智能家居用可编程序控制器设计

赫 亮，周 明，于 淼，连香姣

(1.北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京 100044；2.北京市建筑安全监测工程技术研究中心，北京 100044)

智能家居用可编程序控制器设计

赫 亮1,2，周 明1,2，于 淼1,2，连香姣1,2

(1.北京建筑大学机电与车辆工程学院，北京 100044；2.北京市建筑安全监测工程技术研究中心，北京 100044)

随着科技的发展和社会的进步，智能家居已经成为未来的发展潮流。传统的智能家居系统设计复杂，造价昂贵，不利于普及。本文开发了适用于智能家居控制用的可编程序控制器，可以方便地构造个性化的智能家居系统。

智能家居；可编程序控制器；无线通信

1 智能家居控制系统的现状

智能家居涉及到每个家庭，可以给人们带来舒适、安全、便捷、节能、健康的生活。目前智能家居发展的瓶颈就是系统造价过高，安装复杂，普通人家不愿承受，并且人们对家居的智能化需求多种多样，千篇一律的智能方案难以满足个性化要求。

智能家居近年来在实现功能上主要分以下几种：

1) 智能灯光控制：替代传统电源开关，用遥控等多种智能控制方式完成对住宅内所有灯具进行控制，实现不同灯光情景效果。

2) 智能电器控制：一类是通过将原来红外遥控器控制的普通家用电器转换为无线红外转化器来控制；另一类是直接用无线电信号去控制家用电器的电源插座。

3) 智能安防报警：为保障家庭设施和成员的平安而安装的一种防护和报警系统[4]，例如防盗报警、煤气泄漏报警以及火灾报警等。

4) 智能背景音乐：对各个房间都布置上背景音乐线，在一个或多个音源下，能够让每个房间都听到悠扬舒适的背景音乐。

5) 高清视频共享：一是信号源共享，将家庭中的电视信号通过HDMI音视频切换矩阵，分配到不同地方的多台高清电视机上；二是终端视频源设备(高清电视机)实现互联互通，任意一台电视机均可收看和切换任意高清视频源节目，并且不影响其他电视机。

6) 智能门窗控制：安装有先进的防盗、防劫、报警系统技术的门窗，其控制系统由无线遥控器、智能主机、门窗(窗帘)控制器、门磁传感器等组成。

7) 远程网络监控：通过网络进行远程监视和远程控制，一般在距离住宅较远的地方，利用电话座机、智能手机或者外部网络对家里的电器进行控制。

2 可编程序控制器在智能家居中的应用

可编程序控制器是现代工业自动化的三大支柱之一，设计方便、编程简单、开发周期短，是开发设计控制系统的理想控制器，目前广泛应用在工业控制、冶金、石油、化工、建材、机械制造、环保、文化娱乐等各行各业。从PLC问世至今，一直表现出强大的生命力和高速增长态势，在工业控制领域，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案。由于种种原因，国产品牌的PLC在国内PLC市场份额所占比例很小，一直没有形成产业化规模，中国目前市场上95%以上的PLC产品来自国外公司。目前中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、Ge-Fanuc等国际大公司，众多PLC的品牌中 ，西门子、三菱及欧姆龙占据绝对的优势，60%左右的用户使用了这些品牌的PLC产品，而Ockwell/ab、Ge-Fanuc和富士等品牌也占有相当的市场份额。PLC国产化具有十分重要的意义。

智能家居中的各种控制对象，如电灯的开关和亮度调节，电器的开关，门窗、空调的开启，都是大电压大电流的设备，非常适合利用可编程序控制器构成控制系统。而目前利用可编程序控制器作智能家居控制核心的系统还比较少见。笔者认为其中的重要原因之一就是目前的可编程序控制器一般不具有无线通信功能，而智能家居控制系统最重要的也是无线遥控功能。因此，开发出具有无线通信功能的可编程序控制器具有非常重要的现实意义。

3 可编程序控制器硬件设计

可编程序控制器硬件设计包括CPU电路设计、电源电路设计、输入电路设计、输出电路设计和通信电路设计五个部分。

如图1所示，CPU电路是由STC12C5A60S2单片机最小系统构成的，包括STC12C5A60S2单片机、晶振电路和复位电路。图2为输出电路，单片机P0口的输出经过光电耦合器，使单片机电路和后面的输出电路完全隔离，防止干扰，再经过驱动芯片ULN2803驱动输出继电器。

图1 CPU电路

图2 输出电路

图3为输入电路，共有8路输入，输入信号利用光耦电路与单片机主电路隔离开，能够有效去除干扰，保护CPU电路。图4为USB接口电路，常用的USB接口芯片有PDIUSBD12、PL2303、CH375等，其中PL2303价格便宜，可以实现串行通信，因此采用PL2303芯片，其1脚(TXD)和5脚(RXD)分别连到单片机的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)，实现单片机的USB通信，下载控制程序。

无线通信功能是可编程序控制器最重要的功能，可以很方便地实现无线遥控控制。常用的射频无线通信网络有RFID、ZigBee、Z-wave、蓝牙、Wi-Fi等，其中ZigBee、蓝牙和Wi-Fi应用最广。蓝牙通信简单易行，将蓝牙模块HC06的地线、RXD、TXD与单片机的地线、TXD、RXD相连接即可，可以和USB接口共用单片机的串口P3.0和P3.1，也可以使用单片机的第二串口P1.6、P1.7。串口Wi-Fi模块ESP8266和单片机的连接也很简单，也是将模块的VCC、GND、TXD、RXD和单片机的VCC、GND、RXD、TXD分别连起来。ZigBee网络的优点是功耗低，网络节点数多，如果构建ZigBee网络，可以使用ZigBeeSOC芯片CC2530代替STC12C5A60S2作为CPU电路的主控制器。目前市场上有将工业级网口和串口转换为无线ZigBee、Wi-Fi或蓝牙信号的适配器，而本设计直接将无线传输功能集成到PLC内部，使用非常方便。

图3 输入电路

图4 USB接口电路

4 可编程序控制器的软件设计

安装GUTTALadderEditor，它是一款用户可配置的PLC梯形图编程环境，它读取事先定义好的内存配置，指令集配置文件，提供梯形图的编辑环境。用户完成梯形图编辑后，将梯形图转换为指令表传递给PLC的CPU单片机。

可编程序控制器功能强大，抗干扰性强，稳定可靠，增加了无线控制功能模块后，可以方便地实现手机控制、数据传输等功能，安装方便，不仅适用于智能家居，还适用于工业控制、文化娱乐、市政设施等各种控制领域。

[1] 肖明耀.PLC创新制作技能实训[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2] 葛广英，葛青，赵云龙，等.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京：清华大学出版社，2015.

[3] 沈红卫.单片机通信与组网技术实例详解[M].北京：电子工业出版社，2014.

[4] 周雁冰.用ArduinoYun轻松DIY智能家居[J].无线电，2016(7-12)：219-222.

[5] 温喆，范亚斌.基于物联网的四网融合技术研究及其应用[M].长春：吉林人民出版社，2016.

TheDesignofProgrammableLogicControllerforSmartHome

He Liang1，2，Zhou Ming1，2，Yu Miao1，2，Lian Xiangjiao1，2

(1.SchoolofMechanical-ElectronicandVehicleEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044,China;2.EngineeringResearchCenterofMonitoringforConstructionSafety，Beijing100044,China)

With the development of science and technology，smart home is the growing trend in the future. The traditional smart home system is complex and expensive and it is difficult to popularize. This article develops a kind of programmable logic controller for smart home，it is convenient to design individuation smart home system.

smart home；PLC；wireless communication

2017-09-15

赫 亮(1972- )，女，黑龙江哈尔滨人，副教授，工学硕士，研究方向为机械电子工程。

1674- 4578(2017)06- 0003- 04

TU855;TP273.5

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