基于PLC的智能家居的基础模块分析设计

廖湘渝

同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314000

0 引言

随着社会经济的发展，居民对家居用品的舒适度、方便度、实用性、性价比、安全度等方面都有了更高的要求。随着阿尔法狗等智能机器人的诞生，智能家居逐渐进入人们的生活。使用智能家居设计和建造一个理想的家庭生活环境，成为越来越多人的选择。

文章主要对完成一个比较完善的智能家具系统所需要的技术支持、基本模块及所需模块进行分析，首先要运用到的技术有PLC可编程技术、GSM短信息和SMS信息交互技术、传感器技术、无线控制技术；其次基本的智能家具的模块有自动门开关模块、温湿度控制模块、煤气及烟雾浓度实时监测及短信报警模块、PLC编程模块。整个系统就是运用这些技术将这些模块连为一体，为居民提供好的环境和服务[1]。

1 PLC技术概述

PLC又叫可编程控制器，其内部结构可等效为一个继电器系统，故PLC主要是用来代替继电器实现逻辑控制。目前世界上的PLC有美国、欧洲、日本三个流派，主要品牌有GE、松下、西门子、三菱、欧姆龙等。虽然现在PLC的种类繁多，但是它的主要组成部分有微处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、电源、编程器等，各部分之间均采用总线连接。PLC的工作方式可分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。随着电子技术和集成电路的广泛应用，PLC功能日益完善，性能不断提高，PLC正在朝着智能化、网络化的方向发展。其特点也有很多，如可信度高、方便编程、自检性强、工作环境要求不是很高、与其他装置连接方便，适用范围广[2]。

2 PLC智能家居系统中涉及的技术

2.1 GSM短信息及SMS无线数据传送技术

随着移动通信网络的快速普及和移动通信技术的发展，GSM短信息和SMS数据传送技术也有了一定程度的进步，它们多用于无线报警、远距离检测、数据收集等多个领域。GSM短信息通过无线专用控制信道DCCH进行传输，经过短信息业务中心完成存储和前转，覆盖地域广，有通信距离长、网络可靠性高、抗干扰能力强、稳定性好、快捷等优点；SMS数据传送技术，是利用现有的GSM网络资源，发挥它传输特性好的优势，为事情发生现场的数据采集提供一种便利的无线传送方式，它的传输通道相当于是透明的，并且SMS数据传输系统内放有自动网络连接和对应的协议处理模块，不需要PC端在后台运行支持，同时它可以做到一对一、一对多的对等的数据传输，传输延时较小，几乎不会对客户的使用体验带来不便[3]。

2.2 传感器技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成电信号或者是其他所需形式的信息输出来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的工作一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四个部分组成，其工作步骤大致可概括为数据采集、放大整合、传输存储、数据分析。传感器种类繁多，可分为电阻式传感器、压阻式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、超声波传感器、热敏传感器等。传感器的优点也十分显著，因为它的高阻抗、小功率，所以它仅需很低的输入能量，它可以从肉眼看不到的微小变化测量得到需要的数据，有较高的系统稳定性，工作频率快，动态响应快，机构简单，适应性强，可在高低温、强辐射等恶劣环境下工作，应用范围广。

2.3 无线控制技术

无线控制技术是发射机把控制的电信号先编码，然后转换成无线电波发送出去，随后接收机收到载有信息的无线电波，通过接收、放大、解码得到原先的控制电信号，再把这个电信号进行功率放大，用来驱动对应的电气元件，实现无线控制。在确保信号安全、通畅、可靠的条件下，可以通过无线控制技术将家中用于监视、控制、报警、保护等传感器与实时控制系统、居民的手机电脑管理信息系统相集成，与现场无线设备互联。其优势在于方便灵活，在有效距离内都可以使用。

3 智能家居PLC控制系统的基础模块分析设计

智能家居PLC的控制模块主要可以分为自动控制模块、信息采集模块和远程监测模块。智能家居自动控制模块可以通过对自动开关门的控制，用PLC作为主控器使继电器所对应开关的闭合断开，控制三相异步交流电动机的正转、反转和停止，来达到门的开合；控制模块中的信息采集部分可以采用温湿度传感器、烟雾传感器、煤气传感器等其他种类传感器实现；智能家具PLC控制系统远程监测模块大部分是以手机短信的形式实现用户与PLC主控器之间的信息传送反馈。

3.1 人脸识别自动开关门模块分析设计

人脸识别是通过收集人的脸部特征信息进行身份识别的技术，可采用固态图像传感器收集开门人的脸部数据图像，上传到数据中心，使用对应的特征和算法，与家庭成员的照片进行对比判别。当家用自动门关闭时，通过人脸识别判定成功或者输入密码正确和使用钥匙将门锁开启时，或者用户在家中将门锁开启时，会产生一个开门信号，PLC接收到开门信号后，根据程序执行开门动作，使控制自动门的交流电动机闭合主触点，开始工作。考虑到自动门的质量负载较大，对电动机的启动有一定困难，这里可采用电动机Y-△降压起动。当自动门运行到开门极限位置，触碰门框边缘的行程开关时，KM继电器所在的控制电路被切断，电动机停止运转。如果是在关门的过程中，电流测量保护系统检测到主路上的电流是交流电动机额定电流的数倍，电路电流过大会产生较多热量，这时保护系统会给PLC输入端口发送一个高电平信号，这时PLC会让交流电动机执行开门动作，避免电动机过载损坏和一些不必要的电器烧坏。同理，当自动门运行到关门的极限位置时，触碰行程开关，PLC控制交流电动机停转，与此同时电磁锁感应到门关上的信号，立即将房门上锁。

3.2 温度湿度控制模块分析设计

该模块是采用温度传感器和湿度传感器检测到空气中的温度和湿度，通过温湿度传感器收集到的空气中温湿度数据，传送给PLC控制系统，提供给用户作出指令判断的依据，从而控制空调、加湿器等家用电器的开关。温度传感器是通过金属在环境温度变化后发生相应的延伸膨胀的原理，在金属表面贴上合适的应变片，来收集金属膨胀后的变化量。设计中，要尽可能减小应变片的横向效应等因素引起的数据误差，并采取一定的补偿措施。而湿度传感器的数据收集主要靠电阻式或电容式湿敏元件来实现，在空气中的水蒸气被吸附在感湿膜表面时，元件的电阻率和电阻值会发生相应的变化，经过计算，测得环境中的湿度。也可以采用湿敏电容，电容式传感器一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境中湿度发生改变时，湿敏电容中两极板间介质的相对介电常数会发生对应的变化，电容变化量与相对湿度成正比。测量电路可以使用单相桥式整流电路，将交流电转换成直流电，其结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好、精确度高、容易实现电路补偿，既有全波整流电路的优点，又避免了结构复杂、输出脉动大等缺点。在获取到家居环境温湿度数据之后，传输给PLC控制器进行分析判断，最后通过短信模块将用户家中环境的数据发送到用户的手机。

3.3 煤气及烟雾浓度监测和报警模块分析设计

该模块通过煤气传感器和烟雾传感器收集数据，检测厨房煤气是否泄漏，以及房间内有无电器着火产生的烟雾。煤气中的气体浓度和烟雾中的粒子都会影响传感器中的电信号，将这些电信号发送给PLC控制系统进行计算分析，与正常数据对比，判断房屋内是否安全。当空气中的某种可燃气浓度超过安全阈值时，测量电桥会失去平衡，PLC控制器会输出电信号自动激活警报系统，同时将判断结果的报警短信发送到用户的手机[4]。

3.4 PLC编程模块分析设计

该模块设计采用当前应用最广泛的PLC编程语言梯形图，它可以直观简洁地控制多个装置，其包括CPU、存储器、输入输出接口、编程器。PLC自动门模块，是PLC给出高低电平，控制电机的正反转和停止；接收短信息模块，是GSM短信息模块接收到用户手机的控制指令后，PLC通过串口中断指令查询新的信息，再通过AT指令读取信息的内容并进行解析，进而转化为PLC对应的控制动作，来控制各个功能模块，实现智能化家具。反之，由各个传感器收集到的数据对比、解析、整合，通过PLC串口中断指令、AT指令及GSM短信息来完成信息发送模块，实现智能家居。

4 结束语

文章基于PLC的智能家居的基础模块，简单分析智能家居中基本家具的PLC控制，但是在实际应用中可能会存在很多问题，需要不断更新程序，或者设计基础更好地程序。相对于单片机，抗干扰性差、故障率高、依赖环境；PLC抗干扰性强、故障率低、便于维护，在智能家居使用时，用户体验更好，但是相对于单片机成本要高，这也是今后PLC要改进的地方。