基于PLC的家居安防系统设计

基于PLC的家居安防系统设计

刘灿 ,李桦芃指导老师

（山东协和学院 济南 250107）

摘要：随着改革开放以来中国经济爆发式增长，国民生活水平的提高，人们对于现在使用的家居安防设备，自动防盗门、防雨窗、防燃气泄漏等具有人性化功能的产品了极大兴趣，安全、舒适、快捷、方便的家居环境，已成为住宅发展的主流趋势，其中的安全属性更是尤为重视。家居安防系统的重点是为解决当前人们的物质生活更加丰富所造成的家居安全问题，其目的是为人们提供更加安全的居住环境。

本文所介绍的家居安防系统，是用市面上常用且价格合适的FX3U-64MR/ES-A来实现控制，结合家中现有的门窗、除湿器、空调等家具设备，通过连接电机和其他输出设备实现智能化控制。并且本设计系统本着高性价比的方针，考虑到不同家庭的收入水平，决定在满足不减少使用功能前提下采用的高性价比传感器产品，同时为了兼顾以后家居安防系统的升级工作，设计工艺和核心器件都有拓展和预留接口。

1.引言

人们越来越需要一种对家庭安全起到一定作用的系统，这就使得发展初期的家庭安防系统进入人们的视野。为了提高人们家居生活质量，改变现有的生活条件使家居环境更加智能安全。随着民用科技的发展，智能化的家居环境已经成为不可阻挡的趋势。智能化产品在家居生活中已经担任了重要的地位，家居危险源相对于之前也有一定的改变。

2.总体方案设计

家居布线系统：第一步就要进行布线的基础设施建设，家居布线系统把PLC、红外线检测、烟雾传感器、可燃气体传感器等其他设备的安放位置，通过集中规范的布线，实现便于管理、统一管理、未来升级、方便维修等。并且为进一步整合家居设备提供更加智能化的家居环境奠定基础。

家居设备互联系统：主要用途是通过PLC对家居设备进行智能化控制，控制对象为太阳能板伸缩电机、窗户开关电机、室内电灯等设备。在兼顾安防的前提下给用户提供更加舒心的家居环境。

安全防卫系统：该系统为家居安防系统最核心部分，主要用途是保护家居安全，通过现代控制技术检测家居危险因素。利用各种传感器来检测包括燃气、门窗、烟雾等功能，为用户提供安全的家居环境。

3.硬件选型

3.1PLC的选型

家居安防系统综合考虑使用需求，确定型号为三菱FX3U-64MR/ES-A，如图3-10所示。输入输出各为32点，采用GX Worlds2编程软件编制家居安防系统控制程序，通过输入口传输各位置传感器信号，经过内部已编程序处理，对电机、警报、燃气、火灾进行控制功能。

图3-1 FX3U-64MR/ES-A

3.2电机的选择

对所有因素进行分析，家居安防系统决定使用，山东山博集团制造的高性能DC永磁蜗轮电机中性价比相对较高，且适合本设计的直流减速电机型号为ZJ20087-05，如图3-2所示。可以实现快速控制，并且直流减速电机ZJ20087-05还有体积小、振动小、噪音小、耗电小、易控制等。

图3-2 直流减速电机ZJ20087-05

3.3各种传感器的选型

可燃气体传感器选型为MQ-2，如图3-3所示。当浓度达到设定好的值时，该传感器对外发出声光报警信号，开启排风设备或者驱动直线电机来控制窗户开启。

图3-3 MQ-2

烟雾传感器选用型号为JTY-GM-HA20，如图3-4所示。可燃气体及其与浓度有关的信息转换为电信号，该传感器不但对明燃所产生的可见烟雾反应快捷。控制器根据信号的强弱获得待测气体在环境中存在的有关信息，进而检测、监控、报警[8]。

图3-4 JTY-GM-HA20

光照传感器选用NHZD10B1型号，如图3-5所示。对室内室外的光照进行检测，使系统在不同环境下实现相对应的各项功能，为家居安全系统中的自动开关窗、太阳能板运行、室内灯光等提供光照信号，从而提高住户居住环境，满足使用要求。

图3-5 光照传感器NHZD10B1

4.硬件设计

4.1系统的I/O分配设计

根据设计要求分配输入表，输入分配表见表4-1所示。

表4-1数字量输入分配表

名称	输入口	外部编号
系统启动信号	X000	SB1
室外光敏信号输入	X001	S1
湿度信号输入	X002	S2
窗台左限位开关输入	X003	SQ1
窗台右限位开关输入	X004	SQ2
太阳能板外限位开关输入	X005	SQ3
太阳能板内限位开关输入	X006	SQ4
窗户微动输入	X007	S3
室内光敏信号输入	X010	S4
密码门信号输入	X011	SB8
门口微动输入	X012	S6
可燃气体信号输入	X013	S7
客厅湿度信号输入	X014	S8
门窗微动开启输入	X015	S9
电灯关闭	X016	S10
温度信号输入	X017	S11
点动窗户开关电机正转	X020	SB2
点动窗户开关电机反转	X021	SB3
点动太阳能板正转	X022	SB4
点动太阳能板反转	X023	SB5
烟雾传感器输入	X024	SB6
系统中断	X25	SB7
门锁按钮1（3次）	X26	SB10
门锁按钮2（1次）	X27	SB11
门锁按钮3（2次）	X30	SB12
门锁按钮4（4次）	X31	SB13
门锁停止复位按钮	X32	SB14

根据设计要求分配输出表，见表4-2所示。

表4-2 数字量输出分配表

名称	输出口	外部编号
总继电器启动	Y000	KA0
窗户开关电机正转	Y001	KA1
窗户开关电机反转	Y002	KA2
太阳能板电机正转	Y003	KA3
太阳能板电机反转	Y004	KA4
排气扇启动	Y005	KA5
警报启动	Y006	KA6
燃气管道关闭	Y007	KA7
电灯启动	Y010	KA10
密码门锁输出	Y011	KA11
除湿器启动	Y012	KA12
冷气启动	Y013	KA13
消防水管开启	Y014	KA14

4.2系统的PLC电路设计

PLC接线图如图4-1所示。电压220V频率50Hz交流电，FU2熔断器和QS2刀闸开关，对电路起到保护作用，经过FR1热继电器，电源开关和常闭急停按钮，传输到DC24V开关电源，通过中间继电器控制输出的各负载。

图4-1 PLC控制部分接线图

选用拓展模块为FX3U-4AD，用于和PLC交换数据外接直流24V电源。接线图如图4-2所示。

图4-2 FX3U-4AD

4.3主电路接线图

图3-9 主电路接线图

5软件设计

5.1 系统程序流程图

家居安防系统主要分为三部分室外检测系统、室内系统、警报系统。如图5-1所示。

室外检测系统流程，判断是否为晴天，否重复过程，为晴天后。判断阳光是否充足，否返回上一指令，确认充足后。开启窗户，伸出太阳能板。判断受否阴天，否重复该过程，是收回太阳能板，关闭窗户。

室内系统流程，判断亮度是否充足，是重复该过程，否开启灯光。判断是否潮湿，否重复该过程，是启动除湿器。判断是否有开门信号，否重复过程，是发出开门脉冲。

警报系统流程。判断是否有危险气体超标，否重复过程，是开启报警。启动检测，否重复过程，是判断微动开关信号，否重复过程，是开启报警。

图5-1 系统流程图

5.2家居安防系统软件程序

室内整体控制程序

室内系统主要是通过各种传感器的检测来完成对室内的安全检测和智能化控制。光敏信号检测光照强度，阳光照在光敏电阻上输出低电平。当晚上或者室内关闭窗帘导致光线较暗的情况下时，光敏电阻一端的电压阻值会近似无穷大，输出高电平，产生检测信号，当室内较暗时自动开启客厅电灯。设置自动开关灯时间，早上为6：30开启，晚上10：30关闭，可通过点动单独控制。如图5-2所示。

图5-2 电灯控制程序

室内湿度设置，当到1200时除湿器启动，到1600时关闭除湿器。如图5-3所示。

图5-3 除湿器控制程序

烟雾传感器用来监测房间的烟雾浓度。如果烟雾传感器达到设定的值时就会立即发出警报，并打开窗户开启通风管道，同时开启自动灭火装置消防水管。

可燃气体传感器应安装在气体进出容易泄漏的地方，主要用于厨房，监测壁挂炉、燃气灶、热水器使用可燃气体工作的器具，便于及时检测。当检测到危险气体时，系统会立即发出报警，自动开窗同时排气扇自动启动。自动关闭燃气总阀门并且打开窗户启动换气扇。如图5-4所示。

图4-5 可燃和烟雾控制程序

空调设有温度区间，当温度到达设定值30℃时，冷气启动[17]。到21℃自动关闭。如图4-6所示。

图5-4 空调控制程序

6.结论

家居安防系统通过传感器小信号采集采用PLC控制外部设备，使用FX3U-64MR/ES-A向外部终端传输命令对个电路通断和监控设备进行精准控制，实现对家居设备处理的智能化安防系统。

家居安防系统具有功能完善、造价成本低、性价比高、安装简单、设计简洁、操作方便、错误率低、维修方便等优点。可利用大多数家庭中现有的家居设备进行简单更换，在对家居设备没有进行大改动的前提下，还能实现预计到设计功能。相对于传统家居环境更加智能化和安全化，实现了通过光敏和湿度信号自动开关窗、太阳能板自动拉伸、防雨、防燃气泄露、防火、防盗等功能，在满足性价比的基础上，最大程度上解决了家居安全问题。

参考文献

[1]徐科军.传感器与检测技术[M].电子工业出版社,2019:54-57.

[2]唐介.电机与拖动[M].高等教育出版社,2021:51-52.

[3]李元东.排水控制系统的研究[J].五邑大学学报,2020.17(1),22-25．