基于PLC的智能家居控制系统设计

摘要随着时代的进步与发展，人们对生活的质量与舒适有了更大的追求。近几年来高新技术的飞快发展，使智能化行业得到了人们热烈的追捧，“智能手机”，“智能汽车”，“智能机器人”为为人们生活的一部分。应运而生的“智能家居”也渐渐进入千家万户。但现如今，“智能家居”普遍存在着价格高昂，操作麻烦而且复杂，没有统一化的国家标准等现象。这些现象使得智能家具并未能普及到每家每户。因此，设计一种价格实惠，操作容易简单，使用便捷，安装方便的智能家居控制系统具有重大的意义。关键词智能家居PLC智能控制组态王第一章引言在这和平发展的年代，世界在不断的进步与发展，高新的技术与网络科技迅速的发展，并且逐渐的融入到人们的生活中去。现代人们的生活理念在不断的提高，对居住环境的舒适度十分重视，经济发展比较慢的时候人们对家居住宅环境的要求仅仅是能够居住；然而在经济发展迅速的年代，人们对居住环境的要求有了进一步的提升。因此人们就希望能使家居电器智能化、自动化起来，除去人工的操作，享受舒适、温馨的生活。因此智能家居的概念诞生。智能家居（smarthome）是以室内空间为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、

安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境REF_Ref14859\r\h[1]。智能家居的诞生不仅给人们带来舒服、高效、方便的生活，同时也给人们带来了全新的生活理念，引发人们去不断追求与探索。智能家居不仅满足了用户的基本的一些需要，还提升了人们对生活的享受体验，使的生活变得更加的温馨、舒适、自动化。原本较为繁杂的家务可以通过自动化、智能化设备来完成，从而解放了人们的双手，使得人们可以有更多的时间去享受便捷，舒适的生活。设想一下，当我们结束了一天的工作，拖着疲惫的身体回到家门，这时你不需要耗费时间在口袋，背包里寻找钥匙，通过指纹识别或人脸识别你便可以进入家门，这时家里的灯，空调，窗帘，电视，音乐播放器都会自动打开。当你不想看电视了你便可以通过声控关闭。一切都可以通过声音控制，APP控制。不再需要你走动，动手。你只需要动动口便可以实现你要的。这一切变得多么简单、便捷。这个场景或许只会出现在科幻电影里。但现如今，高新技术的发展让这一切成为了可能。近年来就有很多公司和企业集团生产出相对应的智能家居产品与技术研究发展项目。但就目前市面上来说智能家居的发展还是普遍存在很多问题。主要存在的问题有一下方面：一、价格普遍昂贵，不是一般家庭能承受的起。即使现在市面上有智能家居产品的出售，但是买的起的人只有腰缠万贯的家庭，对于普通老百姓想在家里安装一套智能家居是不现实的。二、操作复杂具有安全隐患、没有统一标准等等。为了解决这些问题,提供一种操作简单、性价比高的智能家居控制系统能使普通老百姓都能享受到社会发展带来福利。第二章系统任务总体设计2.1设计任务分析2.1.1智能家居工作原理经济的高速发展带动了科技的进步，就目前来说，市面有就有许多高科技的产品，而智能家居也在其中。如今的智能家居功能新颖，便捷，从而渐渐成为了家居生活发展的趋势，是人们追求向往的生活方式。本设计主要以一个一室一厅一厨一卫的普通住宅作为模型。计算机作为上位机，西门子公司的S7-200PLC作为下位机，通过RS485总线连接计算机和PLC控制器进行通讯连接，从而实现上位机与下位机之间的数据通讯。智能家居控制系统如图2-1所示。利用计算机作为上位机，通过V4.0STEP7MicroWINSP9进行梯形图的编程，使用RS485总线进行上位机与下位机之间的通信连接，组态王设计人机界面，方便用户进行监控和维护。智能家居控制系统分为四个单元进行设计：温度控制单元、湿度控制单元、亮度控制单元、红外线控制单元。智能家居控制系统的执行机构是通过电动机和各类继电器完成的，电动机控制窗帘的拉开与收合，通过继电器的通断控制空调、加热器、除湿器、加湿器、灯等家居的工作状态，通过电动机控制窗帘的工作。通过传感器获得环境参数，经过PLC输入的程序控制继电器和电机，从而达到自动控制家居运作。图2-1智能家居控制系统组成构图2.1.2分析被控对象和控制要求智能家居控制系统是指家居在通电情况下，传感器通过检测室内环境参数来对空调、窗帘、加热器、除湿器等家完成开关的工作。整个智能家居控制系统被控对象由灯、空调、窗帘、加热器、除湿器、加湿器组成，其中窗帘是由电机驱动的。下面分别对四个单元的控制要求进行分析：温度控制单元：室内环境温度大于设定值，PLC输出信号控制空调启动，从而降低室内温度；当室内环境温度小于设定值，PLC输出信号控制加热器启动，从而提高室内温度；当室内温环境度在设定值范围内，空调与加热器就不会启动。湿度控制单元：室内环境湿度大于设定值，PLC输出信号控制除湿器启动，从而降低室内湿度；当室内环境湿度小于设定值，PLC输出信号控制加湿器启动，从而提高室内湿度；当室内环境湿度在设定值内，除湿器与加湿器就不会启动。亮度控制单元：室外光照强度大于设定值时，PLC输出信号控制电机正转驱动窗帘拉开；室外光照强度小于设定值时，PLC输出信号控制电机反转驱动窗帘收合。红外线控制单元：当室内光照强度比室外光照弱时并且检测到房间内有人活动，PLC就会输出信号控制灯亮；在灯亮了的情况下，检测不到房间内有人活动，PLC就会定时30s，输出信号控制灯灭；如果室内光照比室外强，无论有无人在室内，都不会启动灯亮。2.2上位机监控组态通过上位机监智能家居控制系统的工作状况，实时的从PLC或传感器等设备中采集数据，从而可以在组态软件中发出控制指令，可以实时监控系统正常运行。使用组态王软件对上位机进行设计，对智能家居控制系统的执行机构进行监控与记录传感器检测到的数据。组态王的界面设计主要包括主画面、温度控制画面、湿度控制画面、窗帘控制画面等。用户可以通过组态王软件来检测系统设备的工作状态，也可以控制系统设备运行，从而达到实时监控的作用；用户还可以通过软件记录的数据曲线、曲线趋势对运行设备进行校正，使室内的环境参数达到最适宜的状态，从而使人们一直享受在舒适的室内环境中。第三章硬件设计3.1智能家居控制器的概述3.1.1可编程逻辑控制器（PLC）的定义PLC是一种专业的数字运算操作的电子装置，主要常应用于工业生产的环境下。它通过使用可编程的存储器，在其内部存储中执行计时、计数、算术运算、逻辑运算、顺序运算等操作指令，并能通过输入或者输出数字信号、模拟信号，来控制各类执行机构，从而实现控制的目的。可编程逻辑控制器是自动化设备且在制造业的最前沿。许多工厂使用可编程逻辑控制器来减少生产的成本和提高质量。因为它的前身是硬连线的继电器面板，可编程逻辑控制器使用单一的语言叫梯子逻辑。虽然也有使用其他语言，但目前梯形逻辑仍然是占主导地位的自动化语言。有时候可编程逻辑控制器（PLC）被称为可编程控制器（PC），但缩写的PLC是首选，主要用来区别于个人电脑（PC）。3.1.2可编程逻辑控制器（PLC）的基本结构PLC的基本结构大致一样，由CPU、电源、存储器和输入输出接口电路组成。控制器、运算器和寄存器组成中央处理器单元。中央处理器：CPU的通信方式是通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口进行的。PLC的核心是CPU，它连续的采集输入的信号，执行下载的程序，从而刷新系统的输出。储存器：PLC的储存器有两种。一种是系统储存器，它的功能是存储PLC的系统程序，另一种是用户储存器，它的功能是存储PLC的用户程序。目前来说，E2PROM存储器是PLC的系统存储器和用户存储器的选择，因为E2PROM存储器可以檫除。I/O接口：PLC的端口有输入/输出两种方式。输入接口电路的功能是将按钮、开关或传感器等产生的信号输入CPU；输出接口电路的功能是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动执行机构的信号，从而控制接触器，继电器等电器的通断电，实现控制。输入输出电路之间一般会有保护电路的技术，一般采用光耦合隔离技术。电源：PLC通常使用220V交流电源或24V直流电源来进行驱动，内部的开关电源主要是为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能达到额定电压，正常工作。图3-1为PLC的基本结构图。图3-1PLC的基本结构图3.2PLC的选型不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等各有不同，适用的场合也会各有不同。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要从PLC的I/O点数、存储器容量、控制功能等因素加以综合考虑。市面上现在有许多功能强大的PLC，比较常见的有三菱、欧姆龙、罗克韦尔、西门子、施耐德等等。这类PLC都具有一定相通的特点。譬如：1.抗干扰能力强、可靠性高。2.通用性强使用方便。3.编程简单，使用方便。4功能多样，适用范围广。通过对比多种PLC的优缺点，再结合本设计的需求，本设计决定采用西门子公司S7系列200的PLC。S7-200CPU这款CPU的优点有极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实施特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等。而PLC控制系统具备许多强大的功能，且抗干扰的能力十分优秀，体积较小，所以安装简单便捷、易于操作。基于以上PLC的优点以及本文主要设计一款性价比高的智能控制系统，所以本文采用中央处理单元为CPU226的可编程控制器作为主要控制单元，这款CPU是西门子公司生产的S7-200系列中的一款。表3-1为CPU226型号的主要技术参数。名称参数名称参数数字量I/O点24输入/16输出允许最大扩展模块7个程序存储空间8192字最大输入点/输出点256个数据块存储空间5120字电源电压允许范围85~264VAC/47~63Hz高速计算器6个/30Khz输入电流40/160mA高速脉冲输出2个/20Khz最大负载20A定时器/计数器256个输出电压允许范围5~30VDC/5~250VAC扫描周期0.37usRS485通讯口2个表3-1CPU226技术参数图3-2为CPU226模块的外形图。图3-2CPU226模块外形图3.3输入设备3.3.1温湿度传感器就目前能买到的传感器有许多不同类型，在传感器选择的过程中主要需要注意的事项归纳如下：①选择测量范围：根据控制方案的要求，首先需要确定传感器能测量的范围。②选择测量精度：传感器最重要的指标是测量的精度，精度每改变一个百分点，对传感器的性能会有很大影响，具体的选择根据具体的控制要求。③考虑时漂和温漂：在实际的使用中，由于环境各种不确定因素的影响，使用过久，传感器就会发生老化，精度就会下降。④其它注意事项：有的温湿度传感器对电源有比较高的要求，否则会影响测量精度。传感器之间可能会存在干扰，导致无法正常工作。通过对比，本设计采用型号为QFA2060的温湿度传感器，这是一款既可以检测温度也可以检测湿度的传感器；通过测量值与设定值的对比，控制执行机构工作状态来调节温湿度，从而环境内的参数达到适宜的程度。温湿度传感器外形如图所示。图3-3温湿度传感器QFA2060该款传感器的接线端子少，使用方便，适用于智能家居系统。它仅仅含有4个接线端。如图3-4所示。其中G和G0为工作电压；U1为相对湿度的信号输出；U2为温度的信号输出。QFA2060传感器具有稳定、测量精度高、可重复、响应速度快，应用电容式测量原理，无缘继电器输出。主要的技术参数见表3-1。名称参数工作电压AC24V或DC13.5~35V频率50/60Hz功耗≤1W温度测量范围0~50℃，-36~55℃，-40~70℃相对温度输出信号DC0~10V或LG-Ni1000或T1湿度测量范围0~95%相对湿度输出信号DC0~10V精度温度：13~35℃时0.8K；-35~50℃时1K湿度：30~70%时3%；0~95%时5%接线4线时间常数温度小于8.5min，湿度小于20s防护等级IP30表3-1温湿度传感器QFA2060的主要技术参数图3-3QFA2060温度传感器接线图3.3.2亮度传感器光照强度传感器对弱光具有很高的灵敏度并且测量范围大、线性度好、使用方便等特点。根据不同的环境，适配不同的量程。本设计主要通过传感器的测量范围，选用了E5031PE型号的亮度传感器来测量室内环境的亮度，从而控制窗帘的拉合。表3-3为亮度传感器的主要技术参数。名称参数电源电压15~36VDC@18mA亮度测量范围20~3000lux亮度调节范围40~1600lux时间常数/预热时间90s/5s温度范围/湿度范围0~45℃/0~95%表3-3亮度传感器的主要技术参数亮度传感器E5031PE外形如图3-4所示图3-4亮度传感器E5031PE3.3.3红外线传感器红外线传感器是利用红外线来检测数据，输出开关量的一种传感器，具有灵敏度高等优点，能探测人体发出的红外线。本设计根据系统的控制要求，选取型号为5753L的红外线传感器。传感器主要探测室内环境是否有人活动，当传感器检测有人活动，会将信号输入PLC从而控制室内灯具开，探测不到有人活动时，就会控制室内灯具关，从而实现智能控制、节约能源。名称参数安装高度2.4mC-BUS输入电压15-36vC-BUS总线电流消耗18mA环境温度0~45℃单网络最大安装数量100个探测角度360度探测范围约6m*6m安装方式墙装或吸顶定时范围1s-18h，12m，15s表3-4红外线传感器的主要技术参数红外线亮度传感器5753L的外形如图3-5所示。图3-5红外线传感器5753L3.4输出设备3.4.1固态继电器固态继电器是一种无触点通断电子开关。它主要是根据开关三极管、可控硅等半导体的特性来进行制造。固态继电器有4个接线端子，其中两个端子为输入控制端,另外两个为输出控制端，在输入输出之间采用光电耦合技术对电路进行保护。当输入端有电或脉冲信号通过，输出端的状态就会改变，从断开变化为导通（无信号时呈阻断状态），从而控制负载完成控制作用。固态继电器不仅有放大负载驱动的功能，还能使电路隔离开来，作为驱动大功率开关式执行机构十分合适。与之相对比的电磁继电器，固态继电器可靠性更高，且寿命长、速度快,对外界的干扰也小，广泛应用于各种电路控制过程中。图2-8为固态继电器的外形图。图3-6固态继电器注意事项：1.使用过程中应考虑安装散热装置，固态继电器的负载能力会受环境温度影响。2.在继电器使用时，过流和负载短路的故障会造成固态继电器输出可控硅永久损坏，因此在控制回路中安装熔断器和空气开关能对固态继电器进行保护。3.在实际使用过程中，需要有稳定的控制信号和负载电源，且信号波动小于10%，否则应采用稳压措施来保证信号的稳定。本设计中主要通过PLC输出PWM脉宽调制信号来控制固态继电器的通断从而控制加热器的功率。其具体接线如图3-8所示。图3-7固态继电器接线图3.4.2接触器接触器有交流接触器和直流接触器两种，应用的场合主要是电力、配电与用电。接触器顾名思义是指利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，从而控制负载的电器元件工作。接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流产生磁场，产生的磁场使静铁芯产生电磁力吸引动铁芯闭合，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合本设计主要通过两个接触器互锁联动来控制电机的正反转，从而控制窗帘的运作。图3-9为接触器与电机的接线图。图3-9接触器与电机接线图3.5扩展模块3.5.1模拟量输入模块EM231传感器检测温度、湿度和光照强度的物理量为模拟量，然而PLC不能处理模拟量信号。因此需要一个将模拟量转换成数字量的模块。本文采用PLC配套的EM231模拟量输入模块，该模块的主要功能就是将模拟量转换成数字量。EM231模块连接如图3-10所示。图3-10EM231模块连接方式模拟量扩展模块与PLC输入端口连接，然后通过PLC内部的总线传输数据。扩展模块EM231的主要技术性能有REF_Ref16933\r\h[13]：外观尺寸：71.2*80*62mm，大概重183克，2W的功率损耗；模拟量输入：4个模拟量输入口，最大输入电压30VDC；单极性电压输入范围0~5V、0~10V，双极性电压输入范围是正负5V、正负2.5V；电流输入范围：0~20mA，最大输入电流：32mA;模数转换时间：＜250us，输入阻抗：≥10兆欧。3.5.2.数字量扩展模块EM223数字量EM223扩展模块主要用于控制、处理室内传感器收集到数字信号。该扩展模块拥有6种输入输出类型，在这里我们选择24VDC16输入/16继电器输出型的EM223，图3-11为EM223模块的端子接线图。数字量扩展模块的主要技术性能有REF_Ref16933\r\h[13]：总体尺寸：137.7*80*62mm，重量：400g，功耗6W；数字量输入：16个输入口，最大输入电压30VDC；数字量输出：16个输出口，继电器输出，输出电压允许范围5~30VDC或5~250VAC；输出电流组数：4组，每组最大电流为8A，输出接通最大点数为16，无过载保护。图3-11EM223模块端子接线图3.6I/O口分配3.6.1I/O分配表本设计PLC的I/O分配如下列表格所示。输入端子地址注释输入端子地址注释I0.0自动控制开关I0.5加湿器开关I0.1手动控制开关I0.6窗帘拉开限位I0.2空调开关I0.7窗帘合闭限位I0.3加热器开关I1.0中断运行I0.4除湿器开关I1.1灯具开关表3-1数字量输入分配表输入端子地址注释输入端子地址注释AIW0温度传感器AIW2湿度传感器AIW4亮度传感器AIW6红外线传感器表3-2模拟量端子分配表输出端子地址注释输出端子地址注释Q0.0自动控制指示灯Q0.4除湿器Q0.1手动控制指示灯Q0.5加湿器Q0.2空调Q0.6窗帘拉开Q0.3加热器Q0.7窗帘合闭Q1.0灯具表3-3输出端子分配表3.6.2I/O接线图根据I/O分配表能作出I/O接线图，使得在实际接线过程中，更加清晰，方便。图3-11为I/O接线图。图3-11CPU226I/O接线图图3-13为EM231输入模拟量扩展模块的I/O接线图。CPU226与扩展模块EM231的连接方式是通过阴阳连接器进行通信连接。图3-13EM231I/O接线图第四章系统软件程序设计本设计使用编程软件V4.0STEP7MicroWINSP9对下位机的控制程序进行编写。这款编程软件有LAD（梯形图）、STL（语句表）、FBD（功能块图）三种编程方法。控制程序编译完成后，将写好的控制程序下载到PLC中，然后运行PLC，进行程序的调试验证或者仿真。最后实现PLC控制执行机构既家居设备的功能。4.1软件设计的基本原则整个控制系统中，最重要的一部分是下位机的软件设计。它控制着执行设备的运作。控制系统程序设计以尽可能简单为原则，把复杂的程序控制分成多个子程序进行编写，最后通过主控制器对子程序进行主要的控制，从而提高了编写的简洁性与可操作性。本设计中的所有程序主要以以下原则为标准来对下位机进行软件设计REF_Ref4363\r\h[15]。保障系统稳定。智能家居控制系统中的子控制程序较多，因此系统可能会出现系统紊乱、故障、报错等现象。所以设计一个稳定可靠的系统显得至关重要。要想设计一个稳定可靠的系统，要求在软件设计时对各种未知的故障做好应急措施，使得系统在故障发生了能及时解决故障，保障了系统的稳定，使系统具有自我诊断能力与自我修复能力。程序简单。STEP7拥有许多强大的功能，而且操作也容易。我们可以根据方案设计不同的控制要求，直接使用不同的指令。梯形图编程是用的最多的方式，也是最通俗易懂的一种编程语言，这就使得编译程序变得简单容易，提高了工作效率。节能高效。设计远程控制功能，如果遇到了室内无人时而工作设备仍在运行的情况，可以通过远程控制功能控制家里未关闭的设备，减少能源的损耗。通过大量定时器、传送指令来进行监控，体现了节约能源的原则，还减少了程序运行所占用的空间，极大程度上提高了设备的运行效率，可谓是节能又高效。系统扩展性强。留有一定的I/O接口，提高系统的扩展性。4.2智能家居控制系统功能本设计采用西门子PLC为核心控制器，通过各种传感器检测室内环境参数并传送到PLC控制器仲，由PLC控制器对检测到的数据进行运算，然后输出控制信号，实现对家居设备的智能控制。使用西门子的S7-200CPU控制器，STEP7MicroWINSP9编程软件进行智能家居控制系统的程序编写。为了满足用户不同的需求，提升用户体验，本设计的智能家居控制系统提供两种控制模式，。用户可以根据具体需求来自由切换控制模式，从而对家居进行控制。智能家居控制系统可以分为四个单元进行设计，分别为：温度控制单元、湿度控制单元、亮度控制单元、红外线控制单元。温度控制的单元：温度控制单元流程图如图4-1所示。在自动模式下：按下空调与加热器的开关，温度传感器会不断检测室内的温度，检测到的温度会与设定值进行对比，如果高于设定值，就会启动空调，使室内的温度降低；如果低于设定值，就会启动加热器，使室内温度升高，从而实现智能控制。在手动模式下：用户可以根据传感器检测到的温度数据，对空调和加热器进行合理的控制，从而实现手动控制。图4-1温度控制单元流程图湿度控制单元：湿度控制单元流程图如图4-2所示。在自动模式下：按下除湿器和加热器的开关，湿度传感器会不断检测室内的湿度，检测到的湿度会与设定值进行对比，如果高于设定值，就会启动除湿器，使室内的湿度降低；如果低于设定值，就会启动加湿器，使室内湿度升高，从而实现智能控制。在手动模式下：用户可以根据传感器检测到的湿度数据，对除湿器和加湿器进行合理的控制，从而实现手动控制。图4-2湿度控制单元流程图亮度控制单元：亮度控制单元流程图如图4-3所示。在自动模式下：按下自动模式的按钮，亮度传感器会不断检测室外的光照强度，检测到的光照强度会与设定值进行对比，如果高于设定值，就会使电机反转，合闭窗帘；如果低于设定值，就会使电机正转，拉开窗帘。在自动模式下：用户根据自己对室内外光照强度的对比，控制窗帘的运作。图4-3亮度控制单元流程图红外线控制单元：红外线控制单元流程图如图4-4所示。在自动模式下：按下自动模式的按钮，红外线传感器会不断检测室内是否有人活动，当检测到有人活动时，灯就会亮；没有人活动时，灯就会灭；并且在等亮了之后，没有检测到有人活动，灯就会在定时5s后灭。图4-4红外线控制单元流程图4.3智能家居控制系统梯形图设计4.3.1系统手动控制程序系统手动控制程序如图4-5所示。可以通过一个手动开关和一个自动开关实现互锁来对控制模式进行选择。当选择手动模式时，自动控制的的线路就会关闭，这个时候只有传感器继续工作，对整个室内环境进行实时的数据采集。用户可以通过采集到的数据，根据需求进行相关的调节，从而实现手动控制的功能。反之，选择自动控制，手动控制线路就会被关闭。在手动控制模式下，可以直接通过开关控制家居设备的工作状态。图4-5手动控制程序4.3.2系统温度控制单元程序系统温度控制单元包括两个部分：温度转换与温度控制。温度转换程序PLC接收到经转换的数字量后，还需要转换成正常的温度数值才能与设定值进行比较。温度传感器测量范围为0-50℃，S7-200内部0-20mA的电流对应的数字范围是0~32000，取温度线性部分4-20mA，则对应6400~32000数字，所以0~50℃的温度范围对应6400~32000。根据关系式T=(x-6400)/512，可以将正常的温度数值展示出来，其中x为PLC接收的数字量。图4-6温度转换程序温度控制程序人体适宜的温度范围为19℃~24℃，因此在考虑设计方案的过程中，室内温度的设置范围应该按照上述范围为标准进行设置。如图4-3温度控制程序。当I0.0自动控制常开与I0.2空调开关I0.3加热器开关闭合时，传感器检测到的温度高于24℃，空调就会被启动，降低室内温度，直到室内温度控制在19℃~24℃的范围内，控制空调停止工作；当传感器检测到的温度低于19℃时，加热器就会被启动，提高室内温度，直到室内温度控制在19℃~24℃的范围内，控制加热器停止工作。图4-7温度控制程序4.3.3系统湿度控制单元程序系统湿度控制单元也包括两个部分：湿度转换与湿度控制。湿度转换程序同温度转换一样的原理，湿度测量范围为0~95%,0~95%湿度范围对应0-32000数字。根据关系式RH=x/640，其中x为PLC接收的数字量。图4-8湿度转换程序湿度控制程序人体适宜的湿度范围为40%~60%，因此在考虑设计方案的过程中，室内湿度的设置范围应该按照上述范围为标准进行设置。如图4-5湿度控制程序。当I0.0自动控制常开与I0.4除湿器开关I0.5加湿器开关闭合时，传感器检测到的湿度高于60%，除湿器就会被启动，降低室内湿度，直到室内湿度控制在40%~60%的范围内，控制除湿器停止工作；当传感器检测到的湿度低于40%时，加湿器就会被启动，提高室内温度，直到室内湿度控制在40%~60%的范围内，控制加湿器停止工作。图4-9湿度控制程序4.3.4系统亮度控制单元程序本设计通过亮度传感器来检测室内外光照强度的数值，然后判断当前时刻是白天还是黑夜。通过查找资料可得，黑夜的光照强度范围为：0.001lux~0.02lux；晴天室内；100lux~1000lux。本文主要以夏季的日照强度为例，分别以100lux和5lux作为白天和夜晚的照度临界值。如图4-6亮度控制单元程序所示。当I0.0自动控制常开触点闭合时，亮度传感器的测量值小于5lux，则认定为夜晚，此时电动机正转，窗帘拉开；当测量值大于100lux时，则认定为白天，此时电机反转，窗帘合闭。图4-10亮度控制单元程序4.3.5系统红外线控制单元程序首先通过亮度传感器检测室内亮度，以10lux作为临界值，当室内亮度低于10lux时，并且红外线传感器探测到有人活动室时，控制灯亮，当人离开时，延时30秒控制灯灭。实现了人来灯亮，人走灯延迟灭的智能控制。当室内亮度超过10lux，无论室内是否有人，灯都不会亮。在阴天、雨天等特殊情况下，用户可以选择手动控制，对室内灯具进行控制。图4-7为红外线控制单元程序。图4-11红外线控制单元程序4.4PID控制4.4.1传统的PID控制PID控制算法是一种发展的比较早的算法。它具有使用简单，鲁棒性好，可靠性高的特点。正是由于这些优点，该算法被广泛用于在实际工程中[4]。经典的PID控制是检测系统的偏差e，然后通过比例作用，积分作用和差动作用计算控制量u的值。比例作用的调节可以降低偏差，比例系数的大小决定了控制的程度，因此比例系数的选择必须要合适。积分作用可以消除稳态误差。微分作用能提高系统的响应速度，降低超调量，进而优化系统的动态性能REF_Ref30557\r\h[5]。经典的PID控制算法对室内的环境参数进行实时的检测，智能的根据室内温度的变化来调节空调温度值的设定从而达到智能控制的效果。图4-12传统PID控制系统原理图下面对PID控制各个环节进行简单的分析：比例环节对系统性能的影响。比例作用按一定的比例的显示出系统的偏差信号e（t）；如果有偏差信号产生，控制器就会马上产生控制作用来减小偏差的大小。其对系统的影响有如下特点：①动态系统的影响：如果比例控制系数增大，系统的动作就会变得很快而且十分灵敏；如果偏大，系统振荡的次数就会增加，调节的时间也会变的更久。当太大的时候，系统的状态就会趋于不稳定。但是如果太小的话，又会使系统的动作变得十分缓慢。②稳定性的影响：在稳定的系统中，如果增加比例控制系数，就可以减小静差，从而提高控制的精确程度；但是加大系数只能减少稳态误差ess，不能彻底的去除稳态误差。积分环节对控制性能的影响。积分环节的作用是消除稳态误差，提高系统的“无差度”。其对系统的影响如下。①动态性能的影响。系数可以改变系统的稳定性。如果太小，积分作用的控制效果就会增强，系统会慢慢的趋于不稳定状态。如果偏小，就会增加系统的振荡的频率。如果系数太大，又会减少对系统的影响。只有当合适时，才能得到理想的过渡特性。②稳态特性的影响。系数可以去除系统的稳态误差，提高控制的精准程度，但是如果太大，积分的控制作用就会变得很弱，导致不能达到有效的减小稳态误差的效果。微分环节对控制性能的影响。微分时间常数越大，微分作用就越明显。微分的主要功能是表现出误差信号速度的变化，能在偏差信号变得太大之前，加入一个修正信号，这样就可以有效的减小超调量，进而提高了系统的稳定性。但是微分作用对高频误差信号很敏感。如果系统存在高频小幅值的噪声，则它形成的微分作用可能会很大，这是不希望出现的。综上所述，参数的设定直接影响到系统的不稳定性，在控制相同的控制对象时，采取不同的控制规律，会有不同的控制效果，所以不同的控制规律各有各的特点。4.4.2PID在PLC的应用PID控制实现过程是：传感器检测环境参数输入到PLC中，然后PLC控制器经PID运算得出控制量控制占空比，输出PWM脉宽调制信号来控制固态继电器的通断，从而调节加热器的功率大小，达到控制加热器加热温度的功能。当室内环境温度小于19℃时就会调用PID子程序，通过PID运算输出PWM脉宽调制信号，然后PLC外部连接一个固态继电器，PWM控制继电器通断实现加热功率的强弱调节。具体的PID实现步骤是通过S7-200编程软件自带的PID设置向导，设置PID回路参数、输出量程范围、回路报警设置等。完成向导后，如果需要实现控制还需要把PID子程序进行调用，如图4-9PID控制程序 图4-13PID控制程序第五章系统上位机设计本文的上位机仿真软件选择使用6.55版本的组态王，通过仿真对智能家居控制系统进行控制和对整个控制系统的工作状态与工作数据进行监控和记录，实现了实时监控的要求，能随时根据个人需求对系统进行调节控制，使系统的运行更加智能。5.1组态王软件简介组态王，即组态王开发\t"/item/%E7%BB%84%E6%80%81%E7%8E%8B/_blank"监控系统软件，是新型的工业\t"/item/%E7%BB%84%E6%80%81%E7%8E%8B/_blank"自动控制系统，它以标准的\t"/item/%E7%BB%84%E6%80%81%E7%8E%8B/_blank"工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王kingview6.55是一款在工业上应用非常广泛的监控软件，它有许多功能模块和庞大的数据库，同时兼备优越的开放性，可以与多种PLC、变频器等自动化设备连接通信。这款软件集过程控制设计和实时操作于一体，使工业生产管理模式达到最好的状态。REF_Ref11114\r\h[16]5.2智能家居监控系统设计要求智能家居控制系统的组态设计过程主要需要设计的内容有：控制画面的设计、定义变量、设备动画的连接、关联外部设备、通讯端口的设置、运行调试等；设计流程图如图5-1所示REF_Ref11114\r\h[16]。通过组态软件设计，要求实现以下基本功能：控制模式选择画面，温度控制画面，湿度控制画面，窗帘控制画面的设置与动画连接。能对执行设备的设定值进行修改，当达到设定值时，程序运行，控制设备工作状态。记录温湿度的数值曲线变化趋势。故障报警系统画面的设计图5-1组态王设计流程5.3智能家居控制系统画面设计控制模式选择界面控制模式选择界面包括：画面切换选项、手动控制模式按钮、自动控制模式按钮和退出按钮。主要实现的功能有：能进行画面的切换，切换到用户所需的画面；能选择控制模式，当选择手动控制模式时画面切换到相对应的控制画面当中，然后根据用户需求对控制系统进行控制；当选择自动控制模式时，通过用户自行切换到所需监控的设备画面，对工作中的设备进行监控。当想退出时点击退出按钮即可。控制模式选择界面图如图5-2所示。图5-2控制模式选择界面温度控制界面温度控制界面的主要设计内容有：显示室内温度的数值，并可以记录实时的温度数据并绘制成曲线，用户可以监视空调的运行状况并可以控制空调的启停。温度控制界面如图5-3所示图5-3温度控制界面湿度控制界面湿度控制画面设计内容有：显示室内湿度的数值，并可以几率实时的湿度数据并绘制成曲线，用户可以监视加湿器和除湿器的工作状态，并可以控制设备的启停。湿度控制界面如图5-4所示图5-4湿度控制界面窗帘控制界面通过小车的水平移动模拟窗帘的工作状态；窗帘控制界面设计内容有：显示窗帘的工作状态，控制窗帘的拉开与合闭。窗帘控制界面如图5-5所示图5-5窗帘控制界面