基于PLC的智能家居系统设计

自动化1205傅建忠1070412505

摘要

随着人们生活水平提高和科技水平的进步，人们对于家居的要求越来越高，日常生活的各方面都朝着数字化、网络化、智能化、人性化的目标发，智能家居正好满足人们这些方面的要求，因此受到极大的关注。本文设计的智能家居系统不同于一般的自动化产品，从技术层面深刻解读智能化的家居系统，打造真正的安全、舒适、便捷的家居PLC控制系统。用GSM作为网络媒介和联通个人和家庭网的工具，通过短信等方式进行远程检测和控制。本文主要基于PLC技术对智能家居控制系统进行设计，主要涉及到的技术有自动控制技术、通信技术、计算机技术等，优化算法，实现高效率、低成本、易操作的系统。

关键字PLC；家庭内组网；GSM模块；可编程控制器

第1章绪论 (1)

1.1概述 (1)

1.2智能家居的研究意义 (1)

1.3智能家居的国内外研究现状 (1)

第2章系统的总体设计方案 (2)

2.1设计思路 (2)

2.2功能介绍 (3)

2.3主要模块介绍 (3)

第3章硬件设计 (3)

3.1智能网关 (3)

3.2PLC通信模块 (4)

3.3GSM模块 (4)

第4章软件设计 (5)

4.1通信协议 (5)

4.2远程控制软件设计 (5)

参考文献 (6)

第1章绪论

1.1概述

智能家居（英文：smart home,home automation）是以住宅为平台，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[1]。智能家居是在互联网的影响之下物联化体现。物联网（Internet of Things，IoT）被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮[2]。智能家居就是利用物联网技术把家用电器、照明设备、冰箱空调、防盗系统、消防系统、报警系统、水电系统等通过传感器等联通起来，实现更加安全、高效、便捷。传统的家居，在新时代和新技术的帮助下，仿佛一个活生生的动物一样，不仅能够感知外界的变化，还能“思考”，根据设定的规范或者基于大数据从，自己给出最优的解决方案，极大地改善人们的居住条件，并且还赋予了除了居住之外的其他功能和体验。

本文主要基于PLC技术对智能家居控制系统进行设计，主要涉及到的技术有自动控制技术、通信技术、计算机技术等，优化算法，实现高效率、低成本、易操作的系统。

1.2智能家居的研究意义

随着现代社会的发展，人们的物质水平和精神水平得到了极大的提升。人们的要求也越来越高，尤其是对于科技的普遍使用和科技水平进步的速率加快，人们对于科技的要求和预期也随之大增，互联网日益普遍，尤其是智能手机的使用，人们将很多功能搬到手机上，终端操作非常方便，人们也非常习惯便捷、简易的操作。同时，随着生活压力和生活节奏的加快，对于精神方面的要求也越来高，家庭逐渐变成了一个集居住、休闲、办公、娱乐等多功能的处所。日常生活的各方面都朝着数字化、网络化、智能化、人性化的目标发展[2]。智能家居正好满足人们这些方面的要求，因此受到极大的关注。近年来，主打智能家居的产品很多，可是从总体上来看，行业发展缺少统一标准，产品质量也参差不齐，并且倾向家居自动化，而非智能化[3]。

本文超越一般的自动化产品，从技术层面深刻解读智能化的家居系统，打造真正的安全、舒适、便捷的家居PLC控制系统。PLC，即可编程序控制器(Programmable Logic Controller，GSM(全称为Global System for Mobile communication)。用GSM作为网络媒介和联通个人和家庭网的工具。

1.3智能家居的国内外研究现状

在很早很早以前，人们就幻想能有一个智能化的建筑，但是囿于当时的生产力和科技水平，这也只能成为一个幻想。1884年，美国是第一个真正将这一个幻想付诸实践的国家。一直到二十世纪八十年代美国联合科技公司才将这一概念付诸行动。

1998年5月份在新加坡举办的“98亚洲家电与电子消费品国际展览"上推出了“新加坡模式”的家庭智能化系统[4]。到2000年为止，在新加坡有近三十个社区大约五千户的家庭安装了“家庭智能系统”，美国已有近四万户家庭采用了这一类的“家庭智能系统”[5]。从2003年春节后，韩国三星公司在中韩两国开始同时推出其智能家居系统，通过网络和机顶盒，将家居自动控制、信息家电、安防设备和娱乐信息中心这四部分集合成一个全方位的、面向互联网的家居智能控制网络。

我国在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》中，将建设智能化小康型示范小区列为国家着重发展项目，国家投资了十五个亿来支持该项目的实施落实[6]。国家非常重视，胡锦涛在访美期间还参观了比尔盖茨的智能家庭，感受颇深。社会各界空前关注智能化行业发展，与之相关产业也大力发展，如物联网、通信等，李克强总理2015年还点名中国网速太慢，网费太贵。我国智能家居的发展道路有一定的特殊性，其智能化是由智能小区和家庭安全防护系统逐步发展演变而来[7]。2000年，我国在小康型城乡住宅项目实施方案中将建造智能化示范小区列入国家大力发展项目，这就促使我国的智能化建设的重点方向是从智能大厦建设向智能住宅小区、智能化家居系统建设发展[8]。2006年8月25日在北京召开的“国际智能家居高峰论坛”上，与会专家们共同讨论了中国智能化家居未来的发展方向。相关专家指出，在中国，智能化家居也有了初步发展，但远不如想象中乐观，虽然投资金额和数量有着惊人的增长，但是工程质量却名不副实，需要意识到我国智能家居还有很大的努力空间[9]。

第2章系统的总体设计方案

2.1设计思路

将智能家居分为三个层次，

分别定义为感知层、网络层和应

用层三个层次，从物到人。

2.1.1感知层

感知层为家庭内各个需要

观测的对象或者指标通过传感

器来感知，实现准确、快读地采

集各项需要的内容。感知的内容

送往网络层，感知层是对底层、

最基本的层次。

2.1.2网络层

网络层集成了来自感知层的数据、人们设置的参数和要求等，组成家庭网络，和感知层与应用层进行交互。可以通过WEB发布在网上或者输送到想要保存的位置。

2.1.3应用层

应用层包含从网络层运送到各种终端设备的传输设备和终端设备，终端设备可以是手机、电脑，甚至可以是任何一个物体，即物联着人，还可以物联着物。系统地框图见图1。

2.2智能家居内部组网方案

网络技术的发展为人们提供了更多的网络传输方式，智能家居系统需要首先需要把感知的信息传送到一个网络层中，方式很多，最主要的组网方案有载波技术、无线技术和现场总线技术。

2.2.1载波技术

用电力线载波来传

递信号，有高压、中压和

低压电力线三种。显然，

高压不适用于家居，低压

可以对于家居系统来说，

可以采用低压电力线作

为信号的传输介质。稳定

性高并且成本低。

2.2.2无线技术

无线技术更加方便，

可以绕过障碍物，安装也

十分简单方便，还避免了电线的危险性。目前技术较为成熟，主要有有WiFi、蓝牙、Zigbee等。尤其是WiFi技术，使用最为普遍，稳定强，速度快，所能覆盖的范围较广。

2.2.3现场总线技术

现场总线技术目前应用最广泛，稳定相和抗干扰性非常强，该总线技术上的每一个节点都是平等的，当一个节点失控，并不会影响其它节点的正常运行，具有安全性能高、控制功能丰富的优点，但是其价格相对较高[10]。

第3章硬件设计

3.1智能网关

智能家居的硬件很多，电表、电线、插座、家用电器等。通过智能家庭网关来管理其他电器。PLC是一种利用电力线传输数据的通信方式[11]。.以传输电流的电力线作为通信载体，PLC具有极大的便利性，只要房间里有电源插座便可接入网络，从而

实现数据传输.智能家庭网关主要实现网络接入，实现互联网与室内电力线局域网的融合[12][13].而且还有其他很多优点，比如带宽高、结构简单，互联性能好。智能网关硬件系统主要包括：主处理器模块、电力线载波模块、调试接口模块、以太网模块和电源模块.主处理器模块主要负责数据存储、命令控制；电力线载波模块主要负责电力线载波的调制解调与收发；调试接口模块主要用于系统调试和参数设定；以太网模块，主要负责互联网通信；电源模块负责供电和后备电池切换[14]。

3.2PLC通信模块

安装有ＰＬＣ通信设备整机内的ＰＬＣ通讯模块既负责与其对应的显示板进行通讯，也负责与ＰＬＣ终端网关进行通讯。网络交换处理ＩＣ负责接收ＩＮＴ６４００传来的数据并将数据转化后传给ＲＪ４５接口,如图3。业务处理ＩＣ根据通讯协议解析接收到的数据，并将数据通过ＳＰＩ接口或ＵＡＲＴ接口直接传送给家电ＰＣＢ板上的ＭＣＵ。同时将家电传来的数据打包后发送给ＩＮＴ６４００[15]。PLC通信模块放置于需要感知的对象上，然后和网关相连,如图4.

图3PLC通信模块图4PLC模块和网关关系

3.3GSM系统

GSM短信模块是一种基于无线GSM网络技术的工业级MODEM(调制解调器)，它内嵌入GSM无线通信模块、集成卡槽、天线及各种外围电路等。卡槽内插入移动运营商的SIM 卡，就可以建立与移动运营商的短信中心的无线连接的装置。通过GSM短信模块的连接就可以实现主控器与应用系统之间短信的自由收发[16]。本系统采用的GSM短信模块是己取得国内无线电设备入网证的SIEMENS公司推出的TC35i模块[17]，该模块性价比比较高，并且符合ETSI标准的GSM7．07和GSM7．05[18]。TC35i系列模块是SIEMENS 公司为适应各专业领域对于语音传输和无线数据传输及可开发性的需求而推出的基于GSM900移动通信网络系统的OEM(全称Original Equipment nufacturer)模块[19]。TC35i模块集成了射频电路和基带，并且为用户提供标准的AT命令接口，同时可以

为数据、语音、短消息和传真等提供稳定、安全、快速的传输，而且为了满足用户开发、设计和应用的需求，接口协议也公开[[20]。TC35i模块主要有电源模块ASIC、GSM 射频模块、GSM基带处理器、天线插槽、FLASH、ZIF连接器这六部分[21]。

第4章软件设计

4.1通信协议

智能家居的控制系统主要依靠网络传输，因此通信是最主要的输送方式，它的通信协议，采用TCP/IP协。

4.2远程控制软件设计

使用GSM。全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile communication，简称GSM)。GSM短信模块提供了完全符合GSM7.05与GSM7．07规范的命令接口。GSM07．07中定义的AT命令接口提供了一种数据终端设备和移动平台之间通讯的通用接口，而GSM07．05又对短消息作出了详细规定[22]。

参考文献

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