一種基于PLC智能家居控制系統的硬件設計

帥 偉

（常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213000）

隨著國民經濟的發展，居民生活水平得到了大幅提高，對居住環境和智能化控制水平的要求也越來越高，特別是居民老齡化問題越來越突出，傳統家居要求已經遠遠達不到現代居民對于安全性、舒適性、便利性和可靠性的要求[1]。本設計以PLC為核心，其具備紅外傳感、智能照明、溫濕度檢測與控制等功能，同時還兼備天然氣采集與報警、煙霧濃度報警等安全防范功能。

1 系統整體設計方案

現代家居環境以更加體貼、舒適、智能為綜合要求，同時兼顧個性化要求，所以系統采用手動控制和自動控制兩種控制模式[1]。本系統以MCGS軟件制作上位機完成監控，通過各類傳感器作為采集設備，將采集到的相關數據傳輸給PLC，PLC運行后發送指令給執行機構，執行機構動作從而完成相關控制設備的運行與停止[2]。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

考慮到每個人的操作習慣或者愛好不一樣，本系統采用自動和手動兩種控制模式，用戶可以根據需要進行切換，控制模式如圖2所示。

圖2 控制模式選擇Fig.2 Control mode selection

2 系統的硬件設計與選型

2.1 監控軟件

MCGS作為一款比較好用的軟件，功能強大，操作方便，容易上手，有較好的人機交互界面，不容易出現一些故障問題。除此之外，此軟件與其他軟件的兼容性比較好，通訊起來沒有什么阻礙。因此，選擇MCGS軟件來設計相應應用系統，MCGS組態軟件包括3個版本，分別是網絡版、通用版、嵌入版。

2.2 PLC選型

PLC是智能家居控制系統的核心，其主要是完成對數據采集后的分析計算，完成系統程序控制等相關任務。選擇三菱FX3U-32MR型號的PLC，其輸入輸出點數為32個，滿足系統需求，并留有一定的余量。

2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是采集室內溫度和濕度的重要設備，本文采用霍尼韋爾SCT系列壁掛式溫濕度變送器是室內應用的理想環境解決方案。其主要性能參數見表1。

表1 溫濕度傳感器性能指標參數表Table 1 Temperature and humidity sensor performance index parameter table

SCT系列溫濕度變送器提供多種選項和特征，如可選配易于讀取的LCD顯示屏顯示環境溫度、相對濕度或露點。溫濕度的標準輸出信號為4mA～20mA或0V～10V，本文采用電流輸出型即輸出信號為4mA～20mA，VS-、VS+采用直流24V輸入，T、RH分別輸出溫度和濕度電流信號[1]。接線端子如圖3所示。

圖3 接線端子示意圖Fig.3 Schematic diagram of wiring terminals

2.4 紅外傳感器

本文利用紅外傳感器探測室內人體移動發出的熱輻射進行檢測并判斷室內是否有人活動，如果檢測到人體活動后，會對控制模塊發出指令，從而控制室內燈具插座的啟停，一是起到節約能源的作用[1]；二是可以結合光照度傳感器實現對室內亮度欠缺的情況下，達到人體接近時，所在位置燈具打開，補充亮度不足的問題，使其更加人性化、智能化。本文選用MLX90621作為紅外傳感器，具體性能參數見表2。

表2 MLX90621紅外傳感器主要性能指標Table 2 Main performance indicators of MLX90621 infrared sensor

2.5 光照度傳感器

為了提高居住的舒適度，對于室內光照度的要求必不可少。智能家居控制系統能夠采集不同環境下的光照度，將采集到的數據上傳至PLC和上位機，通過對數據進行比對、分析，發出信號，燈具可以根據信號進行調節，從而滿足室內人員在不同環境下所需要的光照度，提高居住生活的舒適度。本文采用NHZD10B1照度傳感器，具體性能參數見表3。

表3 NHZD10B1照度傳感器性能指標Table 3 NHZD10B1 Illuminance sensor performance index

2.6 煙霧濃度傳感器

本文采用JTY-GM-HA20傳感器，該傳感器集感溫和感煙于一體，根據感應煙霧顆粒的原理來工作，采用結構設計以及光電信號處理技術。該傳感器不但對明燃所產生的可見煙霧反應快捷，也能對緩慢陰燃產生的可見煙霧有較好的反應速度。當煙霧濃度超標或環境溫度超過57℃時，探測器報警指示燈閃爍，探測器輸出繼電器常開常閉動作[2]，發出指令給PLC，PLC根據輸入的報警信號，輸出指令給消防噴淋系統。主要性能指標見表4。

表4 JTY-GM-HA20傳感器主要性能指標Table 4 Main performance indicators of JTY-GM-HA20 sensor

2.7 燃氣濃度傳感器

燃氣濃度傳感器在民用安全防護工程中，一般多用于家庭燃氣泄漏報警，用來探測燃氣的濃度。氣敏傳感器是其內容的核心部件，一般使用過程中安裝在可能發生燃氣泄漏的場所，例如廚房、浴室等地。一旦發生泄漏，勢必空氣中的燃氣濃度會升高，當濃度達到設定好的值時，該傳感器對外發出聲光報警信號，也可以控制排風設備或者驅動直線電機來控制窗戶開啟，從而保障生命和財產的安全[3]。本文采用MQ-2作為天然氣濃度傳感器，傳感器外形及內部電路圖如圖4所示。

圖4 MQ-2傳感器外形及內部電路圖Fig.4 MQ-2 Sensor outline and internal circuit diagram

MQ-2傳感器具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出），其中模擬量輸出為0V～5V電壓，濃度越高，電壓輸出越高。TTL電平輸出時有效信號為低電平，即輸出信號低電平是信號燈亮。具體情況是4管腳輸出的是能夠反映煙霧濃度變化的直流信號，該管腳與比較器的2腳、RP構成了比較器的門檻電壓。如果煙霧濃度較低時，輸出的電壓則低于門檻電壓，比較器U1A輸出高電平，此時LED燈熄滅。反之，如果煙霧濃度較大時，輸出的電壓則高于門檻電壓，比較器U1A輸出低電平，LED燈亮，發出報警。

2.8 PLC擴展模塊選型

由于本文所選溫濕度傳感器的溫度、濕度輸出信號均為電流信號，光照度傳感器輸出信號也是電流信號，燃氣傳感器輸出信號為電壓信號，其他紅外傳感器和煙霧濃度傳感器輸出信號都是數字信號[1]。對于模擬電壓、電流信號，要求擴展模塊具備處理標準電壓、電流信號的能力，同時要良好地兼容與PLC的通信。基于PLC的選定限制，擴展模塊選擇為三菱廠家的產品。結合上述要求，根據市場情況選用FX3U-4AD擴展模塊。具體性能指標見表5。

表5 FX3U-4AD主要性能指標Table 5 FX3U-4AD Main performance indicators

FX3U-4AD模塊端口示意圖如圖5所示，CH1、CH2、CH3、CH4表示4個輸入通道，24+、24-表示連接24V電源，具體信號輸入端口連接如圖6所示。

圖5 FX3U-4AD模塊端口示意圖Fig.5 Schematic diagram of FX3U-4AD module port

圖6 信號輸入端口連接圖Fig.6 Signal input port connection diagram

模塊包含了4個通道電壓/電流數據模擬量輸入，可以實現電壓輸入、電流輸入。各通道的A/D轉換值被自動寫入FX3U可編程控制器的特殊數據寄存器中。

3 系統控制流程

系統控制流程如圖7所示，系統具備兩種控制模式，可以根據需要進行選擇，在自動模式下可以進行溫濕度、紅外光照、燃氣、煙霧等檢測，從而控制對應的控制設備，以完成智能化控制的目的[1]。

圖7 系統控制流程Fig.7 System control flow

4 結束語

本文設計了以PLC為核心的智能家居采集與控制系統的硬件電路，具備紅外傳感，是智能照明，溫濕度、燃氣、煙霧濃度檢測等安全防范功能的智能家居控制系統，給出了該系統整體設計方案以及各系統的硬件設計與選型。系統硬件電路簡單，性價比高，工作可靠，滿足智能家居的基本控制要求。