曾 胜,戴贤君,王 兵,黄 贞
(1.皖江工学院 电气工程学院,安徽 马鞍山 243031;2.中国计量大学 生命科学学院,浙江 杭州 310018;3.安徽工业大学 电气信息工程学院,安徽 马鞍山 243002)
1.1 智能家居的研究
智慧家庭[1],是一个集楼宇设备、网络通讯、信息家电和设备自动控制为一体的系统[2]。系统、结构、服务、管理,为您营造高效、舒适、安全、便捷和环保的居住空间。建筑除了保留了原有的住宅功能外,还从原来的“消极”状态转变为“积极”的“智慧”状态[3]。智能家庭不仅给人们带来了信息交换的综合功能,而且也优化着人们的生活方式和环境,从而使人们可以有效地分配时间,节省能源。伴随着世界范围的智能家庭不断推广,智能家庭于上世纪末悄悄进入了我国市场。这些年来,智能家庭反复且频繁地出现在设计媒体上,已经家喻户晓。智能家庭管理系统包括综合布线、利用网络通信和安全措施等技术,是将家庭生活中出现的相关的各种子系统相结合的系统。这个系统增加了家庭的便利性、舒适性和安全性。在智能家庭生活中,各种操作系统、硬件装置、开发者、网络资源,都是智能家庭中不可缺少的一部分[3]。想实现智能家庭管理,首先需要在家中建立通信网络,可以方便对各种网络节点设备的控制和监控。随着视觉在智能家庭产品中的广泛应用,未来的家居智能视觉将不再局限于家庭安全场景的个体链接,而是专注于创建基于视觉能力的自主多场景连接,实现智能家庭产品的主动感应和识别以及信息共享,达到全屋智能的能力,也根据用户的喜好给予相关服务,促进产业转型创新。智能家庭管理系统确保了居民的安全、便利和舒适,以及能源效率和环保的生活环境[4]。
1.2 国内外研究现状
美国于1884年率先把这一幻想付诸实践。20世纪80年代,美国的联合技术公司才将这一概念付诸实践。尽管智能家庭行业在国内外已经经历了多年的发展,推出了许多智能家庭产品,但是还没有一款产品能够满足普通家庭的需求,因此智能家庭的各个方面都需要进行改进[5]。
1.2.1 国内研究现状
在发达国家,特别是在美国、日本和韩国等拥有先进电子产品的国家,智能家居非常广泛和流行。在中国,起步相对较晚,但发展很快,有很多制造商和各种各样的产品。国内智能家居的发展分为以下四个阶段:第一阶段在20世纪末,整个市场还处于对于智能家居的概念不清,这个时候国内没有生产商和经销商,只有在沿海地区有几个美国智能家居的代理商,也主要卖给在中国的欧美用户。第二阶段是21世纪初期,受国外智能家居的影响,国内也在上海、北京、南京、广州等地开设了智能化家居的研发和销售企业。第三阶段由于上一阶段开设的智能家居企业过多,而市场对于智能家居行业抱保守的态度,加上部分厂商夸大智能家居的实际功效,给智能家居领域带来很大的负面影响,这一阶段,大部分厂家都陷入销售不利的局面,短短两三年就有20多家智能家居生产商退出这一市场。第四阶段则是在2010年以后,随着各项技术的发展,智能家居的设备得到了急速的发展,且受房地产行业的宏观调控,智能家居放量增长,迈入了高速发展时期,行业内部的各项标准开始形成,行业并构成主流。纵观智能家居生产的各个方面,像海尔这样的龙头企业相对较少。
在智能化互联网化的市场背景下,智能家居监控行业步入了一个快速发展的时期,在国家相关政策和各地要求的布局下,我国已启动智慧城市建设,目前正在建设的智慧城市已经有很多个。随着全国各地智慧城市的建设,相关的市场规模可能会扩至千亿,甚至万亿[6]。我国在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》把建设智能化小康型示范小区列为国家着重发展项目,国家投资了15亿支持项目实施[7]。2000年,我国在小康城市和农村住宅项目实施方面,将智能化示范园区纳入国家大力推动发展的项目,这使得我们国家的智能建筑从智能大楼的建造向智能住房的建造转变,发展成为智能家庭的建造。在2006年8月25日于北京举行的“世界智能家庭峰会”上,与会的多位专家学者就中国家庭智能家庭的发展趋势进行了探讨。在有关专家看来,中国的家庭智能系统虽然已初具规模,但还远远没有规划中那么美好。金额和数量有着非常大的增长趋势,但工程的质量却很是一般,因此要意识到我国智能家居还有非常大的发展与前进的空间[8]。中国的智能家居市场正处于蓬勃发展的阶段,然而,高昂的用户成本和操作系统的高度复杂性却是一项不可避免的挑战。同时,智能家居也面临着安全问题、隐私泄露以及用户体验不佳等方面的风险。为了应对这些挑战,必须探索可行的途径,以使广大民众能够充分享受智能家居所带来的便捷和易用性。
智能家居现在正被广泛地运用在各个领域,如住房、汽车工业、医疗保健等。若智能家居系统得到社会的广泛认可,则在不远的将来,智能家居将成为家居生产的主流,引领着人们进入智能时代[9]。国内外科研者对智能家庭管理有着较深入的研究,大企业通过自身掌握的资源优势,开发出可实用的家庭管理系统。我国对这项研究和开发始于20世纪末,经过几十年的发展,我国对家庭能源的管理系统的研究也在日趋成熟。
1.2.2 国外研究现状
1998年的5月新加坡举办的“98亚洲家电及电子消费品国际展览”上展示了“新加坡模式”的家庭智能化系统[10]。截至2000年,新加坡已经有近30个地区约5 000户安装了“家庭智能系统”,美国已有40 000户使用了这种类型的“家庭智能系统”[11]。利用互联网技术,将四大元素:家庭自动化、信息家电、安全设施以及娱乐资讯,融入一个完善的、基于互联网的智能家居控制系统中。智能家居在发达国家应用广泛,非常受欢迎,尤其是在美国、日本和韩国等先进电子产品中。随着首座智能化大厦的建成,美国、韩国、日本、欧洲等国家的企业纷纷投入智能家居的研发,并且提出了一系列有效的解决方案,以满足当地的需求。一段时间以来,美国和一些欧洲国家在这一领域一直引领着智能家居的发展。
2.1 系统总体设计思路
基于PLC的智能家庭管理控制系统能够实现对智能家居设备的远程控制,使用成熟可靠的传感器和控制器,实现低成本、易于使用的智能家庭管理控制系统,确保智能家庭管理系统的兼容性和可扩展性,并降低智能家庭管理控制系统的成本[12]。同时,系统可以提升生活的便利性,该系统采用PLC技术对家居控制,实现了内部网络的信息互换,外部信息的交流和数据共享,主机控制收集城市中的电器状态信息,控制系统控制整个住宅的电器,控制面板控制整个住宅的图像和信号,因此控制面板是整个系统的核心,涵盖了各类技术[13]。智能家居控制系统将电力线载波、无线传输和网络传输等技术结合起来,形成了一个复杂的,具有人性化的综合智能控制系统。把室内变成移动端,进一步应用在整个家庭的各个空间中,帮助人们更好地把握生活。
因此,设计了一个通过触摸屏以实现智能窗帘开合、智能照明、智能洗衣机、智能车库、智能中央空调和烟雾危险报警器基本控制的基于PLC的核心处理器。在这个基础之上,作为PLC系统的上微机,负责PLC信息通信,完成了智能家庭系统的设备监控和本地控制功能,同时上位机也作为远程访问家庭系统的信息接入点。远程计算机在线和本地微机之间的信息互换交流,实现对智能家庭系统设备的访问和控制。让人们更容易管理电器,同时远程访问和监控家用电器,使数字化家庭更加人性化。经过模块的处理,用户所发出的指令得以转化为一个完整的指令。该命令包括执行指令、检测和记录信息,以及显示这些信息。在PLC控制下,该指令被暂时存储,直至经过PLC的检查并传输至执行器,从而完成硬件系统的操作。
2.2 系统的总体框架
系统的基本运行顺序由子系统之中的数据信息借助数据线输入到现场控制主机PLC之中,PLC的控制结构相对简单,无需繁琐的维护程序,且其结构坚固耐用,足以满足绝大多数用户的应用需求[14]。硬件的实现方案多种多样,能否达到功能齐全、价格低廉及安全使用是需要考虑的。智能家庭控制系统由PLC控制,主程序总体结构示意图如图1。
图1 总体结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the overall structure
PLC是一种专业的工业控制设备,有一个类似于计算机应用系统的硬件结构。一台PLC计算机由一个处理器、存储器(EPROM、RAM)、I/O单元、外围I/O接口、通信接口和电源组成。在集成PLC的情况下,这些部件都在同一个外壳中。传统的PLC硬件结构图如图2。
图2 PLC硬件结构图Figure 2 PLC hardware structure diagram
4.1 编程环境介绍
软件设计中,使用的是博途v16,它拥有高效的稳定性,采用了先进的编程技术和算法,能确保编程效率以及程序的稳定性,可扩展性强,支持多
种通信协议和硬件设备,可以方便地进行扩展和升级;该软件具有简单易用的用户界面,使用户们能快速上手并进行操作。博途v16有标准化以及高度集中的性能特点,拓展了许多崭新的功能,覆盖从规划工程到调试的每一个阶段。软件质量得到了大幅提升,同时也减少了调试次数和工程成本,使用户享受到更好的体验。
4.2 控制系统的设计
4.2.1 系统流程图
该系统提供了两种可供选择的控制模式,以满足您的个性化需求。手动模式和自动控制模式均可灵活的控制使用,既能满足不同用户对环境要求的差异又能实现多种功能,从而为人们生活带来更多便利。在自动模式下,系统能够探测到灯光、洗衣机、车库、空调、烟雾等设备的存在,并通过智能控制器对其进行智能管理[15]。按照系统要求,设计系统流程图,如图3。
图3 系统流程图Figure 3 System flow diagram
4.2.2 PLC的I/O分配表
I/O分配表是PLC的输入点和输出点地址名称的定义,先确认控制方案,然后开始对PLC的控制地址进行定义分配。一个合理的I/O分配表需要结合实际的工程需求,合理分配。
根据系统组成分析,下表为PLC的I/O点分配表,如表1。
表1 系统的I/O分配表
4.3 控制系统的PLC程序
根据控制系统的设计方案,运用PLC软件编写程序,将各个部分程序转换成相应的梯形图,并将其输入到编程软件中。
4.3.1 系统主程序控制
图4为智能家庭管理系统的系统原理图,通过原理图的设计可以看出其智能系统的先进性、全面性、便捷性,能够进行智能化控制。
图4 PLC主程序设计图Figure 4 PLC main program design diagram
4.3.2 控制系统的设计
智能家庭管理系统的接线图,PU是熔断保险器,能够因为控制电路电流过载而自动断开,防止电路短路。按照控制系统要求,原理图如图5。
图5 控制系统原理图Figure 5 Schematic diagram of control system
博途winCC可以直接进行程序仿真,编程用到西门子S7-1500,以达到更加真实的仿真效果,从而使计算机成为一台更加真实的PLC。本文以智能家庭管理系统为背景,采用面向对象技术实现了其主程序及各个子程序。对于智能家庭管理系统的主程序和各个子程序进行了调试,以纠正和调整程序设计中出现的错误。打开软件博途v16[16-17],打开源代码块进行检查,检测无误,安装完毕后,打开仿真软件,进行仿真实验,以下是智能家庭管理[18-19]控制系统的触摸屏的仿真界面。
1)触摸屏主界面,主界面有六个图标,分别为窗帘按钮、智能照明按钮、智能洗衣机模块、智能车库按钮、中央空调按钮和烟雾报警按钮。触摸屏主界面如图6。
图6 触摸屏主界面图Figure 6 Touch screen main interface diagram
2)先给时钟进行设置,模拟室内环境给予仿真程序一个室内当前的温湿度、年月日以及PM2.5的参数,并按下仿真开启按钮,即让系统在一个特定的状态进行仿真,以便后续进行程序调试。时钟设置界面如图7。
图7 触摸屏主界面图Figure 7 Touch screen main interface diagram
3)点击智能窗帘按钮,分为手动和自动两个模式,自动模式有一个定时开关,设置启动时间和停止时间,到达时间时就可以自动开合。手动模式时,直接按下屏幕打开与关闭按钮进行智能控制,触摸屏窗帘控制界面如图8所示。
图8 触摸屏窗帘控制界面图Figure 8 Touch screen curtain control interface diagram
4)点击智能照明按钮,分为手动和自动两个模式,自动模式是有一个定时开关,设置启动时间和停止时间,到达时间时就可以自动开关。手动模式时直接按下打开关闭按钮控制智能照明。打开状态下触摸屏照明控制界面如图9。
图9 触摸屏照明控制界面图Figure 9 Touch screen lighting control interface diagram
5)点击智能车库按钮,触摸屏直接远程控制车库门开合。按下开门按钮时,触摸屏车库控制界面如图10。
图10 触摸屏车库控制界面图Figure 10 Touch screen garage control interface diagram
6)点击智能洗衣机按钮,可以设置进水,洗涤,脱水,烘干的时间,触摸屏上会显示当前状态,也可以直接控制的启动和停止。给各个流程状态设置时间后,按下洗衣机启动按钮,此时触摸屏洗衣机控制界面如图11所示。
图11 触摸屏洗衣机控制界面图Figure 11 Touchscreen washing machine control interface diagram
7)点击中央空调按钮,可以直接在触摸屏上设置温度,温度低于设定值会自动调节,室内温度升高;温度高于设定值会自动调节,室内温度降低。当前室内温度为24 ℃,设定温度为25 ℃因此系统将进行自动升温。此时触摸屏空调控制界面如图12。
图12 触摸屏中央空调控制界面图Figure 12 Touch screen central air conditioner control interface diagram
8)当室内有危险烟雾进入时,室内的PM2.5参数将会有所改变,系统收到信息并发出警告,室内窗帘会自动打开,净化空气。此时触摸屏危险烟雾报警控制界面如图13。
图13 触摸屏危险烟雾报警控制界面图Figure 13 Touch screen dangerous smoke alarm control interface diagram
1)该系统的优势在于舒适,成本相对较低,虽然功能不多,但主要是为了满足和确保家庭安全。为了使得智能家庭管理安全得到保障,早上和下午自动打开和关闭窗户,自动照明、智能洗衣、烟雾警报可以实现,人们日常生活中由外部环境引起的问题可以在一定程度上得到解决。在该系统的试运行中,完全按照设计标准要求进行试产和检验,各项指标均达到设计要求。经实际应用和现场测试,各项的性能指标均达到设计要求。
2)在开发系统的硬件和软件时,采用了更先进的技术和创新的方法。与传统的设计方法相比,不同电气设备的控制方式存在一定的差异,但是基本控制顺序是一致的,即将电气设备的运行信息传入到PLC之中,再由PLC发送给远程控制终端,住宅拥有者在控制终端上发出相关的指令,控制终端将指令发送给PLC,再由PLC直接控制电气设备改变相关的运行参数。
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