一种基于PLC智能家居控制系统的硬件设计

2022-04-01帅伟

仪器仪表用户 2022年4期

帅伟

（常州刘国钧高等职业技术学校，江苏常州 213000）

随着国民经济的发展，居民生活水平得到了大幅提高，对居住环境和智能化控制水平的要求也越来越高，特别是居民老龄化问题越来越突出，传统家居要求已经远远达不到现代居民对于安全性、舒适性、便利性和可靠性的要求[1]。本设计以PLC为核心，其具备红外传感、智能照明、温湿度检测与控制等功能，同时还兼备天然气采集与报警、烟雾浓度报警等安全防范功能。

1 系统整体设计方案

现代家居环境以更加体贴、舒适、智能为综合要求，同时兼顾个性化要求，所以系统采用手动控制和自动控制两种控制模式[1]。本系统以MCGS软件制作上位机完成监控，通过各类传感器作为采集设备，将采集到的相关数据传输给PLC，PLC运行后发送指令给执行机构，执行机构动作从而完成相关控制设备的运行与停止[2]。系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

考虑到每个人的操作习惯或者爱好不一样，本系统采用自动和手动两种控制模式，用户可以根据需要进行切换，控制模式如图2所示。

图2 控制模式选择Fig.2 Control mode selection

2 系统的硬件设计与选型

2.1 监控软件

MCGS作为一款比较好用的软件，功能强大，操作方便，容易上手，有较好的人机交互界面，不容易出现一些故障问题。除此之外，此软件与其他软件的兼容性比较好，通讯起来没有什么阻碍。因此，选择MCGS软件来设计相应应用系统，MCGS组态软件包括3个版本，分别是网络版、通用版、嵌入版。

2.2 PLC选型

PLC是智能家居控制系统的核心，其主要是完成对数据采集后的分析计算，完成系统程序控制等相关任务。选择三菱FX3U-32MR型号的PLC，其输入输出点数为32个，满足系统需求，并留有一定的余量。

2.3 温湿度传感器

温湿度传感器是采集室内温度和湿度的重要设备，本文采用霍尼韦尔SCT系列壁挂式温湿度变送器是室内应用的理想环境解决方案。其主要性能参数见表1。

表1 温湿度传感器性能指标参数表Table 1 Temperature and humidity sensor performance index parameter table

SCT系列温湿度变送器提供多种选项和特征，如可选配易于读取的LCD显示屏显示环境温度、相对湿度或露点。温湿度的标准输出信号为4mA～20mA或0V～10V，本文采用电流输出型即输出信号为4mA～20mA，VS-、VS+采用直流24V输入，T、RH分别输出温度和湿度电流信号[1]。接线端子如图3所示。

图3 接线端子示意图Fig.3 Schematic diagram of wiring terminals

2.4 红外传感器

本文利用红外传感器探测室内人体移动发出的热辐射进行检测并判断室内是否有人活动，如果检测到人体活动后，会对控制模块发出指令，从而控制室内灯具插座的启停，一是起到节约能源的作用[1]；二是可以结合光照度传感器实现对室内亮度欠缺的情况下，达到人体接近时，所在位置灯具打开，补充亮度不足的问题，使其更加人性化、智能化。本文选用MLX90621作为红外传感器，具体性能参数见表2。

表2 MLX90621红外传感器主要性能指标Table 2 Main performance indicators of MLX90621 infrared sensor

2.5 光照度传感器

为了提高居住的舒适度，对于室内光照度的要求必不可少。智能家居控制系统能够采集不同环境下的光照度，将采集到的数据上传至PLC和上位机，通过对数据进行比对、分析，发出信号，灯具可以根据信号进行调节，从而满足室内人员在不同环境下所需要的光照度，提高居住生活的舒适度。本文采用NHZD10B1照度传感器，具体性能参数见表3。

表3 NHZD10B1照度传感器性能指标Table 3 NHZD10B1 Illuminance sensor performance index

2.6 烟雾浓度传感器

本文采用JTY-GM-HA20传感器，该传感器集感温和感烟于一体，根据感应烟雾颗粒的原理来工作，采用结构设计以及光电信号处理技术。该传感器不但对明燃所产生的可见烟雾反应快捷，也能对缓慢阴燃产生的可见烟雾有较好的反应速度。当烟雾浓度超标或环境温度超过57℃时，探测器报警指示灯闪烁，探测器输出继电器常开常闭动作[2]，发出指令给PLC，PLC根据输入的报警信号，输出指令给消防喷淋系统。主要性能指标见表4。

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

2.7 燃气浓度传感器

燃气浓度传感器在民用安全防护工程中，一般多用于家庭燃气泄漏报警，用来探测燃气的浓度。气敏传感器是其内容的核心部件，一般使用过程中安装在可能发生燃气泄漏的场所，例如厨房、浴室等地。一旦发生泄漏，势必空气中的燃气浓度会升高，当浓度达到设定好的值时，该传感器对外发出声光报警信号，也可以控制排风设备或者驱动直线电机来控制窗户开启，从而保障生命和财产的安全[3]。本文采用MQ-2作为天然气浓度传感器，传感器外形及内部电路图如图4所示。

图4 MQ-2传感器外形及内部电路图Fig.4 MQ-2 Sensor outline and internal circuit diagram

MQ-2传感器具有双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），其中模拟量输出为0V～5V电压，浓度越高，电压输出越高。TTL电平输出时有效信号为低电平，即输出信号低电平是信号灯亮。具体情况是4管脚输出的是能够反映烟雾浓度变化的直流信号，该管脚与比较器的2脚、RP构成了比较器的门槛电压。如果烟雾浓度较低时，输出的电压则低于门槛电压，比较器U1A输出高电平，此时LED灯熄灭。反之，如果烟雾浓度较大时，输出的电压则高于门槛电压，比较器U1A输出低电平，LED灯亮，发出报警。

2.8 PLC扩展模块选型

由于本文所选温湿度传感器的温度、湿度输出信号均为电流信号，光照度传感器输出信号也是电流信号，燃气传感器输出信号为电压信号，其他红外传感器和烟雾浓度传感器输出信号都是数字信号[1]。对于模拟电压、电流信号，要求扩展模块具备处理标准电压、电流信号的能力，同时要良好地兼容与PLC的通信。基于PLC的选定限制，扩展模块选择为三菱厂家的产品。结合上述要求，根据市场情况选用FX3U-4AD扩展模块。具体性能指标见表5。