謝偉航

（羅定市中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東羅定，527200）

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)智能家居奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，智能家居最初在美國出現(xiàn)，經(jīng)過若干年發(fā)展，逐步將住宅作為平臺，以建筑設(shè)備、智能家電等設(shè)備為控制對象，憑借網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)滿足現(xiàn)代化居住需求。在目前的階段，PLC 技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)優(yōu)化了設(shè)計(jì)思路，并產(chǎn)生巨大的影響，有利于人們準(zhǔn)確把握作息時(shí)間規(guī)律，便利了生活與工作。

1 PLC 簡介

PLC 核心是微處理器，是對工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)與設(shè)計(jì)的專業(yè)電子設(shè)備。PLC 實(shí)際是在工業(yè)控制中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)，利用可編程的存儲器邏輯運(yùn)算、定時(shí)控制工業(yè)系統(tǒng)，將命令傳遞給技術(shù)人員，在工業(yè)控制中可編程邏輯控制器是主要部分。

基于結(jié)構(gòu)分析PLC，可劃分為兩種：整體式與結(jié)構(gòu)式。其中，整體式的PLC，在相同機(jī)箱內(nèi)分裝全部系統(tǒng)組件，架構(gòu)見圖1。

圖1 整體式PLC 結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)式的PLC，在一個(gè)模塊中獨(dú)立封裝系統(tǒng)的全部組件，憑借數(shù)據(jù)服務(wù)總線連接各模塊通信工作。結(jié)構(gòu)見圖2。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上雖然整體式和結(jié)構(gòu)式的PLC 存在差異，但對各個(gè)組件卻發(fā)揮了統(tǒng)一作用。

第一，中央處理單元（CPU）。類似于一般的計(jì)算機(jī)，是PLC 的主要內(nèi)容。PLC 不同機(jī)型利用的CPU 也不一樣。其中，在工業(yè)小型CPU 中一般使用8 位通用與單片微處理器，通常僅包含一種。在工業(yè)控制中型PLC 主要是16 位通用與單片的微處理器，中型PLC 具體利用雙CPU 結(jié)構(gòu)達(dá)到實(shí)際需求；大型PLC 則是位片式微處理器，利用位操作改變PLC 編程語言形成機(jī)器語言，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的速率。

第二，存儲器?？梢宰x或?qū)懭我獾拇鎯卧?，斷電時(shí)容易發(fā)生丟失數(shù)據(jù)的問題；ROM 存儲器無法改寫，讀寫速度較慢，斷電時(shí)可以保存數(shù)據(jù)，具體放置在固定的系統(tǒng)軟件。一般都是生產(chǎn)商家提供PLC 系統(tǒng)程序，禁止用戶自行修改與操作，通常在ROM 存放。對于用戶程序，應(yīng)結(jié)合具體需求對程序積極調(diào)整，所以在RAM 中存放用戶程序，與電源系統(tǒng)科學(xué)配置可避免丟失數(shù)據(jù)。

2 PLC 智能家居系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)功能

智能家居控制系統(tǒng)集中電力線載波通信、無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，是具有人性化和一體化特點(diǎn)的智能控制復(fù)雜系統(tǒng)。把室內(nèi)變成平板電腦或智能手機(jī)，進(jìn)一步應(yīng)用在客廳、臥室、廚房和衛(wèi)生間，達(dá)到移動門禁功能的需求，幫助人們更好把握生活。

智能家居系統(tǒng)利用網(wǎng)關(guān)與廣域網(wǎng)接入，并在廣域網(wǎng)設(shè)計(jì)的專業(yè)網(wǎng)站與控制系統(tǒng)中，對合法用戶數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，發(fā)揮適合的功能，這是智能家居網(wǎng)絡(luò)之家。按照用戶的具體需求，基于PLC 設(shè)計(jì)智能家居控制系統(tǒng)功能見圖3。

圖3 智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)整體控制方案

自動控制：利用系統(tǒng)傳感器對房間內(nèi)各類數(shù)據(jù)測量，之后向控制裝置傳遞數(shù)據(jù)，PLC 計(jì)算與分析這部分?jǐn)?shù)據(jù)，并對比用戶預(yù)設(shè)的理想值。當(dāng)理想值存在偏差，PLC 命令有關(guān)執(zhí)行器動作。

手動控制：當(dāng)調(diào)到手動控制時(shí)，系統(tǒng)自行關(guān)閉自動控制，只有采集器繼續(xù)工作，實(shí)時(shí)采集房間全部數(shù)據(jù)。用戶利用顯示屏檢測房間內(nèi)數(shù)據(jù)，并手動調(diào)節(jié)有關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 控制系統(tǒng)的流程圖

3 PLC 智能家居系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上位機(jī)包括兩部分。監(jiān)督和控制平臺是由組態(tài)王操作，包括：用戶登錄、智能主控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)表、歷史報(bào)表、故障報(bào)警等。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見5。用戶開啟組態(tài)王軟件就可實(shí)時(shí)監(jiān)控家居環(huán)境參數(shù)，同時(shí)還可更改某些功能。如：開啟房間燈具、閉合窗簾、開關(guān)窗戶等。達(dá)到個(gè)人實(shí)時(shí)控制房間的目的。如用戶不滿意系統(tǒng)設(shè)置或想更改設(shè)計(jì)時(shí)，也可以到處組態(tài)王軟件上的參數(shù)曲線，為設(shè)計(jì)提供參考，更改有關(guān)參數(shù)。如系統(tǒng)某一程序發(fā)生錯(cuò)誤，室溫超過設(shè)計(jì)要求沒有開啟空調(diào)，早晨起床沒有及時(shí)打開窗簾，做完飯后忘記關(guān)閉天然氣等。故障報(bào)警系統(tǒng)會實(shí)時(shí)傳遞這部分錯(cuò)誤程序，提示用戶檢修系統(tǒng)。在報(bào)警中保存有關(guān)數(shù)據(jù)，便于用戶排查錯(cuò)誤，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。其次是西門子觸摸屏，具體設(shè)計(jì)有：主控界面、監(jiān)控?zé)艄饨缑?、?shí)時(shí)監(jiān)控溫度和窗簾、故障報(bào)警等。上位機(jī)引入觸屏界面是幫助用戶檢測整個(gè)系統(tǒng)，從而輕松操作系統(tǒng)。

圖5 智能家居控制系統(tǒng)的上位機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)下位機(jī)方面涉及硬件與軟件的設(shè)計(jì)和選型。硬件設(shè)計(jì)包括：PLC 控制器和有關(guān)擴(kuò)展模塊的選型、監(jiān)控房間數(shù)據(jù)應(yīng)用的傳感器和執(zhí)行其傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)選型等。當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，房間內(nèi)的傳感器會想PLC 控制器傳輸采集的數(shù)據(jù)，并由PLC 統(tǒng)一處理和計(jì)算這部分?jǐn)?shù)據(jù)。按照用戶要求對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳輸所需數(shù)據(jù)，進(jìn)一步智能化控制房間的燈、窗簾、溫濕度等。在軟件方面，利用西門子編程設(shè)計(jì)控制家居系統(tǒng)。通過RS-485 總線連接上位機(jī)和下位機(jī)，進(jìn)一步檢測房間內(nèi)的全部數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)節(jié)房間內(nèi)數(shù)據(jù)。

4 PLC 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 模塊工作控制原理

在硬件系統(tǒng)中控制模塊是核心，比如智能防盜門的開關(guān)控制，首先關(guān)閉防盜門，用戶想開門時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)開門的訊息，向PLC 控制中心傳遞，PLC 通過對比預(yù)設(shè)的程序邏輯，發(fā)送開門命令，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞，順利產(chǎn)生開門動作。同時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳輸，如此完成防盜門智能開門動作。同時(shí)傳感器對門的位置監(jiān)測，向控制中心傳輸位置信號，經(jīng)過邏輯分析，如符合設(shè)定位置，電機(jī)工作終止，反之則持續(xù)開門動作，達(dá)到規(guī)定要求為止。其次，如人們開門不正確，可立即發(fā)送報(bào)警信號，符合人們對居住環(huán)境的要求。要想達(dá)到這個(gè)要求需合理選擇硬件。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行的流程

4.2 智能采集模塊設(shè)計(jì)

防盜門智能采集模塊通常使用CSS 14-34-S-D-N-ST 設(shè)備對門外的光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，獲得相關(guān)的安全數(shù)據(jù)，大多數(shù)情況將A/D作為轉(zhuǎn)換接口，同一塊芯片集中全部總線接口，同時(shí)可接受2.4～5.5V 的外接電源。該模塊關(guān)鍵作用對門外信息有效采集，并轉(zhuǎn)換采集的信息產(chǎn)生不同強(qiáng)度的信號，向CPIL 控制中心傳遞信息，再通過控制中心分析反饋信號，之后向采集模塊傳輸分析結(jié)果。

表1 常見傳感器采集設(shè)備參數(shù)

4.3 電源模塊設(shè)計(jì)

由于PLC 系統(tǒng)均使用穩(wěn)壓直流電源，首先要整流穩(wěn)壓處理接入的電流電源，保證處理后電壓穩(wěn)定。電源模塊實(shí)際工作流程見圖7。

圖7 電源模塊工作過程圖

4.4 硬件系統(tǒng)工作流程

用戶發(fā)出指令，經(jīng)過模塊處理，獲得一個(gè)完整的指令。在PLC 機(jī)中短暫存儲，直到PLC 控制器審核指令結(jié)束后，向執(zhí)行器傳輸完成硬件系統(tǒng)工作。

5 基于PLC 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 應(yīng)用層功能

將PLC 模塊軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)用層劃分七個(gè)部分，分配與獲取EUI 地址，控制端判斷發(fā)出命令；應(yīng)用層數(shù)據(jù)組幀；向NET 層或PHY 層發(fā)送數(shù)據(jù)；獲取下端數(shù)據(jù)；處理應(yīng)用層數(shù)據(jù)并向控制端傳遞數(shù)據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，應(yīng)用層首先處理EUI 地址分配與獲得代碼，之后轉(zhuǎn)換至空閑操作狀態(tài)，如控制端向電力線發(fā)送數(shù)據(jù)，則應(yīng)用層對控制端命令實(shí)施解析；應(yīng)用層數(shù)據(jù)組幀向NET 層或PHY 層發(fā)送數(shù)據(jù)；如發(fā)送數(shù)據(jù)成功或超時(shí)，則應(yīng)用層重回空閑狀態(tài)。

應(yīng)用層接收電力線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，首先對NET 層或PHT層發(fā)送數(shù)據(jù)事件科學(xué)查詢；其次是接收數(shù)據(jù)；在應(yīng)用層對數(shù)據(jù)解析；向控制端上報(bào)數(shù)據(jù)，應(yīng)用層跳轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)。

5.2 通信協(xié)議

電力信號采用TCP/IP 協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)密鑰認(rèn)證制度進(jìn)行傳輸，在不同智能家居設(shè)備之間傳輸信號時(shí)，結(jié)合相同的通訊協(xié)議與秘鑰連接達(dá)到通訊目標(biāo)。按照通信芯片應(yīng)用層協(xié)議格式，修改產(chǎn)生達(dá)到系統(tǒng)要求的協(xié)議幀結(jié)構(gòu)。

表2 協(xié)議格式

起始符代表信號開始；地址域采用12 位十進(jìn)制數(shù)，地址域與物理層信道沒關(guān)系，每個(gè)設(shè)備都有單獨(dú)12 位通信地址；控制碼包含傳遞信號方向、應(yīng)答信號標(biāo)志、后續(xù)幀標(biāo)志等；數(shù)據(jù)域長度代表數(shù)據(jù)域字節(jié)數(shù)量；數(shù)據(jù)域包括密碼、數(shù)據(jù)、操作者代碼等；校驗(yàn)碼主要是校驗(yàn)信息，結(jié)束符代表結(jié)束幀信息。

5.3 設(shè)備接入方式

智能家居系統(tǒng)有兩種不同的設(shè)備接入方式；第一種是在設(shè)備與終端預(yù)留接口，連接信號線時(shí)新設(shè)備自行發(fā)出注冊指令，終端獲得指令后將協(xié)議自動發(fā)送新設(shè)備，幫助新設(shè)備自行組網(wǎng)。第二種是將按鍵設(shè)置在新設(shè)備上，新設(shè)備自主憑借電力線傳輸注冊信息，終端服務(wù)設(shè)備將確認(rèn)注冊信息回傳，如雙方產(chǎn)生統(tǒng)一的注冊信息，則自行完成組網(wǎng)操作。

6 結(jié)束語

智能家居PLC 控制系統(tǒng)可達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，對有關(guān)人員來講，在未來工作中需整體了解智能家居PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行要求，對其基本特點(diǎn)綜合把握，從多個(gè)角度著手，對PLC 控制系統(tǒng)不斷改進(jìn)，使其更好達(dá)到智能家居使用要求，從而提升智能家居的技術(shù)水平。