谢伟航

（罗定市中等职业技术学校，广东罗定，527200）

0 引言

计算机网络技术的发展为实现智能家居奠定了技术基础，智能家居最初在美国出现，经过若干年发展，逐步将住宅作为平台，以建筑设备、智能家电等设备为控制对象，凭借网络通信技术和自动控制技术满足现代化居住需求。在目前的阶段，PLC 技术应用在智能家居系统优化了设计思路，并产生巨大的影响，有利于人们准确把握作息时间规律，便利了生活与工作。

1 PLC 简介

PLC 核心是微处理器，是对工业生产开发与设计的专业电子设备。PLC 实际是在工业控制中应用的计算机，利用可编程的存储器逻辑运算、定时控制工业系统，将命令传递给技术人员，在工业控制中可编程逻辑控制器是主要部分。

基于结构分析PLC，可划分为两种：整体式与结构式。其中，整体式的PLC，在相同机箱内分装全部系统组件，架构见图1。

图1 整体式PLC 结构

结构式的PLC，在一个模块中独立封装系统的全部组件，凭借数据服务总线连接各模块通信工作。结构见图2。

在系统结构上虽然整体式和结构式的PLC 存在差异，但对各个组件却发挥了统一作用。

第一，中央处理单元（CPU）。类似于一般的计算机，是PLC 的主要内容。PLC 不同机型利用的CPU 也不一样。其中，在工业小型CPU 中一般使用8 位通用与单片微处理器，通常仅包含一种。在工业控制中型PLC 主要是16 位通用与单片的微处理器，中型PLC 具体利用双CPU 结构达到实际需求；大型PLC 则是位片式微处理器，利用位操作改变PLC 编程语言形成机器语言，提高了系统运行的速率。

第二，存储器。可以读或写任意的存储单元，断电时容易发生丢失数据的问题；ROM 存储器无法改写，读写速度较慢，断电时可以保存数据，具体放置在固定的系统软件。一般都是生产商家提供PLC 系统程序，禁止用户自行修改与操作，通常在ROM 存放。对于用户程序，应结合具体需求对程序积极调整，所以在RAM 中存放用户程序，与电源系统科学配置可避免丢失数据。

2 PLC 智能家居系统概述

2.1 系统功能

智能家居控制系统集中电力线载波通信、无线传输和网络传输技术，是具有人性化和一体化特点的智能控制复杂系统。把室内变成平板电脑或智能手机，进一步应用在客厅、卧室、厨房和卫生间，达到移动门禁功能的需求，帮助人们更好把握生活。

智能家居系统利用网关与广域网接入，并在广域网设计的专业网站与控制系统中，对合法用户数据库进行管理，发挥适合的功能，这是智能家居网络之家。按照用户的具体需求，基于PLC 设计智能家居控制系统功能见图3。

图3 智能家居控制系统结构图

2.2 系统整体控制方案

自动控制：利用系统传感器对房间内各类数据测量，之后向控制装置传递数据，PLC 计算与分析这部分数据，并对比用户预设的理想值。当理想值存在偏差，PLC 命令有关执行器动作。

手动控制：当调到手动控制时，系统自行关闭自动控制，只有采集器继续工作，实时采集房间全部数据。用户利用显示屏检测房间内数据，并手动调节有关数据。

图4 控制系统的流程图

3 PLC 智能家居系统上位机与下位机设计

3.1 上位机设计

本次设计的系统上位机包括两部分。监督和控制平台是由组态王操作，包括：用户登录、智能主控、实时监控、实时报表、历史报表、故障报警等。设计结构图见5。用户开启组态王软件就可实时监控家居环境参数，同时还可更改某些功能。如：开启房间灯具、闭合窗帘、开关窗户等。达到个人实时控制房间的目的。如用户不满意系统设置或想更改设计时，也可以到处组态王软件上的参数曲线，为设计提供参考，更改有关参数。如系统某一程序发生错误，室温超过设计要求没有开启空调，早晨起床没有及时打开窗帘，做完饭后忘记关闭天然气等。故障报警系统会实时传递这部分错误程序，提示用户检修系统。在报警中保存有关数据，便于用户排查错误，使系统正常运行。其次是西门子触摸屏，具体设计有：主控界面、监控灯光界面、实时监控温度和窗帘、故障报警等。上位机引入触屏界面是帮助用户检测整个系统，从而轻松操作系统。

图5 智能家居控制系统的上位机结构图

3.2 下位机设计

在设计下位机方面涉及硬件与软件的设计和选型。硬件设计包括：PLC 控制器和有关扩展模块的选型、监控房间数据应用的传感器和执行其传输数据的机构选型等。当运行系统时，房间内的传感器会想PLC 控制器传输采集的数据，并由PLC 统一处理和计算这部分数据。按照用户要求对这部分数据进行处理，并向执行机构传输所需数据，进一步智能化控制房间的灯、窗帘、温湿度等。在软件方面，利用西门子编程设计控制家居系统。通过RS-485 总线连接上位机和下位机，进一步检测房间内的全部数据，同时调节房间内数据。

4 PLC 智能家居系统硬件设计

4.1 模块工作控制原理

在硬件系统中控制模块是核心，比如智能防盗门的开关控制，首先关闭防盗门，用户想开门时，出现一个开门的讯息，向PLC 控制中心传递，PLC 通过对比预设的程序逻辑，发送开门命令，向执行机构传递，顺利产生开门动作。同时向执行机构传输，如此完成防盗门智能开门动作。同时传感器对门的位置监测，向控制中心传输位置信号，经过逻辑分析，如符合设定位置，电机工作终止，反之则持续开门动作，达到规定要求为止。其次，如人们开门不正确，可立即发送报警信号，符合人们对居住环境的要求。要想达到这个要求需合理选择硬件。

图6 系统运行的流程

4.2 智能采集模块设计

防盗门智能采集模块通常使用CSS 14-34-S-D-N-ST 设备对门外的光照强度进行采集，获得相关的安全数据，大多数情况将A/D作为转换接口，同一块芯片集中全部总线接口，同时可接受2.4～5.5V 的外接电源。该模块关键作用对门外信息有效采集，并转换采集的信息产生不同强度的信号，向CPIL 控制中心传递信息，再通过控制中心分析反馈信号，之后向采集模块传输分析结果。

表1 常见传感器采集设备参数

4.3 电源模块设计

由于PLC 系统均使用稳压直流电源，首先要整流稳压处理接入的电流电源，保证处理后电压稳定。电源模块实际工作流程见图7。

图7 电源模块工作过程图

4.4 硬件系统工作流程

用户发出指令，经过模块处理，获得一个完整的指令。在PLC 机中短暂存储，直到PLC 控制器审核指令结束后，向执行器传输完成硬件系统工作。

5 基于PLC 智能家居系统软件设计

5.1 应用层功能

将PLC 模块软件结构应用层划分七个部分，分配与获取EUI 地址，控制端判断发出命令；应用层数据组帧；向NET 层或PHY 层发送数据；获取下端数据；处理应用层数据并向控制端传递数据。

当系统运行后，应用层首先处理EUI 地址分配与获得代码，之后转换至空闲操作状态，如控制端向电力线发送数据，则应用层对控制端命令实施解析；应用层数据组帧向NET 层或PHY 层发送数据；如发送数据成功或超时，则应用层重回空闲状态。

应用层接收电力线传输的数据，首先对NET 层或PHT层发送数据事件科学查询；其次是接收数据；在应用层对数据解析；向控制端上报数据，应用层跳转为空闲状态。

5.2 通信协议

电力信号采用TCP/IP 协议与网络密钥认证制度进行传输，在不同智能家居设备之间传输信号时，结合相同的通讯协议与秘钥连接达到通讯目标。按照通信芯片应用层协议格式，修改产生达到系统要求的协议帧结构。

表2 协议格式

起始符代表信号开始；地址域采用12 位十进制数，地址域与物理层信道没关系，每个设备都有单独12 位通信地址；控制码包含传递信号方向、应答信号标志、后续帧标志等；数据域长度代表数据域字节数量；数据域包括密码、数据、操作者代码等；校验码主要是校验信息，结束符代表结束帧信息。

5.3 设备接入方式

智能家居系统有两种不同的设备接入方式；第一种是在设备与终端预留接口，连接信号线时新设备自行发出注册指令，终端获得指令后将协议自动发送新设备，帮助新设备自行组网。第二种是将按键设置在新设备上，新设备自主凭借电力线传输注册信息，终端服务设备将确认注册信息回传，如双方产生统一的注册信息，则自行完成组网操作。

6 结束语

智能家居PLC 控制系统可达到系统设计的实际要求，对有关人员来讲，在未来工作中需整体了解智能家居PLC控制系统的运行要求，对其基本特点综合把握，从多个角度着手，对PLC 控制系统不断改进，使其更好达到智能家居使用要求，从而提升智能家居的技术水平。