基于PLC的宿舍管理系统设计

钟旺平 蔡小伟 张材仕 邹鹏辉 林福龙 张中正

摘   要：为解决学生逃课滞留宿舍，仅靠人力难以监督的问题，文章提出一种以学生课表为中心，基于PLC的宿舍管理系统。每间宿舍配备HMI触摸屏用于学生课表管理，以S7-1214C PLC为主站管理多间宿舍，以STC15单片机为从站采集传感器信息。根据课程表对宿舍进行有课、无课及特殊情况分类管理，辅助宿舍灯光自动控制、楼道灯光控制及损坏检测、防盗报警系统等功能。

关键词：宿舍管理;可编程逻辑控制;单片机;人机交互

1    目前高校宿舍管理所面临的问题

据研究表明，高等学校专业课逃课比例在19%以上[1]，大学发生失火和丢失物品的现象严重，宿舍楼走廊灯损坏后不能及时进行登记检修。传统的宿舍管理中，几乎任何需求都是以人力进行操作，比如开灯（可调解亮度）、收衣服等，都受人的主观因素影响。当人在不方便管理时，会造成一些资源浪费，例如光线够亮时还开电灯[2]。对比以往的宿舍管理方式，在传统模式下，主要依靠人工进行宿舍监控管理，出现了浪费人力、管理漏洞等较多问题。本文提出了以学生课表为中心，基于可编程逻辑控制（Programmable Logic Controller，PLC）的宿舍管理系统。每间宿舍配备人机交互（Human Machine Interface，HMI）触摸屏用于学生课表管理，以S7-1214C PLC为主站管理多间宿舍，以STC15单片机为从站采集传感器信息。根据课程表，对宿舍进行“有课”“无课”“特殊情况”分类管理。在有课情况下，如果宿舍内人体检测模块检测到有人时，宿管室WinCC上位机会产生报警信号，并且存放到报警报表中。在“无课”或者“特殊情况”下，宿舍照明灯会根据亮度传感器进行关、开控制。当红外传感器检测到有人经过时，走廊照明灯灯亮。同时，电灯旁的亮度传感器对灯光强度进行检测，从而判断照明灯是否损坏。如果检测到照明灯未正常工作，该信息将传送到宿管室上位机上，实现了实时报修的功能，大大减少了检修人员的工作量。

2    总体方案设计

智能宿舍管理系统控制由PLC统一管理，并增加单片机，进行数据采集工作。宿舍内的灯光控制由单片机采集外部信号，经处理器初步处理后，通过Modbus-RTU协议传送给PLC，PLC进一步对其进行控制[3]。走廊灯光控制由红外检测模块采集外部信号，直接传送给PLC进行处理。走廊亮度检测模块采集的外部信号也直接传送到PLC进行照明灯判断检修。宿舍火灾报警系统包括烟雾检测模块、温度检测模块、火焰检测模块，采集外部环境参数，经过单片机综合处理后，直接接到PLC I/O口，再经PLC分析、处理后执行动作。宿舍安全防盗报警系统由红外检测模块采集外部信号，传送给PLC处理。S7-1214C PLC通过PROFINET协议与触摸屏、WinCC通信，S7-1214C PLC通过Modbus-RTU协议与单片机通信，单片机通过I/O口与各传感器通信，系统总体设计如图1所示。

3    系统设计

3.1  灯光控制系统

当学生“无课”或宿管室启动“特殊情况”按钮时，宿舍内的亮度探测模块感测到外部亮度数值再通过单片机计算、分析后，调节LED灯的开关，进而极大限度地满足人们各种照明环境的需求，为宿舍节约用电。走廊区域：在相应的时间段内（时间段可以通过楼管室触摸屏设置），走廊处的红外传感器感应到有人，电灯打开并延迟一定时间后断开。此外，如果走廊电灯开启了，而该电灯附近的亮度传感器检测到的数据未达到阀值，就认定为电灯发生故障，记录在宿管室上位机的报警报表中。

3.2  火灾自动报警系统

由于在火灾发生前期，宿舍内会产生烟、火光，并且温度升高。这些变化的环境因素将被传感器采集后转变为电信号，经模数转换器（Analog to Digital，A/D）转换成数字信息，并传送火灾控制系统[4]。其中，温度传感器采集的温度经单片机，根据标准火灾温度—时间曲线[5]来进行火灾温度判定。为避免检测出错，采取单片机检测到满足烟雾传感器、火焰传感器及火灾温度判定这3种条件或手动火灾报警按钮功能时，产生火灾报警信号。发生火灾的宿舍、隔壁宿舍、所在的楼层以及每栋宿舍楼的楼管室的指示灯工作。上位机可记录首次报警时间并查阅历史报警记录，使该栋宿舍楼的安全通道门打开，让门禁解除，以便人员的有效疏散。

3.3  主PLC控制系统的硬件选型与配置

系统硬件电路以S7-1214C PLC为主站管理多间宿舍，STC15单片机为从站采集传感器信息[6-7]。PLC与单片机之间采用Modbus-RTU通信协议通信。同时，PLC通过PROFINET协议将系统运行的过程实时地传输到HMI上，PLC又通过PROFINET协议和工业以太网交换机将宿管室上位机和Web客户端连接。宿舍内的传感器和执行机构都接于单片机，传感器的数据采集由单片机做一个简单的处理后，通过Modbus协议将数据传送给PLC，PLC经过分析后，作出判断，再传给单片机，执行相关的动作。

3.4  單片机系统

单片机系统采用STC15L2K61S2单片机，具有外部中断功能，STC15单片机运算速度快、可靠性高，和同价位的单片机相比，具有更大的容量[8]。因此，总体来看，STC15单片机在性能上比较优越，所以选用该款单片机。本次STC15L2K61S2单片机与外部的亮度传感器、烟雾传感器、温度传感器、火焰传感器、人体传感器等传感器连接，且单片机与S7-1214C PLC通过Modbus-RTU协议进行通信[9-10]。

3.5  人机交互系统

监控画面的显示由HMI触摸屏和WinCC组态软件两部分执行，实现环境的实时监控、操作。触摸屏选用西门子KTP700 Basic型触摸屏，设计通过网线、交换机与下位机PLC进行通信，实现触摸屏信息的输入、读取及PLC上执行的命令在触摸屏上显示。选用WinCC组态软件，保证了管理人员易操作性和监控的高效性。S7-1214C PLC通过PROFINET协议、工业以太网TCP/IP协议、工业以太网交换机，将现场情况反映在WinCC上位机上，异常情况记录也将记录在WinCC组态软件的报表中。

4    系統软件设计

4.1  PLC软件设计

系统总体由S7-1200 PLC对灯光控制系统、安全防盗报警系统、火灾自动报警系统、节水系统进行控制，利用S7-1214C PLC实时轮询的功能，对每间宿舍进行实时数据采集，降低漏查率。单片机在宿舍“有课”“无课”两种情况下，依据人体传感器来检测宿舍内是否有人在，“无课”情况下，宿舍灯光依据亮度传感器进行开关调节;“有课”情况下，宿舍本应没人在，但是如果人体传感器检测到有人时，就是异常状态，将产生报警信号，并将产生警报记录在报表中。

4.2  上位机软件设计

根据对系统、现场的实际要求进行分析，对各种组态软件性能进行对比分析，选择WinCC组态软件，使用WinCC软件完成上位机各个监控画面的制作、报表设置，以及权限设置[13]。实际硬件中，WinCC与下位机PLC通过PROFINET协议通信。界面有：WinCC主界面、WinCC房间监控画面、WinCC报警监控画面、WinCC报警监控表画面、WinCC课程表画面、WinCC走廊监控画面等。

5    结语

文中提出一种以学生课表为中心，基于PLC的宿舍管理系统。集WinCC上位、S7-1214C PLC、触摸屏及单片机四者共同组成，实现远程监控学生未上课在宿舍报警、宿舍灯光手自动控制、楼道灯光控制及损坏检测、防盗报警等功能。经测试，该系统能在一定程度上解决学生逃课问题，能优化宿舍管理，减少了管理上的漏洞，减轻了人力资源压力，具有一定有应用前景。

[参考文献]

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[6]亓涛.基于RS485网络的远程集中抄表系统设计与实现[D].济南：山东科技大学，2004.

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