn)。在獲取到家居環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)之后，傳輸給PLC控制器進(jìn)行分析判斷，最后通過(guò)短信模塊將用戶家中環(huán)境的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶的手機(jī)。

3.3 煤氣及煙霧濃度監(jiān)測(cè)和報(bào)警模塊分析設(shè)計(jì)

該模塊通過(guò)煤氣傳感器和煙霧傳感器收集數(shù)據(jù)，檢測(cè)廚房煤氣是否泄漏，以及房間內(nèi)有無(wú)電器著火產(chǎn)生的煙霧。煤氣中的氣體濃度和煙霧中的粒子都會(huì)影響傳感器中的電信號(hào)，將這些電信號(hào)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，與正常數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷房屋內(nèi)是否安全。當(dāng)空氣中的某種可燃?xì)鉂舛瘸^(guò)安全閾值時(shí)，測(cè)量電橋會(huì)失去平衡，PLC控制器會(huì)輸出電信號(hào)自動(dòng)激活警報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)將判斷結(jié)果的報(bào)警短信發(fā)送到用戶的手機(jī)[4]。

3.4 PLC編程模塊分析設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)采用當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的PLC編程語(yǔ)言梯形圖，它可以直觀簡(jiǎn)潔地控制多個(gè)裝置，其包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、編程器。PLC自動(dòng)門模塊，是PLC給出高低電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止；接收短信息模塊，是GSM短信息模塊接收到用戶手機(jī)的控制指令后，PLC通過(guò)串口中斷指令查詢新的信息，再通過(guò)AT指令讀取信息的內(nèi)容并進(jìn)行解析，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為PLC對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作，來(lái)控制各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)智能化家具。反之，由各個(gè)傳感器收集到的數(shù)據(jù)對(duì)比、解析、整合，通過(guò)PLC串口中斷指令、AT指令及GSM短信息來(lái)完成信息發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)智能家居。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章基于PLC的智能家居的基礎(chǔ)模塊，簡(jiǎn)單分析智能家居中基本家具的PLC控制，但是在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)存在很多問(wèn)題，需要不斷更新程序，或者設(shè)計(jì)基礎(chǔ)更好地程序。相對(duì)于單片機(jī)，抗干擾性差、故障率高、依賴環(huán)境；PLC抗干擾性強(qiáng)、故障率低、便于維護(hù)，在智能家居使用時(shí)，用戶體驗(yàn)更好，但是相對(duì)于單片機(jī)成本要高，這也是今后PLC要改進(jìn)的地方。