智能化窗与帘系统的节能自动控制设计

古丽扎提·海拉提,胡志华

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

智能化窗与帘系统的节能自动控制设计

古丽扎提·海拉提,胡志华

(上海第二工业大学智能制造与控制工程学院,上海201209)

近年来,智能化家电产品和物联网技术在智能家居中的应用得到了迅速发展。从节能的角度,考虑到玻璃门窗是家居生活中极为重要的节能控制对象,以安全防护和自动通风节能控制为主,并以窗帘开关控制为辅调节室温等,分析与设计智能窗与帘的节能自动控制系统。该设计采用3组不同的控制方案,并对每组方案的优缺点进行比较,模拟测试效果表明,智能家居控制系统具有良好的稳定性和扩展性,有助于该控制系统的使用和推广。

智能化;可编程序控制器;自动控制;Wi-Fi技术;节能

0 引言

智能家居的发展不仅仅是插座、安防、语音、连接或者是平台,充满自动化和连接性将是真正智能家居的特点。窗与帘系统,是家居中需要管理和维护频率较高的家居设施。能够根据室内环境的光线强度、空气湿度、平衡室温和室外风雨状况,基于智能化控制技术进行自我调节和控制,具有这样功能的窗与帘系统不仅能方便用户使用,同时也能为用户解决部分节能问题。

1984年在美国,世界上第一幢智能建筑[1]出现,此后智能家居产业得到了迅速发展。我国小米智能家居系统已成为功能较完善的智能家居平台。

智能家居控制系统给人们的家居生活带来了舒适、安全和便利的家庭环境。家电产品的智能化发展迅速,诸如智能插座、智能照明和安防设备等产品俨然成为智能家居控制的代表。物联网技术[5-6]在智能家居中的应用也得到了迅速发展。智能家居真正的定义为利用电脑、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为一个系统。这意味着它包括3个方面的内容:①需要建立通信网络处理必要的信息,在家庭网络操作系统的控制下,通过相应的硬件和执行机构,实现对所有家庭网络家电和设备的控制和监测;②需要建立平台,实现家庭与外界的信息交换沟通,以及控制与监测;③需要满足人们的需求——安全、舒适和方便,同时考虑绿色环保和节能。

智能家居系统主要包括4个部分,中央控制器、软件信息交互平台、终端传感器信息采集和通信方式。其中,关键的两个部分是中央控制器和通信方式。中央控制器,即主控制器,多以单片机为主,具有价格低廉等特点,但其稳定性差,故障率高;可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)以其高稳定性[7-8]、便于扩展功能等特点在自动化行业得到广泛应用。通信方式以无线通信方式为主,典型代表为:蓝牙(Bluetooth)技术、Zigbee技术和Wi-Fi技术[9]。基于蓝牙技术的无线网络作为较早的通信方式,其功耗高、成本高,在智能家居行业,该技术很快由基于ZigBee技术的无线网络取代,且具有网络容量大,通信时滞时间短的优势。基于Wi-Fi技术的无线网络成本低,开发难度小,能够便捷的与手机或PC机进行通信,目前成为较流行的无线网络通信方式。

本文综合以上所述技术的优点,采用不同的主控器和软件信息交互平台,以窗户与窗帘为整体控制对象,形成3组方案,设计智能家居节能自动控制系统。该研究意义在于,分析智能家居设备与环境之间的协调性,旨在设计具有自动性和节能环保性的智能家居控制环境。主控制器分别采用单片机与PLC两种,软件信息交互平台分别为移动手机终端和PC机终端信息交互控制平台,通信方式为基于Wi-Fi技术的无线网络。通过3种方案分别进行控制设计,包括玻璃门窗自动通风和安全防护,窗帘定时开关,以及与空调协调调节室温等。进一步分析比较3种方案在智能家居自动控制系统中的发展前景。

1 智能化窗与帘系统自动控制设计方案

在现代智能家庭生活环境中,窗户与窗帘的自动开关控制不仅能给人们的生活带来便捷[10],从节能的角度更能得到人们的关注、应用和推广。本文选取智能家居中的窗户与窗帘作为控制对象,综合考虑稳定性、便捷性等因素运用3种不同的控制理念,实现了窗户与窗帘的自动控制。这3种控制方案分别是:①基于PLC的智能窗与帘系统的控制;②基于ESP8266的无线组网智能窗与帘系统的控制;③基于ARM的智能窗与帘系统的集中控制。通过3种控制方案的设计与比较,得出每种方案的优缺点,主要目的是为了满足不同控制效果的需求,使智能家居控制更具体化,从节能的角度有助于人们的认识和推广应用。

2 基于PLC的智能窗与帘系统的控制

在该控制设计中,结合PLC的通用性、稳定性与组态王的开放性、强适应性等优势,基于PLC来设计居家环境中的智能窗户与窗帘的控制系统,通过自动控制窗户的关闭与打开,应对突发状况,或者当家里空气质量不达标时,能够及时通风,从而保持良好的室内空气;遇到下雨天时,窗户能够自动关闭,防止室内物品或装饰品被淋湿而遭受破坏。窗帘可以控制室内的光照强度,具有2种模式:Z为照度自动开关模式,可根据光照的强度自动控制窗帘的开和闭;D为定时自动开关模式,可根据设定时间进行自动开和闭。除了自动控制,也可以通过手动控制,便于人们的操作。利用组态王做窗户与窗帘的控制界面,模拟其工作过程,组态王通过控制PLC的动作从而控制窗户与窗帘的打开与关闭。控制功能以数据下载线通信并实现,或者可以通过Wi-Fi模块进行通信,使得控制更加便于应用。

主控制器采用三菱PLC,实现窗户和窗帘的自动或手动打开与关闭控制。主要控制功能包括:①窗帘的开关控制。利用光敏传感器采集光信号,当采集到有光时窗帘可以自动打开,没有光时自动关闭。同时,也可以进行手动控制;②窗户的自动开关控制。利用MQ5烟雾传感器与雨滴传感器,当有烟雾气体时窗户自动打开进行通风,没有烟雾气体时自动关闭;当有雨滴出现时,窗户自动关闭。同时,也可以通过手动控制来实现。

窗户和窗帘自动控制系统的界面主要采用组态王6.55软件设计,将PLC与组态王通过Wi-Fi模块转虚拟串口进行通信,方便快速控制,形成一套完整的智能窗户与窗帘系统,达到保持室内空气清新的效果。该窗户与窗帘的智能控制系统的简易流程图如图1所示。

JLBS微小拉压力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，承受拉、压力均可，具有测量精度高、稳定性能好、温度漂移小、输出对称性好、结构紧凑等特点。通过查阅技术手册，可以得到此压力传感器的综合精度为R=0.05%F·S，量程为M=25N。

图1 基于PLC的窗户与窗帘的智能控制系统的简易流程图Fig.1 The processing of intelligent control system for windows and curtains based on PLC

由图1可见,智能窗户与窗帘控制系统接收不同功能传感器的信号,选择实现窗户与窗帘的打开与关闭,表1列出了窗户与窗帘工作过程中的各种动作状态情况。

表1工作过程动作状态分析Tab.1 Analysis of the action status in work process

3 基于ESP8266的无线组网智能窗与帘系统的控制

基于ESP8266的无线组网设计智能窗户与窗帘的控制系统中运用嵌入式处理器的高性能、接口丰富、方便移植与扩展等优点,并且利用嵌入式操作系统的实时性强、可靠性高、资源丰富等优势,将嵌入式技术作为无线网络控制器的开发平台,使无线网络系统的应用开发能够变为在嵌入式平台上的二次开发,从而缩短开发周期,并且节约资源。结合计算机、嵌入式和通信网络技术,将家居中的各种设备(如照明、安防、家电等)通过无线网络连接到一起。该设计中,利用32位嵌入式ARM处理器STM32F103作为智能家居控制系统的控制核心,采用ESP8266 Wi-Fi模块作为无线芯片,其性能稳定,易于扩展,为组网的首选。组网后实现设备间统一化、数据传输实时话、信息安全化。电脑端可以连接网关进入控制网络中的其他设备。上位机编程软件采用Labview软件[11]设计监控和管理界面。

简易无线网络系统的主要功能是让用户使用上位机通过Wi-Fi实现与网络的通信,从而达到控制网络环境中设备的效果。网络系统的整体结构包含以下主要组成部分:①创建Wi-Fi网络系统的AP端。则需要连入该Wi-Fi网络的STA终端,以及两者之间的用于相互传输数据的无线介质层。AP是整个Wi-Fi网络的核心组成部分,Wi-Fi无线信号的稳定性、强度的大小都是由AP来决定。②建立热点。ESP8266模块作为AP模式时,可供上位机和其他子节点连接;当ESP8266模块作为STA模式时,充当子节点角色,可以连接热点Wi-Fi。因此与家电设备连接的Wi-Fi模块需要设置为STA模式,通过连接作为AP模式的Wi-Fi模块建立的热点,使上位机与Wi-Fi模块、设备之间构成一个简单的星型的局域网,实现上位机与其他设备之间的通信及数据传输。

基于ESP8266的无线组网设计智能窗户与窗帘的控制系统简图如图2所示。整个简易网络系统下位机主要是由服务器端和客户端所构成,所以整个系统的程序主要分为两部分:①网络服务器的控制程序;②网络客户端的控制程序。服务器在整个网络系统中充当控制器的角色,主要的工作是:创建网络系统全体信息所需要的网络,即创建一个Wi-Fi热点,并区分连接到服务器的节点,接收和转发相应指令和数据。客户端的控制程序主要是实现接收和分析服务器发送的指令和数据,以此指令来实现对子节点设备的控制,当子节点设备得到相应的指令后,设备就开始执行相应的功能,同时给服务器返回信号,告知服务器已收到数据。在整个网络系统中,上位机担任的是控制器和显示的角色,不仅能达到控制网络系统中设备的作用,还能提供较好的实现人机交换的功能,用户能直观地了解到当前网络中各个设备的状态及工作情况,让用户更加一目了然的掌握整个网络。

图2 基于ESP8266的无线组网智能窗户与窗帘的控制简图Fig.2 Intelligent control system for windows and curtains based on the wireless network ESP8266

4 基于ARM的智能窗与帘系统的集中控制

基于ARM的智能窗户与窗帘的集中控制系统,是以STM32(STM32F103ZET6)作为主要控制器、STC12(STC12C5A60S2)作为智能家居模型的集中控制系统。其核心在于STM32控制器可以控制多种家居模型,并以2.4G无线通信进行连接,形成一个星形网络的控制系统。终端采用移动手机,通过蓝牙技术与STM32通信来达到控制STC12的家居模型。采用该控制方式,可以在STM32控制器上连接多种外围设备,便于及时扩充产品的功能。此外,在STM32控制器上安装液晶显示屏和摄像头,可以监测家居内外的情况,起到家居安防的作用。同时,以STC12作为辅助控制器的智能家居模型具有经济性、稳定性的特点。

基于ARM的智能窗户与窗帘的集中控制系统简图如图3所示。集中控制系统包括STM32控制器以及STC12的模型控制器。STM32控制器不仅担任了控制STC12智能家居模型的任务,还连接了外置的OV7725摄像头和带有ILI9341的LCD液晶屏,可以实时查看家居实时情况。同时,STM32控制器上带有HC-06蓝牙模块,能与手机进行无线通信,能够用手机控制STC12智能家居模型。STC12控制器不仅要控制智能家居对象,同时要和STM32控制器进行通信连接。此外,STM32控制器和STC12智能家居模型控制器之间,不是采用常用的串口通信连接的方法,而是以2.4G无线模块来进行无线通信连接,这可以规避常规的布线,同时也节约了空间。

图3 基于ARM的智能窗户与窗帘的集中控制系统简图Fig.3 Intelligent control system for windows and curtains based on ARM

STM32控制器功能强大,不仅能够进行通信控制,还可以带动OV7725摄像头和带有ILI9341控制器的摄像头。STC12芯片与寻常的51单片机相比,其功能强大,使用STC12芯片来模拟智能家居模型和进行通信连接比较容易,同时在后期需要添加一些额外功能,便于扩展,而不需要再替换模型控制器芯片。窗户和窗帘作为智能家居的节能控制对象,采用2个STC12模型控制器分别担任智能家居中窗户和窗帘的控制。

5 设计方案的比较及各自的优缺点

智能家居节能自动控制系统主要采用3组不同的方案,通过采用不同的主控器和软件信息交互平台,以窗户与窗帘为整体控制对象进行设计。

方案1采用三菱PLC,实现窗户和窗帘的自动或手动打开与关闭的控制。

优点:PLC的安装和接线便捷,接线端子引线衔接外部设备;可靠性高,抗干扰能力强,可长时间无故障运行;可直接驱动交流接触器或电磁阀;可根据要求修改用户程序,调试时间少;控制硬件元件数较少,易于扩展;组态王软件设计的图形界面易实现监控可视化。

缺点:成本高,对编程要求较高。

方案2采用32位嵌入式ARM处理器STM32F103为主控制器,以ESP8266 Wi-Fi模块作为无线芯片,并采用Labview上位机编程设计监控和管理界面。

优点:嵌入式ARM处理器的接口较丰富,容易扩展。无线网络控制平台的优势是能够实现设备间统一化,在传输实时数据的同时,保证信息的安全。

缺点:网络调试和通信协议的端口设置调试繁琐;无线网络容易断开,Wi-Fi模块上的外扩天线与模块本身需焊接好,否则易导致网络信号不稳定。

方案3采用STM32F103为主控制器,并接合STC12控制单元,采用移动手机终端实现智能家居集中控制:

优点:集中控制的思想是连接和控制不同的设备,整体感较强。开发和设计成本相对较低。基于模型控制芯片,后期能够额外添加新的控制功能,成本相对较低,效益高,用户使用手机控制较便捷。

缺点:主控板容易受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差。

每组方案各有其特点,表2所示为该3组方案性能的比较。由表可见,方案3具有综合性能较好的特点。

表2 3组控制方案的比较分析Tab.2 Comparative analysis of three control programs

6 结语

智能家居的设计与发展,不仅仅是简单地将各个设备连接起来,而在于充分考虑其稳定性、扩展性和经济性的同时,考虑便利性和节能性。智能家居作为综合性的服务系统,除了弥补产品的缺陷,更应当扩展新领域。本文以窗户和窗帘作为智能家居节能控制对象,采用3组不同的控制方案设计智能家居自动控制系统,其设计目的是为了提高和实现智能家居的稳定性、节能性和经济性,并对每组方案的优缺点进行比较。其中,采用STM32F103为主控制器并接合STC12控制单元,采用移动手机终端实现智能家居集中控制的方案具有良好的稳定性、灵活性和可扩展性。在节能方面,希望该控制系统能够做出进一步的发展,如从百叶调节光照储能方面入手分析智能家居节能自动控制系统的设计。

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Design of Window and Curtain Intelligent Control System with Energy-Saving

GULIZHATI Hailati,HU Zhihua(School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

In recent years,the smart home got rapid development with intelligent appliances and the internet of things technology. From the energy-saving point of view,the intelligent windows and automatic control system of curtain energy saving was analyzedand designed.It’s taking into account the glass doors and windows which is very important in the home life of energy-saving control object.The main function of the control system is security and automatic control of energy-saving ventilation and accessibility function is curtain switch control for room temperature regulation.Three groups of different adopts were designed,and the advantages and disadvantages of each set of scheme were compared.Simulation test results showed that the smart home control system should be stability and scalability.It is beneficial to use and promotion of the control system.

intelligent;PLC;automatic control;Wi-Fi technology;energy-saving

TP368.1

A

上海第二工业大学学生在上海市大学生工程训练综合能力竞赛中荣获一等奖

1001-4543(2016)04-0308-06

2016-06-24

古丽扎提·海拉提(1985-),女,新疆富蕴县人,讲师,博士,主要研究方向为电力系统稳定与控制研究。电子邮箱glzthlt@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学校基金项目(No.EGD15XQD02)资助

2016年12月2日至4日,由上海市教育委员会主办的“第六届上海市大学生工程训练综合能力竞赛暨第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛上海赛区选拔赛”在上海电机学院临港校区举行。本届大赛主题为“无碳小车越障赛”,竞赛命题为以重力势能驱动的具有方向控制功能的无碳小车越障,大赛项目分为“S”型和“8”字型常规赛和挑战赛2大类共4个项目。本届比赛共有来自13所工科院校的26支队伍160余名选手参赛,上海第二工业大学工程训练中心选送的2支参赛队参加了全部4个项目的比赛。由万金贵、李颖老师指导,钟樟榕、薛莹、楼泽鑫同学参加的“8”型常规赛项目和万金贵、刘赛老师指导,朱洪旺、周泽峰、曹蒙东同学参加的“S”型常规赛项目双双获得一等奖。其中,“8”型常规赛参赛队首次获得该项目冠军。根据竞赛成绩,上海大学、上海交通大学和上海第二工业大学等3所学校的4支参赛队,将代表上海高校参加第五届全国大学生工程训练综合能力大赛决赛。