基于plc的智能家居控制系统的实现

基于plc的智能家居控制系统的实现内容摘要：

有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2．具有功能很强的存储区保 护功能。 由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3．可扩展的处理器结构，以能开发出满足应用最高性能的嵌入式微处理器。 4．嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此。 如图所示：一般可以将嵌入式处理器分为 4 类，即嵌入式微处理器（ MPU）、嵌入式控制器（ MCU）、嵌入式 DSP 处理器（ DSP）和嵌入式片上系统（ SOC）。 嵌入式实时操作 系统 在嵌入式应用系统的设计中，实时操作系统的应用越来越受到重视。 μ COSⅡ [6]是一个免费的源代码公开的实时嵌入式内核，它提供了实时系统所需要的基本功能。 其包含全部功能的核心部分代码只占用 字节，而且由于μ COSⅡ是可裁剪的，所以用户系统中实际的代码最少可达 字节，可谓短小精悍，μ COSⅡ不仅使用户得到廉价的解决方案，而且由于μ COSⅡ的开源特性，用户还可以对自己的硬件优化代码，以获得更好的性能。 嵌入式系统的分类 嵌 入 式 微 控 制 器(MCU） 嵌入式处理器 嵌入式 DSP 处理器 （ DSP） 嵌入式微处理器 （ MPU） 嵌 入 式 片 上 系 统（ System On Chip） 14 μ COSⅡ实际上是一个实时操作系统内核，只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。 没有提供输入输出管理、文伴系统、网络之类的额外服务。 但是由于μ COSⅡ的可移植性和开源性，用户可以自己添加所需的各种服务。 目前，已经出现了第三方为开发的文件系统、 TCP/IP 协议栈、用户显示接口等。 1．任务调度 μ COSⅡ的任务调度是按抢占式多任务系统设计的，即它总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务。 为了简化系统的设计，μ COSⅡ规定所有任务的优先级必须不同，任务的优先级同时也唯一地标识了该任务。 即使两个任务的重要性是相同的，它们也必须有优先 级上的差异，这也就意味着高优先级的任务在处理完成后必须进入等待或挂起状态，否则低优先级的任务永远也不可能执行。 系统通过两种方法进行任务调度：一是时钟节拍或其它硬件中断到来后，系统会调用函数 OSIntCtxsw（）执行切换功能．二是任务主动进入挂起或等待状态，这时系统通过发软中断命令或依靠处理器执行陷阶指令来完成任务切换，中断服务例程或陷阱处理程序的向量地址必须指向函数 OSCtxSw（）。 2．任务管理 μ COSⅡ最多可以管理 64 个任务，这些任务通常都是一个无限循环的函数。 在目前的版本中， 作者保留了忧先级为 0、 l、 OS_LOWEST_PRIO_ OS_LOWEST_PRIO_OS_LOWEST_PRIO_ OS_LOWEST_PRIO 的任务，所以用户可以同时拥有 56 个任务。 μ COSⅡ提供了任务管理的各种函数调用，包括创建任务、删除任务、改变任务的优先级、挂起和恢复任务等。 系统初始化时会自动产生两个任务：一是空闲任务，它的优先级最低为，该任务只是不停地给一个 32 位的整型变量加 1；另一个是统计任务 OSTaskstat（），它的优先级为 OS_LOWEST_PRIO_1，该任务每秒 运行一次，负责计算当前 CPU 的利用率。 3．时间管理 μ COSⅡ要求用户提供一个称为时钟节拍的定时中断，该中断每秒发生 10 至 100 次，时钟节拍的实际频率是由用户控制的。 任务申请延时或超时控制的计时基准就是该时钟节拍。 该时钟节拍同时还是任务调度的时间基准。 提供了与时钟节拍相关的系统服务，允许任务延时一定数量的时钟节拍或按时、分、秒、毫秒进行延时。 4．任务间的通信与同步 对于一个多任务操作系统来说，任务间的通信与同步是必不可少的。 μ COSⅡ提供了四种同步对象，分别是信号量、邮箱、消 息队列和享件。 通过邮箱和消息队列还可以进行任务间的通信。 所有的同步对象都有相应的创建、等待、发送的函数。 但这些对象一旦创 15 建就不能删除．所以要避免创建过多的同步对象以节约系统资源。 5．内存管理 为了消除多次动态分配与释放内存所引起的内存碎片，把连续的大块内存按分区来管理。 每个分区中都包含整数个大小相同的内存块，但不同分区之间内存块的大小可以不同。 用户需要动态分配内时，选择一个适当的分区，按块来分配内存。 释放内存时将该块放回它以前所属的分区。 这样，就能有效解决内存碎片的问题。 μ COSⅡ的大部分代码是用 ANSIC 写成的，只有与处理器硬件相关的一部分代码用汇编语言编写。 所以μ COSⅡ的移植性很强，可以在绝大多数 8位、 16 位、 32位微处理器、数字信号处理器上运行。 μ COSⅡ的移植并不复杂，只要编写 4 个汇编语言的函数、 6个 C函数再定义 3 个宏和 1 个常量，这些宏和函数都非常简单，其中的 5 个 C 函数甚至只需声明不必包含代码。 用户可以根据需要自己编写移植代码。 μ COSⅡ的网站上（ ．μ COSⅡ． ）有针对不同微处理器的移植代码可供下载。 目前网站上提供的移植实例包括 Intel公司的 8Ox8 805 80196 等， Motorola 公司的 PowerPC、 68K、 CPU32 等， TI公司的 TMS320系列， Zilog 公司的 z80、 z180，还包括 Analog Device 公司、 ARM 公司、日立公司、三菱公司、飞利浦公司和西门子公司的各种微处理器。 μ COSⅡ是在 PC 机上开发的， C编译器使用的是 Borland C/C++ 版，而且 PC机是大家最熟悉的开发环境，所以在 PC 机上学习和使用以μ COSⅡ是非常方便的。 KC／ OS— 11的网站上也提供了在 PC 机上运行μ COSⅡ的源代 码。 但是由干 C/C++运行库和 DOS 本身的限制，在 PC 上运行以μ COSⅡ时需要注意两个问题。 第一，由于 DOS 下的 C 编译器提供的运行库没有考虑多线程应用的问题，运行库中的全局变量和部分函数只适用于单线程。 这些变量和函数包括： errno、 _doserrno、 strtok、strerror、 tmpnam、 tmpfile、 asctime、 gmtime、 ecvt、 fcvt 等。 在μ COSⅡ中使用这些函数时要小心，要避免两个任务同时调用这些函数，或者用信号量同步对这些函数的调用。 第二， DOS 是不能重入的，就是说正在调用 DOS 服务期间，是不能再次调用 DOS 的，如果又进行了 DOS 调用，那么肯定会引起系统崩溃。 μ COSⅡ启动多任务后，如果两个以上的任务进行了 DOS 调用或者调用了需要 DOS 的 C/C++运行库（如： Printf， scanf 等等），就有可能引起 DOS 重人。 所以在 *中，可以调用 BIOS 或直接操纵硬件，但要尽量减少 DOS调用。 如果必须要用 DOS，最好只有一个调用 DOS 的任务，或者用信号量进行同步。 16 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括 [7]： 1． 工业设计 基于嵌入式芯片的工业自动化设备具有很大的发展空间，目前已经有大量的 1 32位嵌入式微控制器应用在工业过程控制、数控机床等领域。 2. 交通管理 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌 GPS 模块， GSM 模块的移动定位终端已经在各种运输行业成功运用。 目前， GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭。 3．信息家电 这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。 即使不在家里，也可以通过电话 线、网络进行远程控制。 ⒋ 机器人 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、智能化方面的优势更加明显，同时会大幅度的降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 ⒌ 家庭智能管理系统 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入式的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。 目前在服务领域中，一些手持设备已经体现出嵌入式系统的优势。 目前针对建立高效率、低成本和网络化的智能家居终端，国内外的许多公司都提出了相应的解决方案，其中嵌入式 Inter 系统由于包括工业 控制和 IP 网络接入的功能，而成为其中较令人关注的技术。 嵌入式 Inter 技术是指设备通过嵌入式模块，而非 PC系统，直接接入 Inter 及城域网，以 Inter 为介质实现信息交互的过程。 目前国外许多大公司，如 EM WARE， Microchip、SII 等联合成了嵌入式 Inter 联盟，来专门讨论和制定嵌入式 Inter 的标准和相关的技术开发，而 IBM、微软、 SUN 也早就开始涉足相关软件、操作平台的开发。 但应该看到的是， 目前中国国内市场相关产品还较少，国际上的产品价格较高且还没有进入国内 市场，随着市场在 2020 年度的高速膨胀，产生的商机将是非常巨大的。 令人欣喜的是，第一代的国产嵌入式智能家居终端已经推出，目前正在向第二代过渡。 目前，家居智能化管理是信息社会发展的必然趋势，而家庭局域子网则是实现这一任 17 务的必要载体。 无论是在国外还是国内，这一市场都将是巨大的。 一个混合型的家庭局域子网将成为数字家庭的主流，各种智能设备和家庭自动化系统都将与之相连。 因此以 UPNETARM3000 为开发平台设计的智能家居监控系统，不仅具有嵌入式系统的众多优点，结构精简、专用性强，而且通过智能家庭网关的控制，很 好的实现系统对家电和室内环境的实时监控，并且具备了远程访问功能和自动报警功能，基本满足了现在人们在日常生活中的各种需要，解决了人们的后顾之忧，使人们的生活更加安逸舒适。 第三章 智能车库的设计 本次设计的总体目标是设计一个现代别墅的智能化车库，首先对车库各部分的功能块进行设计，最后通过 PLC 和 PC 实现总体的控制，形成一个智能车库。 设计目标 智能车库是智能家居的一个重要组成部分，从现今的智能家居来说，如果一个别墅缺少了一个智能车库就好像一幅美丽的 画像少画了眼神一样。 可见智能车库在今天智能家居中所处的重要地位。 智能车库的总体部分包括建筑部分、车库门部分和车辆检测维护系统。 而他们三部分又是相互联系的。 本次设计所选的为别墅的智能车库，所以为小型的家庭智能车库，而并非是大型车库，使用立体式的控制。 由于是家庭型车库，所以智能车库体现出来的功能为贴心、实用、便捷。 考虑到这一点，本次设计采用了杭州天宇车库公司所制作的 WDKMJ03/04 型 智能车库门控制器对车库门进行控制。 智能车库门控制器控制可以实现对库门的智能化控制，它受PLC 的控制可以做到对 车库门的控制。 其次本次设计的智能车库主要亮点为对进库的车辆实现全方位的检测，对可能出现的车辆情况和已经出现的情况进行及时的检测，如果出现情况如：（辆轮胎压力不足或者过高）并且把这些检测到的信号传送到车主的 PC 上，及时的提醒车主对车辆进行有必要和针对性的进行车辆维护，以达到车辆维护和安全的目的。 并且本次智能车库的设计还对进库的车辆进行全方面的维护，例如装有恒温控制器，保护了车辆的水箱和油箱，装有报警装置，可以很好的对库内物品进行保护和防火作用。 智能车库门 18 本次设计的车库门主要安装了防盗卷联门和智能车 库门控制器。 车库门的宽度和高度均采用国家标准，如： 门侧空间≥ 150mm 门顶空间≥ 200mm 洞口宽度、洞口高度、应与所选型号门体尺寸相一致或略小于门体尺寸。 车库净宽≥门侧空间 *2+所选型号门体宽度。 车库净宽≥门顶空间 +所先型号门体高度 车库进深应大于 观察车库 有无门垛（立柱），如有门垛，测量门洞 净尺寸，在此基础上加上 80mm，就是门 体的净宽度。 （如图一） 车库如无门垛，测量门洞净尺寸，在 此基础上减去 80mm，就是门体的净宽度。 （如图二） 随着人民生活水平的不断提高， 迅速发展智能化楼寓已是房地产业发展的必然趋势。 同时随着人们安全防范意识的逐渐增强，对居住环境的要求也越来越高。 因此房地产业由“量”向“质”的转变也是大势所趋。 所以，生态、环保、健康、节能、智能的门窗将受到广大房地产开发商和消费者的青睐。 本次毕业设计所采用的 WDKMJ03/04 型 智能车库门控制器正是一种集计算机软硬件系统控制的机电一体化产品。 整个系统应用微电脑，高精度地进行多级分段扫描和受力分析，并通过软硬件配合实现全过程运行中，无需采用任何传感器，就可达到高灵敏度的八级等力遇 阻反弹，确保自动门运行过 程的安 全可靠 19 这种智能车库门控制器 通过电机编码扫描精 确控制定位，开关门位置可精确到毫米级。 柔性启动，平 滑过度，使门体运。