曾 勝,戴賢君,王 兵,黃 貞
(1.皖江工學(xué)院 電氣工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)
智慧家庭[1],是一個(gè)集樓宇設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息家電和設(shè)備自動(dòng)控制為一體的系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理,為您營(yíng)造高效、舒適、安全、便捷和環(huán)保的居住空間。建筑除了保留了原有的住宅功能外,還從原來的“消極”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺e極”的“智慧”狀態(tài)[3]。智能家庭不僅給人們帶來了信息交換的綜合功能,而且也優(yōu)化著人們的生活方式和環(huán)境,從而使人們可以有效地分配時(shí)間,節(jié)省能源。伴隨著世界范圍的智能家庭不斷推廣,智能家庭于上世紀(jì)末悄悄進(jìn)入了我國(guó)市場(chǎng)。這些年來,智能家庭反復(fù)且頻繁地出現(xiàn)在設(shè)計(jì)媒體上,已經(jīng)家喻戶曉。智能家庭管理系統(tǒng)包括綜合布線、利用網(wǎng)絡(luò)通信和安全措施等技術(shù),是將家庭生活中出現(xiàn)的相關(guān)的各種子系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)增加了家庭的便利性、舒適性和安全性。在智能家庭生活中,各種操作系統(tǒng)、硬件裝置、開發(fā)者、網(wǎng)絡(luò)資源,都是智能家庭中不可缺少的一部分[3]。想實(shí)現(xiàn)智能家庭管理,首先需要在家中建立通信網(wǎng)絡(luò),可以方便對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的控制和監(jiān)控。隨著視覺在智能家庭產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用,未來的家居智能視覺將不再局限于家庭安全場(chǎng)景的個(gè)體鏈接,而是專注于創(chuàng)建基于視覺能力的自主多場(chǎng)景連接,實(shí)現(xiàn)智能家庭產(chǎn)品的主動(dòng)感應(yīng)和識(shí)別以及信息共享,達(dá)到全屋智能的能力,也根據(jù)用戶的喜好給予相關(guān)服務(wù),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)新。智能家庭管理系統(tǒng)確保了居民的安全、便利和舒適,以及能源效率和環(huán)保的生活環(huán)境[4]。
美國(guó)于1884年率先把這一幻想付諸實(shí)踐。20世紀(jì)80年代,美國(guó)的聯(lián)合技術(shù)公司才將這一概念付諸實(shí)踐。盡管智能家庭行業(yè)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展,推出了許多智能家庭產(chǎn)品,但是還沒有一款產(chǎn)品能夠滿足普通家庭的需求,因此智能家庭的各個(gè)方面都需要進(jìn)行改進(jìn)[5]。
1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
在發(fā)達(dá)國(guó)家,特別是在美國(guó)、日本和韓國(guó)等擁有先進(jìn)電子產(chǎn)品的國(guó)家,智能家居非常廣泛和流行。在中國(guó),起步相對(duì)較晚,但發(fā)展很快,有很多制造商和各種各樣的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)智能家居的發(fā)展分為以下四個(gè)階段:第一階段在20世紀(jì)末,整個(gè)市場(chǎng)還處于對(duì)于智能家居的概念不清,這個(gè)時(shí)候國(guó)內(nèi)沒有生產(chǎn)商和經(jīng)銷商,只有在沿海地區(qū)有幾個(gè)美國(guó)智能家居的代理商,也主要賣給在中國(guó)的歐美用戶。第二階段是21世紀(jì)初期,受國(guó)外智能家居的影響,國(guó)內(nèi)也在上海、北京、南京、廣州等地開設(shè)了智能化家居的研發(fā)和銷售企業(yè)。第三階段由于上一階段開設(shè)的智能家居企業(yè)過多,而市場(chǎng)對(duì)于智能家居行業(yè)抱保守的態(tài)度,加上部分廠商夸大智能家居的實(shí)際功效,給智能家居領(lǐng)域帶來很大的負(fù)面影響,這一階段,大部分廠家都陷入銷售不利的局面,短短兩三年就有20多家智能家居生產(chǎn)商退出這一市場(chǎng)。第四階段則是在2010年以后,隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展,智能家居的設(shè)備得到了急速的發(fā)展,且受房地產(chǎn)行業(yè)的宏觀調(diào)控,智能家居放量增長(zhǎng),邁入了高速發(fā)展時(shí)期,行業(yè)內(nèi)部的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)開始形成,行業(yè)并構(gòu)成主流??v觀智能家居生產(chǎn)的各個(gè)方面,像海爾這樣的龍頭企業(yè)相對(duì)較少。
在智能化互聯(lián)網(wǎng)化的市場(chǎng)背景下,智能家居監(jiān)控行業(yè)步入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期,在國(guó)家相關(guān)政策和各地要求的布局下,我國(guó)已啟動(dòng)智慧城市建設(shè),目前正在建設(shè)的智慧城市已經(jīng)有很多個(gè)。隨著全國(guó)各地智慧城市的建設(shè),相關(guān)的市場(chǎng)規(guī)模可能會(huì)擴(kuò)至千億,甚至萬億[6]。我國(guó)在《2000年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目實(shí)施方案》把建設(shè)智能化小康型示范小區(qū)列為國(guó)家著重發(fā)展項(xiàng)目,國(guó)家投資了15億支持項(xiàng)目實(shí)施[7]。2000年,我國(guó)在小康城市和農(nóng)村住宅項(xiàng)目實(shí)施方面,將智能化示范園區(qū)納入國(guó)家大力推動(dòng)發(fā)展的項(xiàng)目,這使得我們國(guó)家的智能建筑從智能大樓的建造向智能住房的建造轉(zhuǎn)變,發(fā)展成為智能家庭的建造。在2006年8月25日于北京舉行的“世界智能家庭峰會(huì)”上,與會(huì)的多位專家學(xué)者就中國(guó)家庭智能家庭的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。在有關(guān)專家看來,中國(guó)的家庭智能系統(tǒng)雖然已初具規(guī)模,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有規(guī)劃中那么美好。金額和數(shù)量有著非常大的增長(zhǎng)趨勢(shì),但工程的質(zhì)量卻很是一般,因此要意識(shí)到我國(guó)智能家居還有非常大的發(fā)展與前進(jìn)的空間[8]。中國(guó)的智能家居市場(chǎng)正處于蓬勃發(fā)展的階段,然而,高昂的用戶成本和操作系統(tǒng)的高度復(fù)雜性卻是一項(xiàng)不可避免的挑戰(zhàn)。同時(shí),智能家居也面臨著安全問題、隱私泄露以及用戶體驗(yàn)不佳等方面的風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),必須探索可行的途徑,以使廣大民眾能夠充分享受智能家居所帶來的便捷和易用性。
智能家居現(xiàn)在正被廣泛地運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域,如住房、汽車工業(yè)、醫(yī)療保健等。若智能家居系統(tǒng)得到社會(huì)的廣泛認(rèn)可,則在不遠(yuǎn)的將來,智能家居將成為家居生產(chǎn)的主流,引領(lǐng)著人們進(jìn)入智能時(shí)代[9]。國(guó)內(nèi)外科研者對(duì)智能家庭管理有著較深入的研究,大企業(yè)通過自身掌握的資源優(yōu)勢(shì),開發(fā)出可實(shí)用的家庭管理系統(tǒng)。我國(guó)對(duì)這項(xiàng)研究和開發(fā)始于20世紀(jì)末,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國(guó)對(duì)家庭能源的管理系統(tǒng)的研究也在日趨成熟。
1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀
1998年的5月新加坡舉辦的“98亞洲家電及電子消費(fèi)品國(guó)際展覽”上展示了“新加坡模式”的家庭智能化系統(tǒng)[10]。截至2000年,新加坡已經(jīng)有近30個(gè)地區(qū)約5 000戶安裝了“家庭智能系統(tǒng)”,美國(guó)已有40 000戶使用了這種類型的“家庭智能系統(tǒng)”[11]。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將四大元素:家庭自動(dòng)化、信息家電、安全設(shè)施以及娛樂資訊,融入一個(gè)完善的、基于互聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)中。智能家居在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用廣泛,非常受歡迎,尤其是在美國(guó)、日本和韓國(guó)等先進(jìn)電子產(chǎn)品中。隨著首座智能化大廈的建成,美國(guó)、韓國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家的企業(yè)紛紛投入智能家居的研發(fā),并且提出了一系列有效的解決方案,以滿足當(dāng)?shù)氐男枨?。一段時(shí)間以來,美國(guó)和一些歐洲國(guó)家在這一領(lǐng)域一直引領(lǐng)著智能家居的發(fā)展。
基于PLC的智能家庭管理控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,使用成熟可靠的傳感器和控制器,實(shí)現(xiàn)低成本、易于使用的智能家庭管理控制系統(tǒng),確保智能家庭管理系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性,并降低智能家庭管理控制系統(tǒng)的成本[12]。同時(shí),系統(tǒng)可以提升生活的便利性,該系統(tǒng)采用PLC技術(shù)對(duì)家居控制,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息互換,外部信息的交流和數(shù)據(jù)共享,主機(jī)控制收集城市中的電器狀態(tài)信息,控制系統(tǒng)控制整個(gè)住宅的電器,控制面板控制整個(gè)住宅的圖像和信號(hào),因此控制面板是整個(gè)系統(tǒng)的核心,涵蓋了各類技術(shù)[13]。智能家居控制系統(tǒng)將電力線載波、無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)結(jié)合起來,形成了一個(gè)復(fù)雜的,具有人性化的綜合智能控制系統(tǒng)。把室內(nèi)變成移動(dòng)端,進(jìn)一步應(yīng)用在整個(gè)家庭的各個(gè)空間中,幫助人們更好地把握生活。
因此,設(shè)計(jì)了一個(gè)通過觸摸屏以實(shí)現(xiàn)智能窗簾開合、智能照明、智能洗衣機(jī)、智能車庫(kù)、智能中央空調(diào)和煙霧危險(xiǎn)報(bào)警器基本控制的基于PLC的核心處理器。在這個(gè)基礎(chǔ)之上,作為PLC系統(tǒng)的上微機(jī),負(fù)責(zé)PLC信息通信,完成了智能家庭系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控和本地控制功能,同時(shí)上位機(jī)也作為遠(yuǎn)程訪問家庭系統(tǒng)的信息接入點(diǎn)。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)在線和本地微機(jī)之間的信息互換交流,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家庭系統(tǒng)設(shè)備的訪問和控制。讓人們更容易管理電器,同時(shí)遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控家用電器,使數(shù)字化家庭更加人性化。經(jīng)過模塊的處理,用戶所發(fā)出的指令得以轉(zhuǎn)化為一個(gè)完整的指令。該命令包括執(zhí)行指令、檢測(cè)和記錄信息,以及顯示這些信息。在PLC控制下,該指令被暫時(shí)存儲(chǔ),直至經(jīng)過PLC的檢查并傳輸至執(zhí)行器,從而完成硬件系統(tǒng)的操作。
系統(tǒng)的基本運(yùn)行順序由子系統(tǒng)之中的數(shù)據(jù)信息借助數(shù)據(jù)線輸入到現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)PLC之中,PLC的控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,無需繁瑣的維護(hù)程序,且其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用,足以滿足絕大多數(shù)用戶的應(yīng)用需求[14]。硬件的實(shí)現(xiàn)方案多種多樣,能否達(dá)到功能齊全、價(jià)格低廉及安全使用是需要考慮的。智能家庭控制系統(tǒng)由PLC控制,主程序總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the overall structure
PLC是一種專業(yè)的工業(yè)控制設(shè)備,有一個(gè)類似于計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。一臺(tái)PLC計(jì)算機(jī)由一個(gè)處理器、存儲(chǔ)器(EPROM、RAM)、I/O單元、外圍I/O接口、通信接口和電源組成。在集成PLC的情況下,這些部件都在同一個(gè)外殼中。傳統(tǒng)的PLC硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2。
圖2 PLC硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 2 PLC hardware structure diagram
軟件設(shè)計(jì)中,使用的是博途v16,它擁有高效的穩(wěn)定性,采用了先進(jìn)的編程技術(shù)和算法,能確保編程效率以及程序的穩(wěn)定性,可擴(kuò)展性強(qiáng),支持多
種通信協(xié)議和硬件設(shè)備,可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí);該軟件具有簡(jiǎn)單易用的用戶界面,使用戶們能快速上手并進(jìn)行操作。博途v16有標(biāo)準(zhǔn)化以及高度集中的性能特點(diǎn),拓展了許多嶄新的功能,覆蓋從規(guī)劃工程到調(diào)試的每一個(gè)階段。軟件質(zhì)量得到了大幅提升,同時(shí)也減少了調(diào)試次數(shù)和工程成本,使用戶享受到更好的體驗(yàn)。
4.2.1 系統(tǒng)流程圖
該系統(tǒng)提供了兩種可供選擇的控制模式,以滿足您的個(gè)性化需求。手動(dòng)模式和自動(dòng)控制模式均可靈活的控制使用,既能滿足不同用戶對(duì)環(huán)境要求的差異又能實(shí)現(xiàn)多種功能,從而為人們生活帶來更多便利。在自動(dòng)模式下,系統(tǒng)能夠探測(cè)到燈光、洗衣機(jī)、車庫(kù)、空調(diào)、煙霧等設(shè)備的存在,并通過智能控制器對(duì)其進(jìn)行智能管理[15]。按照系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖,如圖3。
圖3 系統(tǒng)流程圖Figure 3 System flow diagram
4.2.2 PLC的I/O分配表
I/O分配表是PLC的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)地址名稱的定義,先確認(rèn)控制方案,然后開始對(duì)PLC的控制地址進(jìn)行定義分配。一個(gè)合理的I/O分配表需要結(jié)合實(shí)際的工程需求,合理分配。
根據(jù)系統(tǒng)組成分析,下表為PLC的I/O點(diǎn)分配表,如表1。
表1 系統(tǒng)的I/O分配表
根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,運(yùn)用PLC軟件編寫程序,將各個(gè)部分程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的梯形圖,并將其輸入到編程軟件中。
4.3.1 系統(tǒng)主程序控制
圖4為智能家庭管理系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖,通過原理圖的設(shè)計(jì)可以看出其智能系統(tǒng)的先進(jìn)性、全面性、便捷性,能夠進(jìn)行智能化控制。
圖4 PLC主程序設(shè)計(jì)圖Figure 4 PLC main program design diagram
4.3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
智能家庭管理系統(tǒng)的接線圖,PU是熔斷保險(xiǎn)器,能夠因?yàn)榭刂齐娐冯娏鬟^載而自動(dòng)斷開,防止電路短路。按照控制系統(tǒng)要求,原理圖如圖5。
圖5 控制系統(tǒng)原理圖Figure 5 Schematic diagram of control system
博途winCC可以直接進(jìn)行程序仿真,編程用到西門子S7-1500,以達(dá)到更加真實(shí)的仿真效果,從而使計(jì)算機(jī)成為一臺(tái)更加真實(shí)的PLC。本文以智能家庭管理系統(tǒng)為背景,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了其主程序及各個(gè)子程序。對(duì)于智能家庭管理系統(tǒng)的主程序和各個(gè)子程序進(jìn)行了調(diào)試,以糾正和調(diào)整程序設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。打開軟件博途v16[16-17],打開源代碼塊進(jìn)行檢查,檢測(cè)無誤,安裝完畢后,打開仿真軟件,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),以下是智能家庭管理[18-19]控制系統(tǒng)的觸摸屏的仿真界面。
1)觸摸屏主界面,主界面有六個(gè)圖標(biāo),分別為窗簾按鈕、智能照明按鈕、智能洗衣機(jī)模塊、智能車庫(kù)按鈕、中央空調(diào)按鈕和煙霧報(bào)警按鈕。觸摸屏主界面如圖6。
圖6 觸摸屏主界面圖Figure 6 Touch screen main interface diagram
2)先給時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置,模擬室內(nèi)環(huán)境給予仿真程序一個(gè)室內(nèi)當(dāng)前的溫濕度、年月日以及PM2.5的參數(shù),并按下仿真開啟按鈕,即讓系統(tǒng)在一個(gè)特定的狀態(tài)進(jìn)行仿真,以便后續(xù)進(jìn)行程序調(diào)試。時(shí)鐘設(shè)置界面如圖7。
圖7 觸摸屏主界面圖Figure 7 Touch screen main interface diagram
3)點(diǎn)擊智能窗簾按鈕,分為手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)模式,自動(dòng)模式有一個(gè)定時(shí)開關(guān),設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間,到達(dá)時(shí)間時(shí)就可以自動(dòng)開合。手動(dòng)模式時(shí),直接按下屏幕打開與關(guān)閉按鈕進(jìn)行智能控制,觸摸屏窗簾控制界面如圖8所示。
圖8 觸摸屏窗簾控制界面圖Figure 8 Touch screen curtain control interface diagram
4)點(diǎn)擊智能照明按鈕,分為手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)模式,自動(dòng)模式是有一個(gè)定時(shí)開關(guān),設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間,到達(dá)時(shí)間時(shí)就可以自動(dòng)開關(guān)。手動(dòng)模式時(shí)直接按下打開關(guān)閉按鈕控制智能照明。打開狀態(tài)下觸摸屏照明控制界面如圖9。
圖9 觸摸屏照明控制界面圖Figure 9 Touch screen lighting control interface diagram
5)點(diǎn)擊智能車庫(kù)按鈕,觸摸屏直接遠(yuǎn)程控制車庫(kù)門開合。按下開門按鈕時(shí),觸摸屏車庫(kù)控制界面如圖10。
圖10 觸摸屏車庫(kù)控制界面圖Figure 10 Touch screen garage control interface diagram
6)點(diǎn)擊智能洗衣機(jī)按鈕,可以設(shè)置進(jìn)水,洗滌,脫水,烘干的時(shí)間,觸摸屏上會(huì)顯示當(dāng)前狀態(tài),也可以直接控制的啟動(dòng)和停止。給各個(gè)流程狀態(tài)設(shè)置時(shí)間后,按下洗衣機(jī)啟動(dòng)按鈕,此時(shí)觸摸屏洗衣機(jī)控制界面如圖11所示。
圖11 觸摸屏洗衣機(jī)控制界面圖Figure 11 Touchscreen washing machine control interface diagram
7)點(diǎn)擊中央空調(diào)按鈕,可以直接在觸摸屏上設(shè)置溫度,溫度低于設(shè)定值會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié),室內(nèi)溫度升高;溫度高于設(shè)定值會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié),室內(nèi)溫度降低。當(dāng)前室內(nèi)溫度為24 ℃,設(shè)定溫度為25 ℃因此系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)升溫。此時(shí)觸摸屏空調(diào)控制界面如圖12。
圖12 觸摸屏中央空調(diào)控制界面圖Figure 12 Touch screen central air conditioner control interface diagram
8)當(dāng)室內(nèi)有危險(xiǎn)煙霧進(jìn)入時(shí),室內(nèi)的PM2.5參數(shù)將會(huì)有所改變,系統(tǒng)收到信息并發(fā)出警告,室內(nèi)窗簾會(huì)自動(dòng)打開,凈化空氣。此時(shí)觸摸屏危險(xiǎn)煙霧報(bào)警控制界面如圖13。
圖13 觸摸屏危險(xiǎn)煙霧報(bào)警控制界面圖Figure 13 Touch screen dangerous smoke alarm control interface diagram
1)該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于舒適,成本相對(duì)較低,雖然功能不多,但主要是為了滿足和確保家庭安全。為了使得智能家庭管理安全得到保障,早上和下午自動(dòng)打開和關(guān)閉窗戶,自動(dòng)照明、智能洗衣、煙霧警報(bào)可以實(shí)現(xiàn),人們?nèi)粘I钪杏赏獠凯h(huán)境引起的問題可以在一定程度上得到解決。在該系統(tǒng)的試運(yùn)行中,完全按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試產(chǎn)和檢驗(yàn),各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,各項(xiàng)的性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2)在開發(fā)系統(tǒng)的硬件和軟件時(shí),采用了更先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的方法。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比,不同電氣設(shè)備的控制方式存在一定的差異,但是基本控制順序是一致的,即將電氣設(shè)備的運(yùn)行信息傳入到PLC之中,再由PLC發(fā)送給遠(yuǎn)程控制終端,住宅擁有者在控制終端上發(fā)出相關(guān)的指令,控制終端將指令發(fā)送給PLC,再由PLC直接控制電氣設(shè)備改變相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)。