基于PLC的智能家居监控系统设计.docx

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基于PLC的智能家居监控系统设计

南通大学

传感检测课程设计计划实验报告

课题名称：

智能家居监控系统设计

姓名：

曹飞

学号：

1012002090

指导教师：

王胜锋

实验时间：

2013年6月24日至6月27日

基于PLC的智能家居监控系统设计

摘要：

现在使用的家居设备大部分采用手动操作方式，没有自动防盗门、防雨窗、防燃气泄露等具有人性化的功能；本设计利用三菱PLC和各种种传感器来实现在对智能家居常规控制的基础上，利用可编程控制器PLC发出的脉冲信号构成家用设备的智能控制，从而实现智能家居。

而且本着更容易普及这种技术，我们采用PLC、多种传感器构成的系统具准确、方便、容易扩展的特点，能更加好的完成复杂的智能化控制任务。

这个设计理念为解决人民生活节奏加快，留下的家居安全问题和家居舒适度问题为重点。

关键词：

PLC；传感器；智能家居

1引言………………………………………………………………………………

（1）

2智能家居设备简介………………………………………………………………（8）

2.1智能家居的概念………………………………………………………（8）

2.4智能家居的运行工作情况……………………………………………………（15）

2.5智能家居监控系统组成……………………………………………………（15）

2.6智能家居结构概图…………………………………………………………（16）

2.7智能家居监控系统原理图……………………………………………………（17）

3方案选择………………………………………………………………………（17）

3.1智能家居监控系统的控制方式……………………………………（17）

3.3智能家居系统各部分的选择…………………………………………………（19）

3.4方案的确定…………………………………………………………………（20）

4智能家居系统硬件设计………………………………………………………（21）

4.1控制系统结构框图……………………………………………………………（21）

4.2电机的选择……………………………………………………………………（21）

4.3无线收发套件选择……………………………………………………………（22）

4.4湿度传感器的选择……………………………………………………………（23）

4.5可燃性气体和烟雾检测传感器的选择………………………………………（23）

4.6可编程序控制器（PLC）选择…………………………………………………（24）

5控制系统主程序设计…………………………………………………………（27）

5.1智能家居系统的控制要求……………………………………………………（27）

5.2PLCI/O端口分配……………………………………………………………（27）

5.3系统程序流程图………………………………………………………………（29）

6智能家居控制系统软件程序…………………………………………………（30）6.1智能窗户程序…………………………………………………………………（30）

6.2智能室内系统程序……………………………………………………………（30）6.3安防系统程序…………………………………………………………………（31）6.4点动程序………………………………………………………………………（31）7主要功能模块设计……………………………………………………………（31）

7.1光敏电阻仿接线图……………………………………………………………（31）

7.2温度时间仿真仿接线图………………………………………………………（32）

7.3声控开门接线图………………………………………………………………（33）

7.4红外线接线图…………………………………………………………………（33）

7.5可燃性气体检测线图…………………………………………………………（34）

7.6晾衣服驱动简化图……………………………………………………………（35）

8结论……………………………………………………………………………（36）参考文献…………………………………………………………………………（38）

基于PLC的智能家居控制系统设计

1引言

蒸汽机的发明掀起了人类历史迈向工业的新篇章，

而网络的出现无疑将信息化深深的烙印在了人类文明的璀璨长卷上。

电子信息技术，控制技术的日益提升，社会信息化的逐步加快，促使人们的生活、工作、学习以及通讯的关系日渐紧密，信息化社会在改变人们生活习惯和工作方式的同时，也对我们的传统住宅提出了挑战。

环视周遭，我们很容易的发现，人们对家居的要求早已不再只是简单的物质空间，更为关注的是一个高度安全、舒适以及美观方便的居住环境，先进的通信设施，完备高效的信息终端，自动、智能的家电，网络化的资源管理及购物方式等等。

现今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已然成为一种趋势。

电力电子技术的发展、微电子技术的革新、控制理论的进步给智能家居的发展带来了契机，因此，PLC控制技术己成为现代智能家居行业的一个热点。

可编程控制器（PLC：

ProgrammableLogicController）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

传统的电器都是以个体形式存在，没有系统的管理与控制，而可编程控制器（PLC：

ProgrammableLogicController）控制系统，就像一张无形的网络，把所有能控制的电器以一定的结构有机的组合起来，形成了一个整体，通过这个管理系统，用户可以用遥控、场景、定时、远程、电脑等多种控制方式实现对电器的智能管理与控制。

以及实现电器的场景控制与管理，从而达到智能电器系统的节能、环保、舒适、方便的功能。

由于可编程控制器（PLC：

ProgrammableLogicController）控制系统与其他控制系统相比较具有以下特点

（1）系统构成灵活，扩展容易

（2）使用方便，编程简单，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

（3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强。

所以是智能控制家居的首选，能为维护和改进服务提供很好的保障。

2智能家居设备简介

2.1智能家居的定义及发展

　智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的[智能型建筑],从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。

最著名的智能家居要算比尔﹒盖茨的豪宅。

比尔﹒盖茨在他的“未来之路”一书中以很大篇幅描绘他正在华盛顿湖建造的私人豪宅。

他描绘他的住宅是“由硅片和软件建成的”并且要“采纳不断变化的尖端技术”。

经过7年的建设，1997年，比尔﹒盖茨的豪宅终于建成。

他的这个豪宅完全按照智能住宅的概念建造，不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制，而且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。

智能家居是IT技术（特别是计算机技术）、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。

由社会背景之层面来看，近年来信息化的高度进展，通讯的自由化与高层次化、业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加﹔此外在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通讯技术之成长，也促成了智能家居的诞生。

　　20世纪80年代初,随着大量采用电子技术的家用电器面市,住宅电子化出现。

80年代中期，将家用电器/通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。

80年代末，通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信/家电/安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome,也就是现在智能家居的原型．智能家居最初的定义是这样的：

＂将家庭中各种与信息相关的通信设备/家用电器和家庭安防装置，通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能系统上，进行集中或异地监视/控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调．＂HBS是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心．

　　世界上第一幢智能建筑1984年在美国康涅迪格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务。

智能家居最早沿于英文SmartHome，早先更多提法是HomeAutomation家庭自动化，因为早先涉及的产品都与家庭自动化产品和配件有关，自动化、智能化是其重要特点。

几年前，美国、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了“智能住宅”（即智能家居SmartHome）的概念。

其目标就是：

“将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。

”

　　智能家居（SmartHome）频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。

目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如：

电子家庭（ElectronicHome）、e-Home、数字家园（Digitalfamily）、家庭自动化（HomeAutomation）、家庭网络（Homenet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能化家庭（Inte1ligenthome）等等几十种，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。

　　目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。

也就是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。

其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。

最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。

各技术基本介绍：

1、总线型技术：

所有设备通信与控制都集中在一条总线上，是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。

典型的总线技术采用双绞线总线结构，各网络节点可以从总线上获得供电（24V/DC），亦通过同一总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互连和通信，信号传输速率和系统容量则分别为10KBPS和4G。

总线型技术比较适合于楼宇和小区智能化等大区域范围的控制，现开始部分应用于别墅智能化，但一般设置安装比较复杂，造价较高，工期较长，只适用新装修用户。

典型厂家：

ABB公司的“I-BUS”、奇胜公司的“C-BUS”、“Lonworks”等等。

2、无线技术：

即利用各种无线标准，如射频（RF）技术、IrDA红外线技术、HomeRF协议、Zigbee技术、X2D技术等进行设备间的传输与控制。

无线技术无需重新布线，安装方便灵活，而且根据需求可以随时扩展或改装，适用于新装修用户和已装用户。

随着目前Zigbee技术和RF技术的快速发展，以无线方式实现的智能家居市场将越来越明确。

典型厂家：

波创公司的“射频（RF）技术”、Control4公司的“Zigbee技术”、达泰多公司的“X2D技术”等等。

3、电力载波技术：

即利用现有的电网，两端加以调制解调器，以50Hz或（60Hz）为载波，再以120KHz的脉冲为调变波（ModulatingWave），进行信号的传输与控制。

电力载波技术最大的优势是利用现有的电网，便能简单的实现家居智能化的改造，但是由于其通信传输是以电线为载体，因此对电网稳定性有要求，在国内此电网干扰的问题尤为严重，同时其网络响应速度慢（传输一个指令需要0.883s），这也很大程度的制约了电力载波技术在智能家居行业的发展。

典型厂家：

上海索博公司的“X-10”技术和“PLCBUS”技术等等。

各智能家居技术对比表

比较项目

总线类

无线类

电力载波

典型技术

C-Bus

无线射频（RF）

Zigbee

PLCBUS

x10

典型厂家

奇胜

波创

Control4

上海索博

应用范围

主要应用于体育场等楼宇智能化

主要应用于办公与小房型住宅

适用于住宅与楼宇智能化

同时适合于住宅与楼宇智能化

在国外广泛应用，较多

适用性

只适用于未装修户

同时适合于已装修与未装修户

同时适合于已装修与未装修户，并可应用楼宇控制

同时适合于已装修与未装修户

是否需布线

需要另外布线

无需重新布线

双向通信

双向通信，可反馈与查询灯或电器的状态与灯亮度

单向通信

双向通信

双向通信，可反馈与查询灯或电器的状态与灯亮度

单向通信

技术难题

安装调试需要专业人员

能穿透墙体，无方向性，但因阻碍物材质与厚度的不一样，出现遥控无法控制的“控制死角”，特别大房型或复杂结构房体

Zigbee的低功耗、自组网特性有效的解决了无线通信传输距离及信号衰减的问题

通信传输是以电线为载体，对电网稳定性有要求，同时其网络响应速度慢（传输一个指令0.883s）

开关可选性

只能用厂家的面板

可选水晶面板或暗藏模块

可选西蒙面板或暗藏模块

安装调试期

安装调试复杂，周期较长

安装简单，周期短

调试要求

需要专业人员安装调试

一般技术人员

技术优/弱势

不能恢复传统控制方式

随意选配、升级、移动

售后服务

较复杂，若中控主机出现问题，系统瘫痪，并不能用传统方法控制

系统没有主机，就像替换普通开关，并可立即改用传统方式控制

如果家庭主机出现问题，并不影响下层控制器直接对设备进行控制

系统没有主机，就像替换普通开关，并可立即改用传统方式控制

系统没有主机，就像替换普通开关，并可立即改用传统方式控

表2—1

2.4智能家居的运行工作情况

智能家居系统通过把各种传感器和遥控传送过来的信息进行分析，按照程序设计的规律，对全家电器进行控制。

智能家居系统在运行的过程中，有起点站也有终点站。

这些都是通过各种电子器件和传感器实现的。

2.5智能家居系统的组成

（1）家居布线系统：

家庭智能化的实现，第一步就要进行家庭布线的基础设施建设，家居布线系统把电话、有线电视、电脑网络、影音系统、家庭自动化控制系统的布线统一规划、布局，集中管理，为实现家居智能化提供网络平台，通过家居综合布线既可以实现自动化的控制，又可以做到资源共享，家庭内部只需一台影碟机、音响、卫星电视接收机就可以在家庭内部每一个房间观看电影、享受音乐，可以实现多台电脑联网，共享宽带服务，多路电话任意接听、转接。

而且采用综合布线，使得家庭内部布线系统具有良好的扩展性和可升级性，满足不同用户现在和未来的需求。

（2）家居安防系统：

人们对于安防系统的要求越来越高，家居安防系统可以有效的利用技防手段来实现安全防范。

家居安防系统包括防盗、防燃气泄漏、防火等功能，同时可远程监控，便得住户可以远程通过网络或电话随时了解家庭内部情况，可监听、监视或者监视听家庭内部情况。

　　（3）家庭自动化系统：

智能家居的主体在于家庭自动化，将来家庭自动化的主体是家电、照明等电气设备的控制。

家庭自动化系统能够通过集中或者分布式控制家庭内部照明或者家电，住户可以通过网络或者电话远程控制家庭内部设备。

家居自动化系统是将来智能家居的主要发展方向。

　　（4）家庭体验系统：

人们对生活体验的要求越来越高，对家庭内部影音系统、家庭内部环境、网络虚拟环境等的需求也越来越高，用在这方面的消费支出也将越来越高，将来的家居智能化也会更多的满足人们这些消费

2.6智能家居结构模拟图

智能家居结构模拟图图2—1

智能家居控制系统原理图图2-2

3方案选择

3.1智能家居控制系统主要有三种控制方式：

继电器控制；微机控制；PLC控制。

（1）PLC智能化高，逻辑控制可靠度高，具有通讯功能，占体积小，功耗小，输入输出不具有隔离功能，一个部件损坏，影响整体功能。

（2）继电器，动作有寿命限制，一个元件故障可能造成整个系统崩溃，会将故障扩大化，成本最低，也最容易被伪劣产品冒充，可维修度最高，同时维修成本也低。

（3）微机控制，成本比PLC低,逻辑针对性高，所以要在对整个系统非常了解的时候才会使用，智能化比PLC高，专业应用的时候，实现的功能要比PLC多，具有安全性可靠性最高的特点，输入输出信号还可以实现一体化隔离，通讯组态模式最多。

开发周期最长，一旦要有变化修改比较麻烦。

一旦实现自有批量生产，如果不包括软件附加值，成本甚至比继电器控制还要低。

3.2.2智能家居PLC控制系统的优点

在智能家居控制中采用PLC，用软件实现了对智能家居运行的自动控制，可靠性大大提高；去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化；PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能；PLC可以进行故障自动检测与报警显示。

提高运行安全性，并便于检修；更改控制方案时不需要改动硬件接线。

最为重要的是随着智能家居的发展，更新添加设备不需要过多费用。

3.4方案的确定

通过比较取舍，本设计采用PLC和多种其他设备组成的控制系统，可编程控制器（PLC）负责处理各种信号的逻辑关系。

从而向各个无线收发套件发出起，停等信号。

同时传感器也将工作状态信号送给PLC，形成双向联络关系。

它是系统核心。

无线收发套件实现各个电电路通断及实现平稳操作和精确控制，使环境达到理想状态。

部分器件需要通过与电动机同轴连接的完成操作。

各种传感器传来信息，具体精确度通过对可调电阻的调节实现。

通过各种传感器的信息，对系统进行自锁和反馈，更加适合设计的理念。

4智能家居控制系统硬件设计

4.1控制系统结构框图

图4—1

4.2电机的选择

电机按电源供电方式可分为四种：

1、交流供电式电机。

普通窗帘电机，特点是功率大，马力大。

缺点是耗电大、噪音大、震动大、不节能，只能用于直轨道。

主要应用于工程。

2、直流供电式电机。

相对交流电机，优点是体积小，振动小，噪音小，耗电小。

缺点是马力小。

主要应用于家庭和宾馆。

3、电池供电式电机。

近几年发展起来的一种新型电机，优点是：

采用普通干电池供电，耗电是普通电机的1/2000，节能环保，8节普通电池可以用1-2年，在欧洲、美洲、澳洲这几年得到大量的推广。

4、太阳能供电式电机。

完全采用太阳能电池供电，完全绿色产品，更加节能环保，电力完全来自于太阳的能量。

充一天电，没太阳也能用一个月，寿命10年以上。

是世界上最新的电机。

目前在欧洲、美洲、澳洲得到很大的应用。

综合上面的电机类型和我们的设计概念我们最终选择使用直流供电式电机，因为它体积小，振动小，噪音小，耗电小。

在直流电机仲我们选择直流减速电机ZJ20087-05,直流减速电机即齿轮减速电机,是在普通直流电机的基础上,加上配套齿轮减速箱.齿轮减速箱的作用是,提供较低的转速,较大的力矩.同时,齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩.这大大提高了。

表4—1性能参数表

型号

Type

额定电压

Volt

空载Noload

负载Load

制动Break

电流

Curent

≤A

转速

Speed

r/min

转向

Rotation

电流

Curent

≤A

转矩

Torque

转速

Speed

r/min

电流

Curent

≤A

转矩

Torque

ZJ20087-02

100～120

CCW

8.5

84～96

160

8.5

84～100

ZJ20087-03

1.5

160～184

4.4

143～160

ZJ20087-04

0.4

1.5

ZJ20087-05

51～56

2.9

47～51

ZJ20087-06

1.5

151～179

147～173

4.3无线收发套件的选择

无线收发套件中的接收模块有两种输出方式，锁存（L4）和非锁存（M4）。

锁存和非锁存的区别：

锁存方式是发射器有发射时，接收端有数据输出，发射器停止发射后输出端数据仍然保持（锁存），直到下一次发射器发射时输出端数据被刷新并保持。

非锁存方式则是发射器有发射时，接收端有数据输出，发射器停止发射后，接收端没有数据输出。

技术指标

1、工作电压：

5VDC

2、工作电流：

<5mA

3、接收频率：

315MHz

4、接收方式：

超再生

5、接收灵敏度：

-103dBm

6、解码芯片：

PT2272-M4（L4），有四路并行数据输出，一路解码有效指示输出（非锁），八位三态地址码

7、解码有效时输出TTL高电平

8、输出方式：

有两种，一种为非锁（M）方式（即点动或脉冲方式），另一种为互锁（L）方式（即信号锁存方式）

9、接收模块外形尺寸：

49×20×7mm

综合我们的设计概念选择四路的非锁存的无线收发套件，因为其价格便宜，而且满足我们的要求。

4.4湿度传感器的选择

Honeywell公司的HIH3610湿度传感器是为大批量OEM设计，具有湿度仪表级测量性能，低成本，SIP封装。

线形放大电压输出，驱动电流200微安，器件一致性好[3]。

特点：

湿度传感器HIH3610主要性能：

（1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路

（2）3针可焊塑封

（3）宽量程：

0～100％RH非凝结，宽工作温度范围–40～85℃

（4）高精度：

±2％RH，极好的线形输出

（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出

（6）低功耗设计200微安驱动电流

（7）激光修正互换性

（8）快速响应15秒

（9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能

其引脚如图3-2所示：

HIH3610引脚图图4-2

4.5可燃性气体和烟雾检测传感器的选择

图4-3

MQ-2气敏元件的结构和外形如图1所示（结构AorB）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

MQ-2型传感器的特性及主要技术指标

（1）MQ-2型传感器的一般特点

（a）MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。

（b）MQ-2型传感器具有

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