摘 要智能家居系统采用电子传感技术、计算机技术和信息传输技术对用户提供全方位的服务同时对住房内情况进行实时监控和管理。它包括家庭内部信息传输系统、家庭报警、显示系统及智能传感/执行设备等几个部分。本文所做的智能家居控制系统包括室内信息智能监控功能、输入与实时显示功能、智能报警和通讯报警等。本文将整个系统分为主机部分和分机部分以PLC可编程控制器为主控器件两部分之间通过无线通讯模块进行数据交换本系统主要包括智能照明模块、温湿度传感器、窗帘控制模块、危险烟雾气体传感器、报警模块。主要实现了以下功能智能照明、温度湿度的监控、窗帘的控制以及危险烟雾和气体的报警。温湿度过高时系统反馈到窗帘控制模块打开窗帘通风降温排湿。检查到危险烟雾和气体时系统报警提醒室内人员并开窗通风排除危险烟雾和气体。当有人进入家门通过系统智能照明。整个系统将PLC控制系统应用于智能家居中能够显著提高控制的可靠性简化外部线路和内部控制结构能够实现系统控制功能的转变和增加同时能够自动完善故障的检测和报警有助于系统的安全稳定运行。关键词PLC可编程控制器智能家居温湿度检测远程控制烟雾检测AbstractThe smart home system uses electronic sensing technology, computer technology and information transmission technology to provide users with all-round services, and at the same time to monitor and manage the situation in the house in real time. It includes the internal information transmission system, home alarm, display system and intelligent sensing/execution equipment.The intelligent home control system in this paper includes intelligent monitoring function of indoor information, input and real-time display function, intelligent alarm and communication alarm. In this paper, the whole system is divided into the host part and the extension part, with PLC programmable controller as the main control device, and data exchange between the two parts is carried out through wireless communication module. The system mainly includes intelligent lighting module, temperature and humidity sensor, curtain control module, dangerous smoke gas sensor, and alarm module. The main functions are as follows:(1) Intelligent lighting, temperature and humidity monitoring, curtain control and dangerous smoke and gas alarm. When the temperature and humidity are too high, the system will feed back to the curtain control module to open the curtain for ventilation, cooling and dehumidification.(2) When dangerous smoke and gas are detected, the system will give an alarm to remind the indoor personnel and open the window for ventilation to eliminate dangerous smoke and gas. When someone enters the house, intelligent lighting is provided through the system.The whole system applies PLC control system to smart home, which can significantly improve the reliability of control, simplify the external circuit and internal control structure, realize the transformation and increase of system control functions, and automatically improve fault detection and alarm, which is conducive to the safe and stable operation of the system.Keywords: PLC programmable controller; Smart home; Temperature and humidity detection; Remote control; Smoke detection目 录摘 要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 课题研究背景及意义 11.2 国内外智能家居的现状与发展趋势 11.2.1 国内外智能家居的发展现状 11.2.2 智能家居的发展趋势 21.3 课题研究内容 3第2章 研究技术概述 42.1 传感技术 42.2 PLC 42.3 上位机 62.4 组态软件 6第3章 智能家居控制系统的设计 83.1 总体方案设计 83.2 主机系统的硬件设计 83.3 液晶显示模块 93.4 声光报警 113.5 电机控制模块的设计 123.6 传感器 12第4章 系统的软件设计 154.1 软件开发环境的介绍 154.1.1安装STEP 7-MWIN32 V4.0 154.2 液晶显示 174.2.1系统参数设置 184.3 组态仿真 194.3.1组态软件概述 194.3.2组态王的介绍 194.3.3组态画面的建立 204.3.4创建项目 204.3.5建立主画面 224.3.6建立数据报表 23第5章 系统的抗干扰能力设计 255.1 PLC系统硬件的抗干扰 255.2 PLC系统软件的抗干扰 25第6章 结论 27致 谢 28参考文献 29第1章 绪论1.1课题研究背景及意义随着人们生活水平的不断提高人们不断的对居住环境提出更高的要求越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利因此从市场需求的角度看智能家居必然是前景广阔[1]。在我国的智能市场上主要呈现出以下几个特点没有统一的行业标准各大、中、小厂家各自为政种类繁多且互不兼容的产品充斥市场形成春秋战国时代诸侯争霸的分割局面。厂家多集中在东部沿海地区且没有形成规模化生产产品销量不大与国外产品相比品牌的影响力远远不够。[1]沿海经济发达地区和内地大中城市的市场活跃人们大多接受智能家居的概念北方和西部地区则逊色许多但是市场潜力巨大。实际生活当中的家居智能化与理想的智能化差距甚大。随着未来几十年的蓬勃发展将使智能化家具系统的应用越来越广泛。对于智能化家具的研究将在理论上推动智能化技术在家具领域的纵深发展并为各类智能化家具新产品的设计与开发提供一定理论依据产生一定的经济效益和社会效益大大丰富并充实了家具系统理论。到目前为止国内外尚未有学者进行智能化家具的系统研究因此以此作为主要研究内容具有现实指导意义。1.2国内外智能家居的现状与发展趋势1.2.1国内外智能家居的发展现状人类在追求高度物质文明的同时更加追求环境绿色化、生活信息化。安全、舒适、方便、现代的家居环境已成为 21 世纪居家生活的象征。进入 21 世纪日新月异的现代科技的力量打破了传统的时空界限计算机网络和层出不穷的信息技术改变了人类的生产、生活方式科技正以超乎想象的速度深刻地影响着人类的思维模式和生存状态。住宅作为人类生存的物质基础必将受到信息技术的冲击和影响传统住宅己不能满足现代社会对其使用功能及其所能提供的环境的更高要求未来住宅应是高科技与传统技术的有机融合体不仅功能齐全、居住舒适、使用方便而且安全节能有益人类健康和自然生态环境[2]。目前智能技术在家具行业中已经得到初步应用一些智能化家具的雏形或前期产品己经出现。国外如爱尔兰的兰开斯特大学与苏黎世、德国、瑞典及芬兰等学府合作开发了一系列“智能家具”。用“智能沙发”可以开启电视机、激活电话录音机还可以认出是谁坐在沙发上懂得说欢迎辞甚至根据输入的程序自动唤醒躺在特定位置的病人。“智能书架”会在负荷过重时做出投诉“智能药品柜”会在药物过期时发出警告。美国纽约现代博物馆展馆中央放着一张智能化桌子里面装了多个芯片及多个网络接入点通过感应手的动作控制有信息装置的特定物体。德国乌尔姆大学的一个研究小组研制出了一种智能轮椅它是通过一个高度发达的导航系统实现的这一系统利用它的传感器和激光仪连续不断地搜索其周围的障碍物利用一个小型计算机分析出如何选择穿过人群的路线。这种轮椅能自动穿过拥挤的火车站大厅而不会与人相撞。[2]我国在智能化家具方面也作了一些初步探索有些先进家具企业也开发了一些简单的智能化家具产品。智能化家具必然是世纪发展的趋势。例如深圳市大富豪实业发展有限公司正以“富之岛•小狗第一”的旗帜在国内率先推出了智能婴儿床能在婴儿尿床时立即发出温馨警报、能够定时自动弹起的懒汉床、能够接受声音指令的智能按摩床、能教人化妆的梳妆台等等众多新款智能家具。这些家具之所以具有智能除了传感器和硬件控制电路以外PLC发挥了大脑指挥作用。[3]总之我国的家具智能化水平还处在起步和尝试阶段具体表现在基础比较薄弱、技术含量低等方面。国内家具智能化的研究仅仅停留在概要性论述和一些简单产品开发的层面上缺乏系统的理论研究有待于进一步开发设计。1.2.2智能家居的发展趋势我们都知道智能家居目前已取得了初步的成功但是离“智能化”还有很长的距离智能家居的发展趋势有以下几个方向1.网络化每一个大大小小的家电都有固定的网络地址可以随时控制网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势是智能家居的一个重要条件。2.智能化、人性化随着人工智能的不断发展和机器人的出现,使得智能化不再是一个神话智能化是智能控制发展的必然趋势。因此家居的智能化也必然向智能化方向发展智能家居是IT技术(特别是计算机技术)、网络技术、控制技术)向传统家电产业渗透发展的必然结果。智能化应服务于人们的生活因此应更全面、更富有人性化因此也是智能家居未来的一个发展方向。[4]3.节能环保智能化的本质之一是降低成本和提高效率,节能是降低成本的关键技术绿色、环保、节能将成为未来家居的重要考核指标,甚至是首要考虑因素。在住宅实现了基本智能化后绿色生态住宅成为必然的追求目标。提高生活环境的质量这些也是其未来发展必须考虑的因素。4.一体化未来的家居智能化将实现自动化管理、安全防范监控、火灾报警、对讲呼叫以及设备监控等多种功能的集成以降低成本并提升用户体验。这一趋势将会成为未来家居智能化领域的主要发展方向。5.规范化、标准化由于智能家居发展较晚新技术、新产品层出不穷标准和规范还在制定之中规范化、标准化是智能家居快速发展走入国际市场的必由之路。6.成本低廉化1.3课题研究内容PLC是一种广泛应用于工业控制领域的计算机控制模式。它采用通用或专用的CPU处理器能够实现基本的运算和存储功能。与传统的连线元件和活动元件控制方式相比PLC的连线要求较低使用的连线量少维修简单快捷。在设计过程中PLC采用了信息保护恢复、故障诊断、断电保护、冗余设计等模式提高了系统的可靠性和稳定性。此外PLC操作和编程过程相对简单编程语言发生错误率较低能够实现存储器内容的可靠保护。这些优点使得PLC在工业控制领域得到广泛应用。在软件设计中采用了软件自诊断、简化编程语言、软件虑波等编程处理方式软件系统可靠性强。PLC能够进行程序的输入和更改技术人员可以依据所需的地址依据节点及时寻找更改位置能够提高更改效率。利用系统的自诊断功能能够在发生故障的情况下及时诊断有助于控制人员确定故障位置提高维修的效率。另外PLC采用了信息保护恢复、故障诊断、断电保护、冗余设计等模式具有较高的可靠性和稳定性。连线要求较低使用的连线量少维修简单快捷。[5]本次设计研发的是一款方便、智能的家居系统能够连接网络检测室内气温、室内湿度等并在 LCD 液晶屏上实时显示根据不同的气温给出最优搭配。第2章 研究技术概述2.1 传感技术传感器技术是一种将感知信号转换为可读取的电信号或数字信号的技术。传感器可以测量和监测物理量、化学量和生物量等不同类型的参数。随着科学技术的不断发展传感器技术已经被广泛应用于许多领域如自动化控制、环境监测、医疗健康、智能家居等。传感器技术的主要组成部分包括传感器元件、信号调理电路和信号输出电路。传感器元件是传感器的核心部件可以将被测量物理量转换为电信号。信号调理电路可以对传感器元件的电信号进行放大、滤波、线性化等处理使得信号能够更加稳定和可靠。信号输出电路将处理后的信号输出到计算机或其他设备以供处理和分析。传感器技术的应用范围广泛。例如温度传感器可以用于测量物体的温度应用于热管理、热处理、医疗和食品加工等领域。湿度传感器可以测量空气中的湿度应用于空调、加湿器、干燥机等领域。压力传感器可以测量气体或液体的压力应用于自动化控制、航空航天、汽车工业和医疗设备等领域。光学传感器可以测量光线的强度、颜色和波长应用于光学测量、光学通信、医疗诊断和智能家居等领域。生物传感器可以检测生物分子和细胞的信息应用于医疗保健、生物技术、环境保护等领域。总之传感器技术是一项非常重要的技术对于推动现代科技的发展和人类社会的进步具有重要作用。2.2 PLC在20世纪60年代的汽车制造业传统继电接触器控制装置广泛应用于生产流水线的自动控制系统中。这套装置设备体积庞大可靠性差同时维护不便而且完全由逻辑硬件构成接线十分复杂。一旦生产过程某一环节发生改变控制装置就要重新设计改造。随着汽车生产工业的迅猛发展对于汽车型号频繁改进传统控制系统捉襟见肘弊端日益放大最终PLC 应运而生。它开创性地引入程序控制功能使计算机科学技术进入工业生产控制领域应用。可编程控制器从诞生到现在经历了四次更新换代见表2-1。表 2-1 可编程控制器功能表代次 器件 功能第一代 1位处理器 逻辑控制功能第二代 8位处理器及存储器 产品系列化第三代 高性能8位微处理器及位片式微处理器 处理速度提高向多功能及联网通信发展第四代 16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器 逻辑、运动、数据处理、联网功能的多功能早期PLC仅仅是替代继电器控制装置完成顺序控制、定时等任务但是其简单易懂、安装方便、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用的特点使得PLC很快就得到了推广应用。国际电工委员会IEC对PLC的正式定义“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统专为工业环境应用而设计它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟或输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”PLC可编程逻辑控制器的组成形式通常包括以下几个方面CPU中央处理器负责PLC系统的整体控制和运算以及对输入输出设备的控制和调度。CPU通常由通用或专用的微处理器组成。内存用于存储PLC程序和数据包括RAM随机存取存储器和ROM只读存储器。RAM通常用于存储运行时的数据和程序ROM用于存储固化程序。输入模块用于将外部传感器、开关等装置的信号转换为数字信号输入到PLC中通常包括数字量输入模块和模拟量输入模块。输出模块用于将PLC中处理的信号输出到外部执行元件如电机、灯、气缸等通常包括数字量输出模块和模拟量输出模块。编程器用于编写、修改、上传和下载PLC程序通常包括专用的软件和连接设备。通信接口用于与其他设备进行数据交换和通信包括串行口、并行口、以太网口等。电源为PLC提供电源供应通常为AC或DC电源。总之PLC的组成形式主要由CPU、内存、输入输出模块、编程器、通信接口和电源等部分组成。每个部分都起着重要的作用共同协作完成PLC的功能。其构成如图2-1所示。图 2-1 PLC的组成PLC可编程逻辑控制器技术自1970年代初问世以来经历了近半个世纪的发展已经成为工业控制领域中最重要的技术之一。以下是PLC技术发展的几个重要阶段第一代PLC1970年代初期第一代PLC由美国Modicon公司开发主要应用于汽车和机床等领域。它们采用了离散元件技术用电气继电器实现逻辑控制具有简单、可靠、易维护等特点。第二代PLC1980年代第二代PLC采用了LSI集成电路技术能够实现更复杂的控制任务。同时它们的体积更小、可靠性更高、运算速度更快支持多种编程语言。第三代PLC1990年代第三代PLC在处理器、存储器、输入输出接口等方面实现了进一步的升级和改进同时支持了更多的通信协议和网络技术可以与其他设备进行更方便、高效的数据交换和通信。[8]第四代PLC2000年代至今第四代PLC主要以功能更加丰富、集成度更高、安全性更强、易用性更好等方面的改进为主。例如它们支持了更多的安全控制功能如安全继电器、安全输入模块等可以更好地保障工业生产过程中的安全。随着工业自动化程度的不断提高和技术的不断进步PLC技术也在不断演进和创新未来的PLC技术将更加智能、高效、安全为工业控制和自动化带来更多的价值和机遇。2.3 上位机即便远离生产现场操作人员仍可以通过远程计算机—即上位机—直接向生产设备发出控制指令的。上位机屏幕上可以动态实时显示各种信号变化液压水位温度等便是人机界面Human Machine Interface。而下位机是获取设备状况及直接控制设备的计算机一般是PLC或PLC。2.4 组态软件组态软件处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境使用灵活的组态方式为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态软件出现之前工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI人机接口软件应用开发时间长、效率低、可靠性差或者购买专用的工控系统通常是封闭的系统选择余地小往往不能满足需求很难与外界进行数据交互升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能构建一套最适合自己的应用系统。随着工业自动化水平的迅速提高计算机在工业领域的广泛应用种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时一旦工业被控对象有变动就必须修改其控制系统的源程序导致其开发周期长已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低导致它的价格昂贵。通用工业自动化组态软件能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态完成最终的自动化控制工程。