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基于三菱PLC的智能家居服务系统设计

2009年 11月

第 1 6卷增刊

控 制 工 程

Control Engineering of China

Nov. 2 0 0 9

Vol. 1 6, S3

文章编号: 1671-7848( 2009) S3-0044-05

  收稿日期: 2009-08-18;  收修定稿日期: 2009-09-25

  作者简介: 罗昔柳 ( 1987-), 女, 浙江遂昌人, 主要研究方向为复杂工业过程的建模与智能控制等。

基于三菱 PLC的智能家居服务系统设计

罗昔柳, 边洪瑞, 秦迎梅

(天津大学 电气与自动化工程学院, 天津  300072)

摘   要: 利用三菱 PLC性价比高, 利于学习, 易于组成网络的特点, 设计一款基于三菱

PLC的智能家居服务系统。通过对环境变量的检测, 结合房屋主人的设定, 自动对房屋进行控

制调节, 创造出一个智能、节能、最优于人居住的环境。利用 5组 PLC 相关模块实现烹饪、

空调、清洁、安防、花园、仿生机器人 6个系统功能。控制系统分别在主站、厨房、卧室、花

园、门卫 5个软硬件模拟的场景中实现, 5 组 PLC 通过 CC-LINK 组成网络, 并在主站 MOVI-

CON组态软件监控。

关 键 词: 智能家居服务系统; 三菱 PLC; MOVICON监控; CC-L ink网络

中图分类号: TP 27   文献标识码: A

M itsubishi PLC-based SmartHome Service System Design

LUO X i-liu, B IAN H ong-rui, QIN Ying-m ei

( School of E lectrica lEng ineering& Autom ation, T ianjin University, T ianjin 300072, China)

Abstract: A M itsub ishi PLC-based sm art hom e service system is designedThrough the detection of environm en tal variab les, and com-

b ined w ith housing m aster settings, the system autom atically control the housing regu lation autom atically, creating a sm art, energy-sav-

ing, optimal living cond itions F ive groups of PLC modu les realize s ix system functions such as cook ing, air cond ition ing, cleaning, se-

curity, gardens, and b io-robot The control system is imp lem ented by them ain station, k itchen, bedroom, garden, and guard five hard-

w are and softw are system s F ive PLC groups form the network by CC-L ink, and beingm onitored byMOV ICON softw are in them ain sta-

tion

K ey words: sm art hom e service system; M itsubishi PLC; MOV ICON m on itor; CC-L ink network

1 引  言

智能家居是 IT技术 (特别是计算机技术 )、网

络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然

结果 [ 1] 。由社会背景之层面来看, 近年来信息化的

高度进展, 通讯的自由化与高层次化、业务量的急

速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率

性要求的提高, 造成家居智能化的需求大为增加;

此外在科学技术方面, 计算机控制技术的发展与电

子信息通讯技术之成长, 也促成了智能家居的诞

生。

目前, 通常把智能家居 ( SmartHome)定义为利

用电脑、网络和综合布线技术, 通过家庭信息管理

平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在

一起的一个系统 [ 2] 。也就是说, 首先, 它们都要在

一个家居中建立一个通讯网络, 为家庭信息提供必

要的通路, 在家庭网络的操作系统的控制下, 通过

相应的硬件和执行机构, 实现对所有家庭网络上的

家电和设备的控制和监测。其次, 它们都要通过一

定的媒介平台, 构成与外界的通讯通道, 以实现与

家庭以外的世界沟通信息, 满足远程控制、监测和

交换信息的需求。最后, 它们的最终目的都是为满

足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的

需求。

网络化的智能家居系统可以提供家电控制、照

明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、

防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手

段, 使生活更加舒适、便利和安全。对于当代家庭

尤其是对于出门在外或工作繁忙的家庭来说, 如果

拥有一套自动服务系统, 可以进行远程保安, 花园

护理, 根据外部环境调节室内的温度, 可以根据需

要设定室内环境等。除此之外, 环保也是此种智能

房屋具备的又一特点, 不仅能够节省人力, 节约成

本, 还可以节省空间, 使人们更加充分感受到科技

的进步为人们生活带来的便利。

智能家居在我国的发展, 现阶段遇到了 3个大

问题: 系统复杂、价格昂贵、不切实际。本设计利

用三菱 PLC 实现了智能家居服务系统的基本功能。

PLC 的使用使得系统体积减小, 设计成本下降, 而

且系统性能稳定, 可靠性高, 易于操作。

三菱公司生产的 Q 系列 PLC 是一种高性能,

高稳定性的控制器, 其 CC-L ink总线是一种开放式

的现场总线, 通信稳定可靠, 易于实现控制的网络

化。综上所述, 利用三菱公司提供的 PLC 系列模

块 ( CC-link, etherne,t DA, AD, I/O 等 ) 和 MOV ICON

组态软件组成的 PLC 网络, 设计了适用于家庭生

活的智能家居服务系统。

2 系统结构

1) 系统结构 系统总体结构, 如图 1所示。

图 1 系统总体结构图

2) 系统功能  智能家居服务系统通过对环境

变量的检测, 结合房屋主人的设定, 自动对房屋进

行控制调节。创造出一个智能、节能、最优于人居

住的环境。其可实现以下功能: 定时做饭, 房间清

洁, 室内温度和湿度的实时调节, 花园维护, 防盗

安全及密码锁系统。

 烹饪系统  现代都市人工作繁忙, 精神压力

大, 加之大都市糟糕的上下班交通情况, 朝九晚五

的生活对于都市白领是可望而不可及的。因此, 解

决早餐晚餐问题对这些人们来说是一件痛苦的事。

智能家居服务系统作为一款智能、人性化的家居管

理系统, 针对此种情况提出了烹饪系统的方案以解

决人们这方面的顾虑, 即屋主设定做饭时间, 烹饪

系统到点即启动做饭操作。

烹饪系统所实现的具体功能是: 当当前时间与

屋主所设定的时间相等, 开启做饭按钮, 微波炉开

始运行, 即开始做饭。通过 PID的微波炉温度控制

和时间控制来监控做饭过程。当温度达到设定值,

且在一定时间内稳定在设定值上下特定范围后, 做

饭过程完成。

 空调系统  空调系统是智能建筑中楼宇自动

化 BA ( Bu ild ingA utomation) 子系统的重要部分, 根

据 以人为本 的原则, 系统通过对空气的处理,

使其温度、湿度、流动速度、新鲜度及洁净度等指

标均符合相关场所的使用要求, 使人在其中得到最

佳舒适度 [ 3] 。

现在的空调系统对温度的调节需要以人为依

托, 只有在人感觉到温度不适应时, 才会开启空调

进行温度调节, 然而由于调节的时间滞后性, 使得

温度无法在短时间内达到人所需要的合适温度, 此

外, 当温度达到所设定的温度即保持不变, 无法根

据室内的实际温度对温度进行实时的调节, 若想让

温度始终处于合适的范围内, 就需要人不断手动地

调节空调, 既不方便, 也不智能。设计的智能空调

系统可以弥补这一不足, 即可自动调节室内的温

度, 当实时的温度超过了人适合的正常温度, 那么

空调自动开启使温度上升或者下降, 从而能够使温

度维持在一个合理的范围之内。这样可以避免室内

忽冷忽热, 增加了室内舒适度, 同时减少了人的工

作量。

 花园管理系统 传统的花园管理如浇水、施

肥、剪草等需要人工操作, 即使现在的花园管理工

具越来越多样, 越来越节省人力, 但对于工作繁忙

的人来说, 仍是一项浪费时间与精力的工作, 所设

计的花园管理系统可实现完全智能化, 自主地根据

家居主人的意愿对花园进行管理, 如对施肥时间进

行设定则系统就会在到达设定时间时自动施肥, 通

过传感器检测到花园不同地点的湿度自动调节喷泉

的开闭等等。在本次设计中, 通过 PLC 对施肥车

及喷泉控制来模拟花园管理系统。

清洁系统 当结束了一天的工作, 疲惫不堪

地回到家中, 面对 锅碗瓢盆, 满是污垢  的现

实生活的时候, 如果有个人能够替你承担, 你只需

发号施令 就可使一切变得干干净净, 你就可以

毫无顾虑地做自己想要做的事情。家居主人只要预

先设定好清洁的时间, 机器人就会根据时间来打

扫, 而这个控制过程是由 PLC 自动控制来完成的,

在本次设计中用卧室这个场景中的机器人定点清洁

地板来模拟清洁系统实现的功能。

 防盗系统 随着城市居民住宅小区的大量崛

起和人们生活水平的不断提高, 促使人们在家庭住

宅的观念上逐步发生变化。人们不仅需要宽敞、豪

华的住宅, 同时也希望有一个安全、便利的生活空

间 [ 4] 。对于出门在外的人或者经常出差的人来说,

家庭防盗就显得尤为重要了, 现在普通家庭大部分

仍然使用简单的门锁来防盗, 这对于高科技的犯罪

来说所能起到的作用是微乎其微的, 而如果雇佣保

安看家, 则成本又太高, 不经济, 而本系统设计的

智能防盗系统就可以代替人看家。首先, 使用密码

锁, 这样增加了门的安全性及可靠性, 可以防止小

偷进入室内行窃。其次, 监视保护, 当有陌生人接

近房屋时, 报警装置会迅速启动, 机器人在报警装

45 增刊         罗昔柳等: 基于三菱 PLC 的智能家居服务系统设计

置启动后会进行巡逻监视, 在发现陌生人时采取相

应的措施, 当其确定安全后, 才会关闭报警装置。

机器人系统 机器人系统是智能家居服务系

统的一个创新点。分析传统的楼宇控制系统和智能

家居系统, 实现的多是简单的开关量和模拟量的控

制, 很难达到拟人的效果。在传统的智能家居系统

中加入机器人系统后, 将能部分代替人的功能, 使

整个家居服务系统更加智能化。

在所设计的系统中, 将机器人运用到清洁及防

盗系统中。机器人在接收到命令后, 自动按照要求

迅速做出反应, 执行相应的动作, 完成任务后, 自

动回复到初始状态。

3 系统设计

1) 硬件设计 硬件连接, 如图 2所示。

图 2 硬件结构图

 卧室系统  由一个 CPU ( Q02H ), 一个 CC-

L ink模 块, 一个 AD ( Q64AD ) 模块, 一 个输 入

(QX40)模块, 一个输出 ( QY10)模块组成。AD 模

块将采集到的现场实际温度 (用电位器模拟 ) 或湿

度 (用电位器模拟 )传给 CPU, CPU 经过运算处理

后对输出进行控制, 即是否开启空调或空气加湿

器, 温度或湿度是上升还是下降。可以利用 MOV I-

CON 组态软件设定打扫的时间, CPU 在进行判断

后决定是否进行清扫工作, 此外通过 CC-Link的通

信, 可以实现卧室与主站之间的信息传递。

 厨房系统  由一个 CPU ( Q12PH ), 一个 CC-

L ink 模块, 一 个 DA ( Q 62DAN ) 模块, 一 个 AD

(Q 64AD) 模块, 一个输入 ( QX40)模块, 一个输出

(Q 10)模块组成。本系统实现了对温度过程的控

制。通过输入模块设定做饭时间, CPU 进行判断后

给出做饭指令, AD 模块将实时温度传给 PLC,

CPU 通过 PID控制对温度进行调节, 并通过 DA 模

块输出调节后的温度, 从而使温度最终稳定在某一

范围内, 并持续一段时间后, 做饭结束。

 花园系统  由一个 CPU ( Q02H ), 一个 CC-

Link 模块, 一个 DA ( Q62DAN ) 模块, 一 个 AD

(Q64AD)模块, 一个输入 ( QX40)模块, 一个输出

(QY10)模块组成。AD模块将采集到的现场实际湿

度 (为精确, 本处对采集的四点湿度取平均值作为最

终的实时湿度 )上传给 CPU, CPU 进行运算处理后

控制输出, 决定是否开启喷泉对花园进行灌溉; 通

过输入模块设定施肥的时间, 在当前时间到达设定

时间时, CPU 输出控制信号, 小车行动开始施肥。

防盗系统  由一个 CPU ( Q02H ), 一个 CC-

Link 模块, 一 个输入 ( QX40 ) 模 块, 一个 输 出

(QY10)模块组成。小偷出现时, CPU 接到输入信

号后发出控制指令, 警报器响起, 报警灯点亮, 同

时保安出动, 保安关闭警报后, 恢复常态。

 密码锁系统 由一个 CPU ( Q02H ), 一个 CC-

Link模 块, 两个 输 入 ( QX40) 模 块, 一 个 输 出

(QY10)模块组成。密码由输入模块输入, 经过 CPU

运算处理后输出控制信号, 控制门是否开启或关闭。

温度变化过程  本设计采用 RC 电阻电容电路

模拟温度变化过程。RC电路原理图, 如图 3所示。

图 3 电阻电容电路

由基尔霍夫电压电流定律及傅里叶变换可以得

到, 电容两端的电压与回路电压之间的关系为

u( c) = u

1+ Ts

式中, T = RC, 为回路的时间常数。

对于温度系统, 变化比较缓慢, 时间常数比较

大, 通常为几秒, 但本设计为了使温度能够进行快

速调节, 选用的参数为 R = 15 M , C = 1 F, 即

时间常数 T = RC = 15 s。

2) 软件设计

 系统软件结构  本系统采用两层软件结构,

上位机采用 MOV ICON 软件实现监测和控制; 下层

PLC 实现系统的检测和控制功能。主监控室可以对

所有的场景实施监督控制, 点击相应的按钮既可以

进入指定的场景, 从每一个场景既可以返回到主监

控室, 又可以切换到其他的场景, 实现了各场景之

间的自由转换。

46 控  制  工  程                第 16卷 

上位机采用的 MOV ICON 组态软件是一款支持

所有类型的控制和硬件的 Scada/HM I软件, 通过直

接和间接的驱动, 可以支持几乎所有的工业设备,

PLC, 现场总线和网络。它拥有强大的绘图能力,

丰富的图形库和模板技术, 其实时数据库可与支持

ODBC的数据库实时动态双向交换数据, 实时数据

库还可直接定义数据跟踪记录、存取权限、报警、

历史记录、网络连接等。MOV ICON 拥有效率极高

的通讯驱动程序, 支持主要的 PLC 及通讯方式,

可自动从 PLC编程软件导入变量定义。

本系统利用 MOV ICON 组态软件模拟现场场

景, 实现上位机对下位机的监控。

 软件设计  PLC 软件部分包括以下几部分:

主监控室, 卧室, 厨房, 花园, 门卫。通过 CC-

L ink的连接, 实现了主站和从站之间的通信, 从而

可以通过主站对从站进行控制和监视。

a) 主站通过对接收的信息判断, 确定是哪一

个从站发出了信息, 从而通过远程输出向机器人发

出命令, 使得机器人按照相应的指令运行。既可以

实现用一个机器人完成任一场景的动作。具体实

现, 如图 4所示。

图 4 机器人 PLC流程图

b) 主站与从站之间的信息传递过程。例如在

保安防盗系统中, 从站 PLC 在接收到小偷出现的

信号时, 启动报警器和报警灯, 同时将信号上传到

主站 PLC, 主站接收到信号后使保安出动, 在保安

关闭报警器后, 主站将结束命令发送给从站, 完成

一次保卫任务。具体结构, 如图 5所示。

图 5 门卫场景结构图

c) 本设计使用了一个主站 PLC, 4 个从站

PLC, 每一个 PLC拥有自己独立的程序, 以卧室场

景为例, 给出系统的程序实现, 如图 6所示。

图 6 卧室场景流程图

4 机器人控制系统设计

本次设计中选择具有 6个自由度即 6个伺服电机

(舵机)的机器人,该款机器人能够根据用户的需求进

行自行编译程序来控制其运动形态。控制板采用

STC12C5412AD单片机。该款单片机是非常全面的, 此

单片机运行速度快, 内部模块丰富。使用这种单片机

控制机器人运动, 可以使机器人做出更加复杂的动作。

跟大多数数控设备一样, 此机器人也采用主从

式的伺服结构控制方式。即负责用户交互软件的为

主 CPU 即 STC125410AD 芯片。其他的具体执行关

节位置及速度命令的为从 CPU, 从 CPU 用来控制伺

服电机。由于机器人的关节较多, 所以整个属于多

轴联动系统。程序里面要用到数据通讯、位置跟踪、

联动与数值插补等技术。本系统对机器人控制的流

程图, 如图 7所示。

图 7 机器人系统流程图

47 增刊         罗昔柳等: 基于三菱 PLC 的智能家居服务系统设计

5 结  语

本设计利用三菱 PLC 的相关功能模块以及

MOVICON 组态软件实现了智能家居服务系统最基本

的功能。各个子系统既相互独立, 彼此又能通过 CC-

L ink进行通信, 从而组成一个功能复杂的网络系统。

利用一阶 RC电阻电容电路来模拟实现温度的变化过

程, 利用电机带动滑块负载模拟施肥车的运动, 既形

象又简单。对室内温度及湿度的自主调节, 自动根据

环境湿度开启喷泉使得系统兼有节能环保的功能。

与以往 PLC 主要用于工业控制不同, 本设计将

PLC控制应用于日常生活中, 实现了 PLC 的智能控

制; 利用 PLC 控制机器人的动作; 利用 PLC-Q 系列

模块, 实现了温度过程控制和运动控制相结合; 系统

具有可扩展性。

参考文献:

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(上接第 23页 ) 具体流程, 如图 3所示。

图 3 程序流程图

5 调  试

将各模块用电缆连接好之后, 分别进行硬件和

软件测试。线路链接正常时, 主模块  RUNLED,  L

RUNLED,  M STLED 亮起; 异常时,  ERRLED 亮

起。通过人为改变传感器所处的环境, 来观察系统

的运行情况。调试后, 可实现预期目标。

6 结  语

整个系统的运行主要利用软件控制完成, 设置

有手动、自动和半自动 3种可以相互切换的控制模

式, 可以在不同的场合和不同的情况下选择适当的

控制模式, 以达到节能的目的, 具有选择性, 更加人

性化。并且可以通过触摸屏选择不同的控制模式,

可以对教室内的电器设备和室内环境 (如温度、人数

等 )进行实时监控, 方便管理和控制。此外, 该系

统还有很大的提升空间, 例如, 还可以在室内增加

1个报警系统, 以使整个教学楼的控制更加的安

全。同时, 该系统的稳定性较高, 安装成本较低,

经过相应改善, 该节能控制系统, 不仅适用于校

园, 亦可用于各种大型公司企业、停车场等公共场

所, 具有一定的推广和应用价值。

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48 控  制  工  程                第 16卷 


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