基于PLC与GSM的智能家居远程控制系统设计

卢 娜

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476100)

1 系统总体设计

建立一个以PLC(可编程控制器)为主控制器的智能家居控制系统，主要实现智能照明、温度湿度的监控、窗帘的控制以及危险烟雾和气体的报警。[1]PLC与GSM模块进行通信，GSM模块把报警信息发送给移动终端通，从而达到实时远程报警通信。该系统采用西门子公司S7-200系列的CPU226作为主控制器，采用软件STEP7-MicroWIN V4.0对PLC进行编程，结合GSM短信收发模块、移动终端和串口通信协议转换模块，共同完成数据的采集、处理、通信以及执行器件的控制，从而达到整个系统的实现，系统功能如图1所示。

图1 系统功能图

该系统支持手动或者自动控制，用户可以通过手机等终端设备手动控制窗帘开合、灯的开关，改变室内的温度、湿度；也可以根据从传感器采集到的数据，经过处理、分析，通过PLC自动控制窗帘、灯、空调等家用电器的开关，从而调节室内的环境。

2 硬件模块设计

该系统硬件主要包括PLC以及其扩展模块、传感器、执行机构、GSM短信收发模块、移动终端和串口通信协议转换模块等部分。

2.1 PLC的选择

该系统选用西门子公司的SIMATIC S7-200系列CPU226型号PLC为主控制器。它具有功能强大、可靠性高、抗干扰性强、能耗低、性价比高等特点，特别适用于该系统。[2]CPU226芯片有24个输入、16个输出，共40个I/O点数，至多可以带7个扩展模块，用户程序存储器容量为6.6 K字节，有6个高速计数器，电压允许范围20.4 V～28.8 V或85 V～264 V。

2.2 模拟量扩展模块

该系统需要采集温度、湿度、亮度，这些都是模拟量，而CPU226主机只有数字量I/O接口，所以，本系统采用扩展模块EM231完成对模拟量数据的采集。[3]EM231有 4个模拟量输入通道，电压输入范围：单极性0～10 V，0～5 V、双极性±5V，±2.5V，电流输入范围：0～20 mA ，端子接线图见图2。

图2 EM231端子接线图

2.3 温湿度检测模块

采用QFA2060对室内温湿度监测。QFA2060是一款房间温湿度传感器，其主要利用传感元件的电阻和电容值随相对温度或者湿度的变化来获得空气的温度和湿度值。[4]QFA2060监测到空气的温度和湿度数据之后，把数据传送给PLC，PLC根据得到的数据做出判断，给出相应操作。QFA2060具有体积小、精度高、响应时间短、操作简单、接线方便等优点，其电源为AC 24 V或者DC 13.5 V～35 V，输出信号为DC 0～10 V，对应测量温度范围为0℃～+50℃或-35℃～+35℃，测量湿度范围为0～100%，符合本系统要求，接线图见图3。

图3 QFA2060接线图

2.4 光检测模块

系统对于光照的监测采用亮度传感器，E5031PE是一款室内型亮度传感器，具有体积小、美观等优点，主要用来对室内亮度进行监测。E5031PE将监测到的数据传送给PLC分析、处理，并根据处理结果控制室内灯光的亮度[5]，E5031PE的工作温度为0℃～45℃，探测角度180度，亮度感应范围20 lx～3000 lx，亮度调节范围40 lx～1600 lx，既能够一次调节多个灯的开关，也能够与调光式电子镇流器搭配控制室内亮度。

2.5 气体检测模块

气体检测模块主要针对室内气体进行检测。该系统选用烟雾传感器MQ-2和天然气浓度传感器MQ-5作为气体检测模块分别对室内烟雾浓度和天然气、液化气浓度进行监测。

MQ-2主要用来预防家庭失火等灾害的发生，用户可以先设置MQ-2传感器的检测范围，如果室内烟雾浓度超过这个范围，MQ-2就会向PLC发送一个信息[6]，PLC会根据结果判断是否有警情，PLC 与烟雾传感器之间的连接方式见图4。

图4 PLC与烟雾传感器连接方式

MQ-5气体传感器能够检测多种类型可燃气，其对可燃气体有很高的灵敏度，可兼顾检测丙烷、丁烷和甲烷等气体，尤其对天然气、液化气检测效果较好。[7]MQ-5传感器具有寿命长、成本低、驱动电路简单等优点，是一款特别适合该系统的气体传感器，当MQ-5传感器检测值达到某一临界值时，就会传送信息给PLC，然后由PLC发布警报，其电路图见图5。

图5 MQ-5传感器电路图

2.6 GSM 模块

PLC对移动终端的通信采用ATK-SIM900A 模块。ATK-SIM900A 模块是ALIENTEK公司推出的一款高性能开发板，此开发板上有 SIMCOM 公司的工业级双频 GSM/GPRS 模块，其工作频段为900 MHz 和1800 MHz，能够以低功耗实现语音、短信、数据的传输。[8]使用本模块能解决PLC与移动终端间的通信，如果发现警情，可以通过短信的形式发送到移动终端，移动终端也可以通过此模块发送命令给PLC，从而控制执行机构。

2.7 串口协议转换模块

PLC与GSM模块的通信采用串口协议转换模块MAX485。MAX485 是一个8引脚的芯片，它是一个标准的低功耗RS485收发器，PLC采用RS-485协议通讯，而SIM900A采用RS-232 协议通讯，所以，就需要借助串口协议转换模块实现PLC与GSM模块之间的通信。

3 系统软件的设计

3.1 PLC控制设计

针对西门子PLC S7-200芯片采用编程软件STEP7 MicroWIN V4.0对整个下位机进行编程，STEP7的编程方式有三种，本文将采用LAD(梯形图)对下位机进行编程[9]。程序编写、调试后，就可以下载到PLC中运行，从而实现PLC对各类硬件的控制。

3.1.1 软件设计步骤

根据整个系统的设计目的与要求，控制模式分为手动和自动两种，且需要完成对灯的亮度控制、窗帘的开关、空调的控制以及加湿器的控制等功能，系统流程图见图6。

图6 系统流程图

3.1.2 功能的实现

该系统的程序主要为温湿度的采集与控制、灯、窗帘的控制以及报警程序，系统的输入、输出分配表见表1、2、3。

表1 数字量输入分配表

表2 模拟量输入分配表

表3 输出分配表

该系统中温湿度、光照度、烟雾、天然气传感器采集的信息是模拟量，不能直接与PLC主机相连，需要通过模拟量扩展模块EM231转换之后，送入PLC中运行，然后输出结果。另外，各种智能家居或者传感器发生故障的情况下，系统也会报警。

3.2 移动终端软件设计

智能终端主要是手机，当家里出现警情的时候，PLC向智能终端发送信息，发出警报，用户也能通过智能终端的应用程序远程控制家中的智能设备。

该设计选择Android手机终端作为开发以及测试的设备，其具有成本低、可移植性好、可扩展性好、市场占有率高等优点。釆用的集成开发工具为Android Studio，其功能和控制台都得到了改进，界面更友好，能适应多种不同机型的开发与测试。

结 语

智能家居是未来发展的一个方向，可以为人们提供更优质的生活享受、更舒适的生活环境。该系统设计了一个以PLC为核心的智能家居控制系统，能够实现主控制器、智能终端、传感器等的互联，从而实现通过智能终端控制家电，并能对家中温湿度、有害气体等进行监测等功能。该系统成本低，稳定性好，但不足之处是只设计了一些基础功能，不能满足所有用户的需求，随着未来智能家居飞速发展，其功能还有待进一步增强。