摘要隨著時代的進步與發展，人們對生活的質量與舒適有了更大的追求。近幾年來高新技術的飛快發展，使智能化行業得到了人們熱烈的追捧，“智能手機”，“智能汽車”，“智能機器人”為為人們生活的一部分。應運而生的“智能家居”也漸漸進入千家萬戶。但現如今，“智能家居”普遍存在著價格高昂，操作麻煩而且復雜，沒有統一化的國家標準等現象。這些現象使得智能家具并未能普及到每家每戶。因此，設計一種價格實惠，操作容易簡單，使用便捷，安裝方便的智能家居控制系統具有重大的意義。關鍵詞智能家居PLC智能控制組態王第一章引言在這和平發展的年代，世界在不斷的進步與發展，高新的技術與網絡科技迅速的發展，并且逐漸的融入到人們的生活中去。現代人們的生活理念在不斷的提高，對居住環境的舒適度十分重視，經濟發展比較慢的時候人們對家居住宅環境的要求僅僅是能夠居住；然而在經濟發展迅速的年代，人們對居住環境的要求有了進一步的提升。因此人們就希望能使家居電器智能化、自動化起來，除去人工的操作，享受舒適、溫馨的生活。因此智能家居的概念誕生。智能家居（smarthome）是以室內空間為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、

安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境REF_Ref14859\r\h[1]。智能家居的誕生不僅給人們帶來舒服、高效、方便的生活，同時也給人們帶來了全新的生活理念，引發人們去不斷追求與探索。智能家居不僅滿足了用戶的基本的一些需要，還提升了人們對生活的享受體驗，使的生活變得更加的溫馨、舒適、自動化。原本較為繁雜的家務可以通過自動化、智能化設備來完成，從而解放了人們的雙手，使得人們可以有更多的時間去享受便捷，舒適的生活。設想一下，當我們結束了一天的工作，拖著疲憊的身體回到家門，這時你不需要耗費時間在口袋，背包里尋找鑰匙，通過指紋識別或人臉識別你便可以進入家門，這時家里的燈，空調，窗簾，電視，音樂播放器都會自動打開。當你不想看電視了你便可以通過聲控關閉。一切都可以通過聲音控制，APP控制。不再需要你走動，動手。你只需要動動口便可以實現你要的。這一切變得多么簡單、便捷。這個場景或許只會出現在科幻電影里。但現如今，高新技術的發展讓這一切成為了可能。近年來就有很多公司和企業集團生產出相對應的智能家居產品與技術研究發展項目。但就目前市面上來說智能家居的發展還是普遍存在很多問題。主要存在的問題有一下方面：一、價格普遍昂貴，不是一般家庭能承受的起。即使現在市面上有智能家居產品的出售，但是買的起的人只有腰纏萬貫的家庭，對于普通老百姓想在家里安裝一套智能家居是不現實的。二、操作復雜具有安全隱患、沒有統一標準等等。為了解決這些問題,提供一種操作簡單、性價比高的智能家居控制系統能使普通老百姓都能享受到社會發展帶來福利。第二章系統任務總體設計2.1設計任務分析2.1.1智能家居工作原理經濟的高速發展帶動了科技的進步，就目前來說，市面有就有許多高科技的產品，而智能家居也在其中。如今的智能家居功能新穎，便捷，從而漸漸成為了家居生活發展的趨勢，是人們追求向往的生活方式。本設計主要以一個一室一廳一廚一衛的普通住宅作為模型。計算機作為上位機，西門子公司的S7-200PLC作為下位機，通過RS485總線連接計算機和PLC控制器進行通訊連接，從而實現上位機與下位機之間的數據通訊。智能家居控制系統如圖2-1所示。利用計算機作為上位機，通過V4.0STEP7MicroWINSP9進行梯形圖的編程，使用RS485總線進行上位機與下位機之間的通信連接，組態王設計人機界面，方便用戶進行監控和維護。智能家居控制系統分為四個單元進行設計：溫度控制單元、濕度控制單元、亮度控制單元、紅外線控制單元。智能家居控制系統的執行機構是通過電動機和各類繼電器完成的，電動機控制窗簾的拉開與收合，通過繼電器的通斷控制空調、加熱器、除濕器、加濕器、燈等家居的工作狀態，通過電動機控制窗簾的工作。通過傳感器獲得環境參數，經過PLC輸入的程序控制繼電器和電機，從而達到自動控制家居運作。圖2-1智能家居控制系統組成構圖2.1.2分析被控對象和控制要求智能家居控制系統是指家居在通電情況下，傳感器通過檢測室內環境參數來對空調、窗簾、加熱器、除濕器等家完成開關的工作。整個智能家居控制系統被控對象由燈、空調、窗簾、加熱器、除濕器、加濕器組成，其中窗簾是由電機驅動的。下面分別對四個單元的控制要求進行分析：溫度控制單元：室內環境溫度大于設定值，PLC輸出信號控制空調啟動，從而降低室內溫度；當室內環境溫度小于設定值，PLC輸出信號控制加熱器啟動，從而提高室內溫度；當室內溫環境度在設定值范圍內，空調與加熱器就不會啟動。濕度控制單元：室內環境濕度大于設定值，PLC輸出信號控制除濕器啟動，從而降低室內濕度；當室內環境濕度小于設定值，PLC輸出信號控制加濕器啟動，從而提高室內濕度；當室內環境濕度在設定值內，除濕器與加濕器就不會啟動。亮度控制單元：室外光照強度大于設定值時，PLC輸出信號控制電機正轉驅動窗簾拉開；室外光照強度小于設定值時，PLC輸出信號控制電機反轉驅動窗簾收合。紅外線控制單元：當室內光照強度比室外光照弱時并且檢測到房間內有人活動，PLC就會輸出信號控制燈亮；在燈亮了的情況下，檢測不到房間內有人活動，PLC就會定時30s，輸出信號控制燈滅；如果室內光照比室外強，無論有無人在室內，都不會啟動燈亮。2.2上位機監控組態通過上位機監智能家居控制系統的工作狀況，實時的從PLC或傳感器等設備中采集數據，從而可以在組態軟件中發出控制指令，可以實時監控系統正常運行。使用組態王軟件對上位機進行設計，對智能家居控制系統的執行機構進行監控與記錄傳感器檢測到的數據。組態王的界面設計主要包括主畫面、溫度控制畫面、濕度控制畫面、窗簾控制畫面等。用戶可以通過組態王軟件來檢測系統設備的工作狀態，也可以控制系統設備運行，從而達到實時監控的作用；用戶還可以通過軟件記錄的數據曲線、曲線趨勢對運行設備進行校正，使室內的環境參數達到最適宜的狀態，從而使人們一直享受在舒適的室內環境中。第三章硬件設計3.1智能家居控制器的概述3.1.1可編程邏輯控制器（PLC）的定義PLC是一種專業的數字運算操作的電子裝置，主要常應用于工業生產的環境下。它通過使用可編程的存儲器，在其內部存儲中執行計時、計數、算術運算、邏輯運算、順序運算等操作指令，并能通過輸入或者輸出數字信號、模擬信號，來控制各類執行機構，從而實現控制的目的。可編程邏輯控制器是自動化設備且在制造業的最前沿。許多工廠使用可編程邏輯控制器來減少生產的成本和提高質量。因為它的前身是硬連線的繼電器面板，可編程邏輯控制器使用單一的語言叫梯子邏輯。雖然也有使用其他語言，但目前梯形邏輯仍然是占主導地位的自動化語言。有時候可編程邏輯控制器（PLC）被稱為可編程控制器（PC），但縮寫的PLC是首選，主要用來區別于個人電腦（PC）。3.1.2可編程邏輯控制器（PLC）的基本結構PLC的基本結構大致一樣，由CPU、電源、存儲器和輸入輸出接口電路組成。控制器、運算器和寄存器組成中央處理器單元。中央處理器：CPU的通信方式是通過地址總線、數據總線、控制總線與儲存單元、輸入輸出接口、通信接口、擴展接口進行的。PLC的核心是CPU，它連續的采集輸入的信號，執行下載的程序，從而刷新系統的輸出。儲存器：PLC的儲存器有兩種。一種是系統儲存器，它的功能是存儲PLC的系統程序，另一種是用戶儲存器，它的功能是存儲PLC的用戶程序。目前來說，E2PROM存儲器是PLC的系統存儲器和用戶存儲器的選擇，因為E2PROM存儲器可以檫除。I/O接口：PLC的端口有輸入/輸出兩種方式。輸入接口電路的功能是將按鈕、開關或傳感器等產生的信號輸入CPU；輸出接口電路的功能是將CPU向外輸出的信號轉換成可以驅動執行機構的信號，從而控制接觸器，繼電器等電器的通斷電，實現控制。輸入輸出電路之間一般會有保護電路的技術，一般采用光耦合隔離技術。電源：PLC通常使用220V交流電源或24V直流電源來進行驅動，內部的開關電源主要是為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V、12V、24V直流電源，使PLC能達到額定電壓，正常工作。圖3-1為PLC的基本結構圖。圖3-1PLC的基本結構圖3.2PLC的選型不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等各有不同，適用的場合也會各有不同。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要從PLC的I/O點數、存儲器容量、控制功能等因素加以綜合考慮。市面上現在有許多功能強大的PLC，比較常見的有三菱、歐姆龍、羅克韋爾、西門子、施耐德等等。這類PLC都具有一定相通的特點。譬如：1.抗干擾能力強、可靠性高。2.通用性強使用方便。3.編程簡單，使用方便。4功能多樣，適用范圍廣。通過對比多種PLC的優缺點，再結合本設計的需求，本設計決定采用西門子公司S7系列200的PLC。S7-200CPU這款CPU的優點有極高的可靠性、豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內置集成功能、實施特性、強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊等。而PLC控制系統具備許多強大的功能，且抗干擾的能力十分優秀，體積較小，所以安裝簡單便捷、易于操作。基于以上PLC的優點以及本文主要設計一款性價比高的智能控制系統，所以本文采用中央處理單元為CPU226的可編程控制器作為主要控制單元，這款CPU是西門子公司生產的S7-200系列中的一款。表3-1為CPU226型號的主要技術參數。名稱參數名稱參數數字量I/O點24輸入/16輸出允許最大擴展模塊7個程序存儲空間8192字最大輸入點/輸出點256個數據塊存儲空間5120字電源電壓允許范圍85~264VAC/47~63Hz高速計算器6個/30Khz輸入電流40/160mA高速脈沖輸出2個/20Khz最大負載20A定時器/計數器256個輸出電壓允許范圍5~30VDC/5~250VAC掃描周期0.37usRS485通訊口2個表3-1CPU226技術參數圖3-2為CPU226模塊的外形圖。圖3-2CPU226模塊外形圖3.3輸入設備3.3.1溫濕度傳感器就目前能買到的傳感器有許多不同類型，在傳感器選擇的過程中主要需要注意的事項歸納如下：①選擇測量范圍：根據控制方案的要求，首先需要確定傳感器能測量的范圍。②選擇測量精度：傳感器最重要的指標是測量的精度，精度每改變一個百分點，對傳感器的性能會有很大影響，具體的選擇根據具體的控制要求。③考慮時漂和溫漂：在實際的使用中，由于環境各種不確定因素的影響，使用過久，傳感器就會發生老化，精度就會下降。④其它注意事項：有的溫濕度傳感器對電源有比較高的要求，否則會影響測量精度。傳感器之間可能會存在干擾，導致無法正常工作。通過對比，本設計采用型號為QFA2060的溫濕度傳感器，這是一款既可以檢測溫度也可以檢測濕度的傳感器；通過測量值與設定值的對比，控制執行機構工作狀態來調節溫濕度，從而環境內的參數達到適宜的程度。溫濕度傳感器外形如圖所示。圖3-3溫濕度傳感器QFA2060該款傳感器的接線端子少，使用方便，適用于智能家居系統。它僅僅含有4個接線端。如圖3-4所示。其中G和G0為工作電壓；U1為相對濕度的信號輸出；U2為溫度的信號輸出。QFA2060傳感器具有穩定、測量精度高、可重復、響應速度快，應用電容式測量原理，無緣繼電器輸出。主要的技術參數見表3-1。名稱參數工作電壓AC24V或DC13.5~35V頻率50/60Hz功耗≤1W溫度測量范圍0~50℃，-36~55℃，-40~70℃相對溫度輸出信號DC0~10V或LG-Ni1000或T1濕度測量范圍0~95%相對濕度輸出信號DC0~10V精度溫度：13~35℃時0.8K；-35~50℃時1K濕度：30~70%時3%；0~95%時5%接線4線時間常數溫度小于8.5min，濕度小于20s防護等級IP30表3-1溫濕度傳感器QFA2060的主要技術參數圖3-3QFA2060溫度傳感器接線圖3.3.2亮度傳感器光照強度傳感器對弱光具有很高的靈敏度并且測量范圍大、線性度好、使用方便等特點。根據不同的環境，適配不同的量程。本設計主要通過傳感器的測量范圍，選用了E5031PE型號的亮度傳感器來測量室內環境的亮度，從而控制窗簾的拉合。表3-3為亮度傳感器的主要技術參數。名稱參數電源電壓15~36VDC@18mA亮度測量范圍20~3000lux亮度調節范圍40~1600lux時間常數/預熱時間90s/5s溫度范圍/濕度范圍0~45℃/0~95%表3-3亮度傳感器的主要技術參數亮度傳感器E5031PE外形如圖3-4所示圖3-4亮度傳感器E5031PE3.3.3紅外線傳感器紅外線傳感器是利用紅外線來檢測數據，輸出開關量的一種傳感器，具有靈敏度高等優點，能探測人體發出的紅外線。本設計根據系統的控制要求，選取型號為5753L的紅外線傳感器。傳感器主要探測室內環境是否有人活動，當傳感器檢測有人活動，會將信號輸入PLC從而控制室內燈具開，探測不到有人活動時，就會控制室內燈具關，從而實現智能控制、節約能源。名稱參數安裝高度2.4mC-BUS輸入電壓15-36vC-BUS總線電流消耗18mA環境溫度0~45℃單網絡最大安裝數量100個探測角度360度探測范圍約6m*6m安裝方式墻裝或吸頂定時范圍1s-18h，12m，15s表3-4紅外線傳感器的主要技術參數紅外線亮度傳感器5753L的外形如圖3-5所示。圖3-5紅外線傳感器5753L3.4輸出設備3.4.1固態繼電器固態繼電器是一種無觸點通斷電子開關。它主要是根據開關三極管、可控硅等半導體的特性來進行制造。固態繼電器有4個接線端子，其中兩個端子為輸入控制端,另外兩個為輸出控制端，在輸入輸出之間采用光電耦合技術對電路進行保護。當輸入端有電或脈沖信號通過，輸出端的狀態就會改變，從斷開變化為導通（無信號時呈阻斷狀態），從而控制負載完成控制作用。固態繼電器不僅有放大負載驅動的功能，還能使電路隔離開來，作為驅動大功率開關式執行機構十分合適。與之相對比的電磁繼電器，固態繼電器可靠性更高，且壽命長、速度快,對外界的干擾也小，廣泛應用于各種電路控制過程中。圖2-8為固態繼電器的外形圖。圖3-6固態繼電器注意事項：1.使用過程中應考慮安裝散熱裝置，固態繼電器的負載能力會受環境溫度影響。2.在繼電器使用時，過流和負載短路的故障會造成固態繼電器輸出可控硅永久損壞，因此在控制回路中安裝熔斷器和空氣開關能對固態繼電器進行保護。3.在實際使用過程中，需要有穩定的控制信號和負載電源，且信號波動小于10%，否則應采用穩壓措施來保證信號的穩定。本設計中主要通過PLC輸出PWM脈寬調制信號來控制固態繼電器的通斷從而控制加熱器的功率。其具體接線如圖3-8所示。圖3-7固態繼電器接線圖3.4.2接觸器接觸器有交流接觸器和直流接觸器兩種，應用的場合主要是電力、配電與用電。接觸器顧名思義是指利用線圈流過電流產生磁場，使觸頭閉合，從而控制負載的電器元件工作。接觸器的工作原理是：當接觸器線圈通電后，線圈電流產生磁場，產生的磁場使靜鐵芯產生電磁力吸引動鐵芯閉合，并帶動交流接觸器點動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，兩者是聯動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸點復原，常開觸點斷開，常閉觸點閉合本設計主要通過兩個接觸器互鎖聯動來控制電機的正反轉，從而控制窗簾的運作。圖3-9為接觸器與電機的接線圖。圖3-9接觸器與電機接線圖3.5擴展模塊3.5.1模擬量輸入模塊EM231傳感器檢測溫度、濕度和光照強度的物理量為模擬量，然而PLC不能處理模擬量信號。因此需要一個將模擬量轉換成數字量的模塊。本文采用PLC配套的EM231模擬量輸入模塊，該模塊的主要功能就是將模擬量轉換成數字量。EM231模塊連接如圖3-10所示。圖3-10EM231模塊連接方式模擬量擴展模塊與PLC輸入端口連接，然后通過PLC內部的總線傳輸數據。擴展模塊EM231的主要技術性能有REF_Ref16933\r\h[13]：外觀尺寸：71.2*80*62mm，大概重183克，2W的功率損耗；模擬量輸入：4個模擬量輸入口，最大輸入電壓30VDC；單極性電壓輸入范圍0~5V、0~10V，雙極性電壓輸入范圍是正負5V、正負2.5V；電流輸入范圍：0~20mA，最大輸入電流：32mA;模數轉換時間：＜250us，輸入阻抗：≥10兆歐。3.5.2.數字量擴展模塊EM223數字量EM223擴展模塊主要用于控制、處理室內傳感器收集到數字信號。該擴展模塊擁有6種輸入輸出類型，在這里我們選擇24VDC16輸入/16繼電器輸出型的EM223，圖3-11為EM223模塊的端子接線圖。數字量擴展模塊的主要技術性能有REF_Ref16933\r\h[13]：總體尺寸：137.7*80*62mm，重量：400g，功耗6W；數字量輸入：16個輸入口，最大輸入電壓30VDC；數字量輸出：16個輸出口，繼電器輸出，輸出電壓允許范圍5~30VDC或5~250VAC；輸出電流組數：4組，每組最大電流為8A，輸出接通最大點數為16，無過載保護。圖3-11EM223模塊端子接線圖3.6I/O口分配3.6.1I/O分配表本設計PLC的I/O分配如下列表格所示。輸入端子地址注釋輸入端子地址注釋I0.0自動控制開關I0.5加濕器開關I0.1手動控制開關I0.6窗簾拉開限位I0.2空調開關I0.7窗簾合閉限位I0.3加熱器開關I1.0中斷運行I0.4除濕器開關I1.1燈具開關表3-1數字量輸入分配表輸入端子地址注釋輸入端子地址注釋AIW0溫度傳感器AIW2濕度傳感器AIW4亮度傳感器AIW6紅外線傳感器表3-2模擬量端子分配表輸出端子地址注釋輸出端子地址注釋Q0.0自動控制指示燈Q0.4除濕器Q0.1手動控制指示燈Q0.5加濕器Q0.2空調Q0.6窗簾拉開Q0.3加熱器Q0.7窗簾合閉Q1.0燈具表3-3輸出端子分配表3.6.2I/O接線圖根據I/O分配表能作出I/O接線圖，使得在實際接線過程中，更加清晰，方便。圖3-11為I/O接線圖。圖3-11CPU226I/O接線圖圖3-13為EM231輸入模擬量擴展模塊的I/O接線圖。CPU226與擴展模塊EM231的連接方式是通過陰陽連接器進行通信連接。圖3-13EM231I/O接線圖第四章系統軟件程序設計本設計使用編程軟件V4.0STEP7MicroWINSP9對下位機的控制程序進行編寫。這款編程軟件有LAD（梯形圖）、STL（語句表）、FBD（功能塊圖）三種編程方法。控制程序編譯完成后，將寫好的控制程序下載到PLC中，然后運行PLC，進行程序的調試驗證或者仿真。最后實現PLC控制執行機構既家居設備的功能。4.1軟件設計的基本原則整個控制系統中，最重要的一部分是下位機的軟件設計。它控制著執行設備的運作。控制系統程序設計以盡可能簡單為原則，把復雜的程序控制分成多個子程序進行編寫，最后通過主控制器對子程序進行主要的控制，從而提高了編寫的簡潔性與可操作性。本設計中的所有程序主要以以下原則為標準來對下位機進行軟件設計REF_Ref4363\r\h[15]。保障系統穩定。智能家居控制系統中的子控制程序較多，因此系統可能會出現系統紊亂、故障、報錯等現象。所以設計一個穩定可靠的系統顯得至關重要。要想設計一個穩定可靠的系統，要求在軟件設計時對各種未知的故障做好應急措施，使得系統在故障發生了能及時解決故障，保障了系統的穩定，使系統具有自我診斷能力與自我修復能力。程序簡單。STEP7擁有許多強大的功能，而且操作也容易。我們可以根據方案設計不同的控制要求，直接使用不同的指令。梯形圖編程是用的最多的方式，也是最通俗易懂的一種編程語言，這就使得編譯程序變得簡單容易，提高了工作效率。節能高效。設計遠程控制功能，如果遇到了室內無人時而工作設備仍在運行的情況，可以通過遠程控制功能控制家里未關閉的設備，減少能源的損耗。通過大量定時器、傳送指令來進行監控，體現了節約能源的原則，還減少了程序運行所占用的空間，極大程度上提高了設備的運行效率，可謂是節能又高效。系統擴展性強。留有一定的I/O接口，提高系統的擴展性。4.2智能家居控制系統功能本設計采用西門子PLC為核心控制器，通過各種傳感器檢測室內環境參數并傳送到PLC控制器仲，由PLC控制器對檢測到的數據進行運算，然后輸出控制信號，實現對家居設備的智能控制。使用西門子的S7-200CPU控制器，STEP7MicroWINSP9編程軟件進行智能家居控制系統的程序編寫。為了滿足用戶不同的需求，提升用戶體驗，本設計的智能家居控制系統提供兩種控制模式，。用戶可以根據具體需求來自由切換控制模式，從而對家居進行控制。智能家居控制系統可以分為四個單元進行設計，分別為：溫度控制單元、濕度控制單元、亮度控制單元、紅外線控制單元。溫度控制的單元：溫度控制單元流程圖如圖4-1所示。在自動模式下：按下空調與加熱器的開關，溫度傳感器會不斷檢測室內的溫度，檢測到的溫度會與設定值進行對比，如果高于設定值，就會啟動空調，使室內的溫度降低；如果低于設定值，就會啟動加熱器，使室內溫度升高，從而實現智能控制。在手動模式下：用戶可以根據傳感器檢測到的溫度數據，對空調和加熱器進行合理的控制，從而實現手動控制。圖4-1溫度控制單元流程圖濕度控制單元：濕度控制單元流程圖如圖4-2所示。在自動模式下：按下除濕器和加熱器的開關，濕度傳感器會不斷檢測室內的濕度，檢測到的濕度會與設定值進行對比，如果高于設定值，就會啟動除濕器，使室內的濕度降低；如果低于設定值，就會啟動加濕器，使室內濕度升高，從而實現智能控制。在手動模式下：用戶可以根據傳感器檢測到的濕度數據，對除濕器和加濕器進行合理的控制，從而實現手動控制。圖4-2濕度控制單元流程圖亮度控制單元：亮度控制單元流程圖如圖4-3所示。在自動模式下：按下自動模式的按鈕，亮度傳感器會不斷檢測室外的光照強度，檢測到的光照強度會與設定值進行對比，如果高于設定值，就會使電機反轉，合閉窗簾；如果低于設定值，就會使電機正轉，拉開窗簾。在自動模式下：用戶根據自己對室內外光照強度的對比，控制窗簾的運作。圖4-3亮度控制單元流程圖紅外線控制單元：紅外線控制單元流程圖如圖4-4所示。在自動模式下：按下自動模式的按鈕，紅外線傳感器會不斷檢測室內是否有人活動，當檢測到有人活動時，燈就會亮；沒有人活動時，燈就會滅；并且在等亮了之后，沒有檢測到有人活動，燈就會在定時5s后滅。圖4-4紅外線控制單元流程圖4.3智能家居控制系統梯形圖設計4.3.1系統手動控制程序系統手動控制程序如圖4-5所示。可以通過一個手動開關和一個自動開關實現互鎖來對控制模式進行選擇。當選擇手動模式時，自動控制的的線路就會關閉，這個時候只有傳感器繼續工作，對整個室內環境進行實時的數據采集。用戶可以通過采集到的數據，根據需求進行相關的調節，從而實現手動控制的功能。反之，選擇自動控制，手動控制線路就會被關閉。在手動控制模式下，可以直接通過開關控制家居設備的工作狀態。圖4-5手動控制程序4.3.2系統溫度控制單元程序系統溫度控制單元包括兩個部分：溫度轉換與溫度控制。溫度轉換程序PLC接收到經轉換的數字量后，還需要轉換成正常的溫度數值才能與設定值進行比較。溫度傳感器測量范圍為0-50℃，S7-200內部0-20mA的電流對應的數字范圍是0~32000，取溫度線性部分4-20mA，則對應6400~32000數字，所以0~50℃的溫度范圍對應6400~32000。根據關系式T=(x-6400)/512，可以將正常的溫度數值展示出來，其中x為PLC接收的數字量。圖4-6溫度轉換程序溫度控制程序人體適宜的溫度范圍為19℃~24℃，因此在考慮設計方案的過程中，室內溫度的設置范圍應該按照上述范圍為標準進行設置。如圖4-3溫度控制程序。當I0.0自動控制常開與I0.2空調開關I0.3加熱器開關閉合時，傳感器檢測到的溫度高于24℃，空調就會被啟動，降低室內溫度，直到室內溫度控制在19℃~24℃的范圍內，控制空調停止工作；當傳感器檢測到的溫度低于19℃時，加熱器就會被啟動，提高室內溫度，直到室內溫度控制在19℃~24℃的范圍內，控制加熱器停止工作。圖4-7溫度控制程序4.3.3系統濕度控制單元程序系統濕度控制單元也包括兩個部分：濕度轉換與濕度控制。濕度轉換程序同溫度轉換一樣的原理，濕度測量范圍為0~95%,0~95%濕度范圍對應0-32000數字。根據關系式RH=x/640，其中x為PLC接收的數字量。圖4-8濕度轉換程序濕度控制程序人體適宜的濕度范圍為40%~60%，因此在考慮設計方案的過程中，室內濕度的設置范圍應該按照上述范圍為標準進行設置。如圖4-5濕度控制程序。當I0.0自動控制常開與I0.4除濕器開關I0.5加濕器開關閉合時，傳感器檢測到的濕度高于60%，除濕器就會被啟動，降低室內濕度，直到室內濕度控制在40%~60%的范圍內，控制除濕器停止工作；當傳感器檢測到的濕度低于40%時，加濕器就會被啟動，提高室內溫度，直到室內濕度控制在40%~60%的范圍內，控制加濕器停止工作。圖4-9濕度控制程序4.3.4系統亮度控制單元程序本設計通過亮度傳感器來檢測室內外光照強度的數值，然后判斷當前時刻是白天還是黑夜。通過查找資料可得，黑夜的光照強度范圍為：0.001lux~0.02lux；晴天室內；100lux~1000lux。本文主要以夏季的日照強度為例，分別以100lux和5lux作為白天和夜晚的照度臨界值。如圖4-6亮度控制單元程序所示。當I0.0自動控制常開觸點閉合時，亮度傳感器的測量值小于5lux，則認定為夜晚，此時電動機正轉，窗簾拉開；當測量值大于100lux時，則認定為白天，此時電機反轉，窗簾合閉。圖4-10亮度控制單元程序4.3.5系統紅外線控制單元程序首先通過亮度傳感器檢測室內亮度，以10lux作為臨界值，當室內亮度低于10lux時，并且紅外線傳感器探測到有人活動室時，控制燈亮，當人離開時，延時30秒控制燈滅。實現了人來燈亮，人走燈延遲滅的智能控制。當室內亮度超過10lux，無論室內是否有人，燈都不會亮。在陰天、雨天等特殊情況下，用戶可以選擇手動控制，對室內燈具進行控制。圖4-7為紅外線控制單元程序。圖4-11紅外線控制單元程序4.4PID控制4.4.1傳統的PID控制PID控制算法是一種發展的比較早的算法。它具有使用簡單，魯棒性好，可靠性高的特點。正是由于這些優點，該算法被廣泛用于在實際工程中[4]。經典的PID控制是檢測系統的偏差e，然后通過比例作用，積分作用和差動作用計算控制量u的值。比例作用的調節可以降低偏差，比例系數的大小決定了控制的程度，因此比例系數的選擇必須要合適。積分作用可以消除穩態誤差。微分作用能提高系統的響應速度，降低超調量，進而優化系統的動態性能REF_Ref30557\r\h[5]。經典的PID控制算法對室內的環境參數進行實時的檢測，智能的根據室內溫度的變化來調節空調溫度值的設定從而達到智能控制的效果。圖4-12傳統PID控制系統原理圖下面對PID控制各個環節進行簡單的分析：比例環節對系統性能的影響。比例作用按一定的比例的顯示出系統的偏差信號e（t）；如果有偏差信號產生，控制器就會馬上產生控制作用來減小偏差的大小。其對系統的影響有如下特點：①動態系統的影響：如果比例控制系數增大，系統的動作就會變得很快而且十分靈敏；如果偏大，系統振蕩的次數就會增加，調節的時間也會變的更久。當太大的時候，系統的狀態就會趨于不穩定。但是如果太小的話，又會使系統的動作變得十分緩慢。②穩定性的影響：在穩定的系統中，如果增加比例控制系數，就可以減小靜差，從而提高控制的精確程度；但是加大系數只能減少穩態誤差ess，不能徹底的去除穩態誤差。積分環節對控制性能的影響。積分環節的作用是消除穩態誤差，提高系統的“無差度”。其對系統的影響如下。①動態性能的影響。系數可以改變系統的穩定性。如果太小，積分作用的控制效果就會增強，系統會慢慢的趨于不穩定狀態。如果偏小，就會增加系統的振蕩的頻率。如果系數太大，又會減少對系統的影響。只有當合適時，才能得到理想的過渡特性。②穩態特性的影響。系數可以去除系統的穩態誤差，提高控制的精準程度，但是如果太大，積分的控制作用就會變得很弱，導致不能達到有效的減小穩態誤差的效果。微分環節對控制性能的影響。微分時間常數越大，微分作用就越明顯。微分的主要功能是表現出誤差信號速度的變化，能在偏差信號變得太大之前，加入一個修正信號，這樣就可以有效的減小超調量，進而提高了系統的穩定性。但是微分作用對高頻誤差信號很敏感。如果系統存在高頻小幅值的噪聲，則它形成的微分作用可能會很大，這是不希望出現的。綜上所述，參數的設定直接影響到系統的不穩定性，在控制相同的控制對象時，采取不同的控制規律，會有不同的控制效果，所以不同的控制規律各有各的特點。4.4.2PID在PLC的應用PID控制實現過程是：傳感器檢測環境參數輸入到PLC中，然后PLC控制器經PID運算得出控制量控制占空比，輸出PWM脈寬調制信號來控制固態繼電器的通斷，從而調節加熱器的功率大小，達到控制加熱器加熱溫度的功能。當室內環境溫度小于19℃時就會調用PID子程序，通過PID運算輸出PWM脈寬調制信號，然后PLC外部連接一個固態繼電器，PWM控制繼電器通斷實現加熱功率的強弱調節。具體的PID實現步驟是通過S7-200編程軟件自帶的PID設置向導，設置PID回路參數、輸出量程范圍、回路報警設置等。完成向導后，如果需要實現控制還需要把PID子程序進行調用，如圖4-9PID控制程序 圖4-13PID控制程序第五章系統上位機設計本文的上位機仿真軟件選擇使用6.55版本的組態王，通過仿真對智能家居控制系統進行控制和對整個控制系統的工作狀態與工作數據進行監控和記錄，實現了實時監控的要求，能隨時根據個人需求對系統進行調節控制，使系統的運行更加智能。5.1組態王軟件簡介組態王，即組態王開發\t"/item/%E7%BB%84%E6%80%81%E7%8E%8B/_blank"監控系統軟件，是新型的工業\t"/item/%E7%BB%84%E6%80%81%E7%8E%8B/_blank"自動控制系統，它以標準的\t"/item/%E7%BB%84%E6%80%81%E7%8E%8B/_blank"工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。組態王kingview6.55是一款在工業上應用非常廣泛的監控軟件，它有許多功能模塊和龐大的數據庫，同時兼備優越的開放性，可以與多種PLC、變頻器等自動化設備連接通信。這款軟件集過程控制設計和實時操作于一體，使工業生產管理模式達到最好的狀態。REF_Ref11114\r\h[16]5.2智能家居監控系統設計要求智能家居控制系統的組態設計過程主要需要設計的內容有：控制畫面的設計、定義變量、設備動畫的連接、關聯外部設備、通訊端口的設置、運行調試等；設計流程圖如圖5-1所示REF_Ref11114\r\h[16]。通過組態軟件設計，要求實現以下基本功能：控制模式選擇畫面，溫度控制畫面，濕度控制畫面，窗簾控制畫面的設置與動畫連接。能對執行設備的設定值進行修改，當達到設定值時，程序運行，控制設備工作狀態。記錄溫濕度的數值曲線變化趨勢。故障報警系統畫面的設計圖5-1組態王設計流程5.3智能家居控制系統畫面設計控制模式選擇界面控制模式選擇界面包括：畫面切換選項、手動控制模式按鈕、自動控制模式按鈕和退出按鈕。主要實現的功能有：能進行畫面的切換，切換到用戶所需的畫面；能選擇控制模式，當選擇手動控制模式時畫面切換到相對應的控制畫面當中，然后根據用戶需求對控制系統進行控制；當選擇自動控制模式時，通過用戶自行切換到所需監控的設備畫面，對工作中的設備進行監控。當想退出時點擊退出按鈕即可。控制模式選擇界面圖如圖5-2所示。圖5-2控制模式選擇界面溫度控制界面溫度控制界面的主要設計內容有：顯示室內溫度的數值，并可以記錄實時的溫度數據并繪制成曲線，用戶可以監視空調的運行狀況并可以控制空調的啟停。溫度控制界面如圖5-3所示圖5-3溫度控制界面濕度控制界面濕度控制畫面設計內容有：顯示室內濕度的數值，并可以幾率實時的濕度數據并繪制成曲線，用戶可以監視加濕器和除濕器的工作狀態，并可以控制設備的啟停。濕度控制界面如圖5-4所示圖5-4濕度控制界面窗簾控制界面通過小車的水平移動模擬窗簾的工作狀態；窗簾控制界面設計內容有：顯示窗簾的工作狀態，控制窗簾的拉開與合閉。窗簾控制界面如圖5-5所示圖5-5窗簾控制界面