基于PLC 的智能家居控制系統

謝偉航

（羅定市中等職業技術學校，廣東羅定，527200）

0 引言

計算機網絡技術的發展為實現智能家居奠定了技術基礎，智能家居最初在美國出現，經過若干年發展，逐步將住宅作為平臺，以建筑設備、智能家電等設備為控制對象，憑借網絡通信技術和自動控制技術滿足現代化居住需求。在目前的階段，PLC 技術應用在智能家居系統優化了設計思路，并產生巨大的影響，有利于人們準確把握作息時間規律，便利了生活與工作。

1 PLC 簡介

PLC 核心是微處理器，是對工業生產開發與設計的專業電子設備。PLC 實際是在工業控制中應用的計算機，利用可編程的存儲器邏輯運算、定時控制工業系統，將命令傳遞給技術人員，在工業控制中可編程邏輯控制器是主要部分。

基于結構分析PLC，可劃分為兩種：整體式與結構式。其中，整體式的PLC，在相同機箱內分裝全部系統組件，架構見圖1。

圖1 整體式PLC 結構

結構式的PLC，在一個模塊中獨立封裝系統的全部組件，憑借數據服務總線連接各模塊通信工作。結構見圖2。

在系統結構上雖然整體式和結構式的PLC 存在差異，但對各個組件卻發揮了統一作用。

第一，中央處理單元（CPU）。類似于一般的計算機，是PLC 的主要內容。PLC 不同機型利用的CPU 也不一樣。其中，在工業小型CPU 中一般使用8 位通用與單片微處理器，通常僅包含一種。在工業控制中型PLC 主要是16 位通用與單片的微處理器，中型PLC 具體利用雙CPU 結構達到實際需求；大型PLC 則是位片式微處理器，利用位操作改變PLC 編程語言形成機器語言，提高了系統運行的速率。

第二，存儲器。可以讀或寫任意的存儲單元，斷電時容易發生丟失數據的問題；ROM 存儲器無法改寫，讀寫速度較慢，斷電時可以保存數據，具體放置在固定的系統軟件。一般都是生產商家提供PLC 系統程序，禁止用戶自行修改與操作，通常在ROM 存放。對于用戶程序，應結合具體需求對程序積極調整，所以在RAM 中存放用戶程序，與電源系統科學配置可避免丟失數據。

2 PLC 智能家居系統概述

2.1 系統功能

智能家居控制系統集中電力線載波通信、無線傳輸和網絡傳輸技術，是具有人性化和一體化特點的智能控制復雜系統。把室內變成平板電腦或智能手機，進一步應用在客廳、臥室、廚房和衛生間，達到移動門禁功能的需求，幫助人們更好把握生活。

智能家居系統利用網關與廣域網接入，并在廣域網設計的專業網站與控制系統中，對合法用戶數據庫進行管理，發揮適合的功能，這是智能家居網絡之家。按照用戶的具體需求，基于PLC 設計智能家居控制系統功能見圖3。

圖3 智能家居控制系統結構圖

2.2 系統整體控制方案

自動控制：利用系統傳感器對房間內各類數據測量，之后向控制裝置傳遞數據，PLC 計算與分析這部分數據，并對比用戶預設的理想值。當理想值存在偏差，PLC 命令有關執行器動作。

手動控制：當調到手動控制時，系統自行關閉自動控制，只有采集器繼續工作，實時采集房間全部數據。用戶利用顯示屏檢測房間內數據，并手動調節有關數據。

圖4 控制系統的流程圖

3 PLC 智能家居系統上位機與下位機設計

3.1 上位機設計

本次設計的系統上位機包括兩部分。監督和控制平臺是由組態王操作，包括：用戶登錄、智能主控、實時監控、實時報表、歷史報表、故障報警等。設計結構圖見5。用戶開啟組態王軟件就可實時監控家居環境參數，同時還可更改某些功能。如：開啟房間燈具、閉合窗簾、開關窗戶等。達到個人實時控制房間的目的。如用戶不滿意系統設置或想更改設計時，也可以到處組態王軟件上的參數曲線，為設計提供參考，更改有關參數。如系統某一程序發生錯誤，室溫超過設計要求沒有開啟空調，早晨起床沒有及時打開窗簾，做完飯后忘記關閉天然氣等。故障報警系統會實時傳遞這部分錯誤程序，提示用戶檢修系統。在報警中保存有關數據，便于用戶排查錯誤，使系統正常運行。其次是西門子觸摸屏，具體設計有：主控界面、監控燈光界面、實時監控溫度和窗簾、故障報警等。上位機引入觸屏界面是幫助用戶檢測整個系統，從而輕松操作系統。

圖5 智能家居控制系統的上位機結構圖

3.2 下位機設計

在設計下位機方面涉及硬件與軟件的設計和選型。硬件設計包括：PLC 控制器和有關擴展模塊的選型、監控房間數據應用的傳感器和執行其傳輸數據的機構選型等。當運行系統時，房間內的傳感器會想PLC 控制器傳輸采集的數據，并由PLC 統一處理和計算這部分數據。按照用戶要求對這部分數據進行處理，并向執行機構傳輸所需數據，進一步智能化控制房間的燈、窗簾、溫濕度等。在軟件方面，利用西門子編程設計控制家居系統。通過RS-485 總線連接上位機和下位機，進一步檢測房間內的全部數據，同時調節房間內數據。

4 PLC 智能家居系統硬件設計

4.1 模塊工作控制原理

在硬件系統中控制模塊是核心，比如智能防盜門的開關控制，首先關閉防盜門，用戶想開門時，出現一個開門的訊息，向PLC 控制中心傳遞，PLC 通過對比預設的程序邏輯，發送開門命令，向執行機構傳遞，順利產生開門動作。同時向執行機構傳輸，如此完成防盜門智能開門動作。同時傳感器對門的位置監測，向控制中心傳輸位置信號，經過邏輯分析，如符合設定位置，電機工作終止，反之則持續開門動作，達到規定要求為止。其次，如人們開門不正確，可立即發送報警信號，符合人們對居住環境的要求。要想達到這個要求需合理選擇硬件。

圖6 系統運行的流程

4.2 智能采集模塊設計

防盜門智能采集模塊通常使用CSS 14-34-S-D-N-ST 設備對門外的光照強度進行采集，獲得相關的安全數據，大多數情況將A/D作為轉換接口，同一塊芯片集中全部總線接口，同時可接受2.4～5.5V 的外接電源。該模塊關鍵作用對門外信息有效采集，并轉換采集的信息產生不同強度的信號，向CPIL 控制中心傳遞信息，再通過控制中心分析反饋信號，之后向采集模塊傳輸分析結果。

表1 常見傳感器采集設備參數

4.3 電源模塊設計

由于PLC 系統均使用穩壓直流電源，首先要整流穩壓處理接入的電流電源，保證處理后電壓穩定。電源模塊實際工作流程見圖7。

圖7 電源模塊工作過程圖

4.4 硬件系統工作流程

用戶發出指令，經過模塊處理，獲得一個完整的指令。在PLC 機中短暫存儲，直到PLC 控制器審核指令結束后，向執行器傳輸完成硬件系統工作。

5 基于PLC 智能家居系統軟件設計

5.1 應用層功能

將PLC 模塊軟件結構應用層劃分七個部分，分配與獲取EUI 地址，控制端判斷發出命令；應用層數據組幀；向NET 層或PHY 層發送數據；獲取下端數據；處理應用層數據并向控制端傳遞數據。

當系統運行后，應用層首先處理EUI 地址分配與獲得代碼，之后轉換至空閑操作狀態，如控制端向電力線發送數據，則應用層對控制端命令實施解析；應用層數據組幀向NET 層或PHY 層發送數據；如發送數據成功或超時，則應用層重回空閑狀態。

應用層接收電力線傳輸的數據，首先對NET 層或PHT層發送數據事件科學查詢；其次是接收數據；在應用層對數據解析；向控制端上報數據，應用層跳轉為空閑狀態。

5.2 通信協議

電力信號采用TCP/IP 協議與網絡密鑰認證制度進行傳輸，在不同智能家居設備之間傳輸信號時，結合相同的通訊協議與秘鑰連接達到通訊目標。按照通信芯片應用層協議格式，修改產生達到系統要求的協議幀結構。

表2 協議格式

起始符代表信號開始；地址域采用12 位十進制數，地址域與物理層信道沒關系，每個設備都有單獨12 位通信地址；控制碼包含傳遞信號方向、應答信號標志、后續幀標志等；數據域長度代表數據域字節數量；數據域包括密碼、數據、操作者代碼等；校驗碼主要是校驗信息，結束符代表結束幀信息。

5.3 設備接入方式

智能家居系統有兩種不同的設備接入方式；第一種是在設備與終端預留接口，連接信號線時新設備自行發出注冊指令，終端獲得指令后將協議自動發送新設備，幫助新設備自行組網。第二種是將按鍵設置在新設備上，新設備自主憑借電力線傳輸注冊信息，終端服務設備將確認注冊信息回傳，如雙方產生統一的注冊信息，則自行完成組網操作。

6 結束語

智能家居PLC 控制系統可達到系統設計的實際要求，對有關人員來講，在未來工作中需整體了解智能家居PLC控制系統的運行要求，對其基本特點綜合把握，從多個角度著手，對PLC 控制系統不斷改進，使其更好達到智能家居使用要求，從而提升智能家居的技術水平。