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摘 要 ：随着智能化、自动化技术的快速发展,人们的生活条件不断改善,现代家居向着自动化、智能化的方向发展已成 为未来的必然发展趋势。智能化家居也已经逐渐平民化,让我们的生活更加丰富多彩。研究基于上位机控制的智能开关窗系统 对于提升人们的生活质量具有重要的意义。本文以智能家居中的智能窗户为背景,开展了基于上位机的智能开关窗控制系统的 研究、开发与设计。本上位机软件主要实现功能有实时监控窗户开合度、控制窗户开合、根据天气情况自动的开关窗、定时功 能和语音识别等功能,满足了生活的基本需求。
关键词：上位机,智能化,智能窗,PLC,步进电机
Control and Development of Intelligent Switch Window Based on PC
ZHOU Baochang1.2. LING Zhenzhong1. XIE Zhiyang1.2
(1.Heyuan Polytechnic, Heyuan Guangdong 517000;2.Heyuan Industrial Robot Technology Application Engineering
Technology Research Center, Heyuan Guangdong 517000)
【Abstract】：With the rapid growth of intelligent and the continuous improve of people's living conditions, the development of modern home towards intelligence has already turn into inevitable trend. It is very important to research the intelligent switch window system based on PC control for improving people's standard of living. The design of the intelligent switch window control system based on the upper computer are carried out with the background of the intelligent window in the intelligent home. Based on the background of smart windows in smart homes, development and design of the intelligent switch window control system based on the upper computer are carried out. The main functions of the upper computer software include real-time monitoring of window opening and closing, control of window opening and closing, automatic window opening and closing according to weather conditions, timing function and voice recognition, which meet the basic needs of life.
【Key words】：host computer;intelligent;smart window;PLC;stepper motor
0 引言
随着人们对于生活质量的提升,智能家居应运而 生,用户已可以通过语音交互等更人性化的方式对家居 设备实现远程控制,使得控制更加便捷实用 [1]。虽然现 在的建筑门窗已经有很好的气密性、水密性、保温性能 和隔音性能等,但是难以满足人们对美好门窗日益增长 的需求,因此,普通建筑门窗向智能门窗的研究开发急 需解决 [2]。实现智能窗户控制,无论用户在不在家,只要有网络,都可以实时看到窗户的开合情况,根据实际 的天气情况,远程打开或者关闭门窗,可以让我们拥有 一个舒适的生活环境。
1 系统总体设计
1.1 智能窗户控制系统原理概述
通过上位机程序控制 PLC 相关变量,而 PLC 程序控 制步进电机的工作状态,步进电机由配套的驱动器驱动进 行工作。通过步进电机的正转、反转与停止指令来实现窗户的基本动作,并且通过控制步进电机转角与转速从而 能比较精准的控制窗户的开合程度与开合速度。为了控 制窗户开关的安全距离,使用了左右两个金属感应开关 来确保安全。如图 1 所示是智能开关窗的工作流程图。
1.2 智能窗户控制系统组成
(1)窗户传动系统：采用步进电机控制窗户的运动 控制。传动系统包括步进电机、驱动器、丝杆和金属接 近开关等。
(2)上位机程序：采用 VS2019 集成开发环境, C# 的 WinFom 程序,开发的上位机程序用来控制窗户的 开关与远程监测等功能。
(3)PLC 的选型及 PLC 程序：选用西门子 S7-1215. PLC 作为下位机, 可以接收到上位机信号和及时去驱动 步进电机进行工作。PLC 程序主要用来控制步进电机状 态从而达到窗户的开合状态。
2 上位机程序设计与实现
2.1 上位机简介
上位机指可以直接发送操作指令的计算机,主要是 提供用户操作交互界面,同时向用户显示下位机的数 据。上位机主要是由人来进行控制,发出特定的指令, 与其相对应的是下位机,当下位机收到上位机所发出的 指令以后,会根据其要求完成特定的内容,执行操作 [3]。
2.2 上位机功能分析
智能窗户上位机程序具备的几项主要功能如下：
(1)实时监控：用户可以直观的在软件上看到窗户 的实时开合程度、连接状态和 PLC 的本地时间。
(2)窗户开合功能：使用上位机的按钮来触发窗户 的开和关。
(3)定时功能：通过设置定时的时间来触发窗户的开和关。
(4)语音功能 ：声控技术主要是把人发出的语音转 换成程序能够识别的指令,用户可以通过说话就可以控 制窗户的开合等功能。
(5)调试功能： 出现问题时可以通过调试界面测试 问题。
(6) 防雨功能：为了实习防雨功能, 加装检测液体 的传感器元件,当雨滴传感器有信号时会自动关窗。
(7)日志功能 ：主要用来显示记录与反馈用户的操 作是否成功。
2.3 程序界面设计
(1)登录界面,登录系统进入上位机系统后可以根 据用户权限使用该系统。登录界面如图 2 所示。
(2) 上位机的主界面。主要包括菜单栏、实时状态显 示、开关控制和显示功能、定时功能和日志显示等模块。 程序主界面如图 3 所示。
2.4 上位机与 PLC 连接
S7 协议的通信库有很多,本系统采用 xktComm 库 来与 PLC 建立连接,实现通信功能,以下是上位机与PLC 连接的实现过程分为以下 3 个步骤。
(1) 在管理 NuGet 资源包里搜索并安装 xkt Comm, 然后添加引用 using xktComm.Common。
(2)实例化对象,使用 SiemensS7 来实现实例化。
(3) 在“确定”按钮中的后置代码来实现,调用 s7. Connect() 的方法, 并设置 4 个参数, 分别是 IP Address、 CpuType、Rack 和 Slot。其中机架号与插槽号为 0.功 能实现过程中使用 bool 类型的返回值, 通过判断就 可以知道有没有连接成功,实现代码：bool result = s7.Connect(ip, cpu, 0. 0);。断开与 PLC 的连接调用 s7.DisConnect() 就可以断开连接。特别注意的是 PLC 连接机制需勾选允许远程 PUT/GET 选项。
2.5 读写 PLC 变量
2.5.1 读取数据
读取 PLC 的单个变量, 调用 s7.Read( ); 方法来实 现,该方法有 2 个重载,最简单的只需要输入地址与数 据类型即可, 返回一个 Object 的数据。然后将这个数 据转换成自己需要的类型即可。特别注意的是读写 DB 块变量需要进行“去优化”设置。读取多个连续的变量 可以使方法 s7.ReadBytes( ),读取多个离散的变量可 以调用方法 s7.ReadMultipleVars( )。
2.5.2 写入数据
写入单个变量,调用方法 s7.Write( ) 可以实现,同 样有 2 个重载,最简单的只需传入地址与数据类型即可, 同样 DB 块需要“去优化”。调用 s7.WriteBytes( )、或 者 s7.WriteMultipleVar( ) 可以批量的写入数据。
2.6 多线程与实时监控
线程是程序执行流的最小单元,在开发的应用软件 中,大多数线程的数量都不止一个,多个线程可以并发 的执行,共享进程的全局变量和堆的数据 [4]。上位机软 件需要不间断的监听下位机发送过来的数据 [5]。
在主界面的 Load 事件(窗体加载事件)里开启一 个长时间运行线程,专门负责实时读取 PLC 数据与显 示,其实现代码如下：
private void FormMain_Load(object sender, EventArgs e)
{Task task = new Task(() => {Dqss();},TaskCreation Options.LongRunning);task.Start();}
2.7 窗体运动控制
开窗、关窗、半开与停止按钮需要将设定的变量写入 PLC 中 DB 块,让 PLC 程序来触发步进电机驱动器 达到智能开关窗的目的,从而达到智能窗最基本的运动 控制的功能。
2.8 窗体定时运动控制
控制窗体的定时运动需要将设置好的定时时间写入 PLC, 到设定的时间后由 PLC 控制窗体运动。所以需 要读取 PLC 本地时间来判断 PLC 本地时间是否正确, 如果 PLC 本地时间不正确,可以将电脑的本地时间同 步至 PLC,从而保证能准时的开关窗。
2.9 语音识别功能
语言播报功能需要引进 Speech 的库类才可以使用 该功能, 首先在引用添加 System.Speech.dll, 命名空 间添加引用 using System.Speech.Recognition;。然 后编写相关代码实现播报不同的语音功能。
3 PLC 程序设计
3.1 IO 分配表
根据需求分析,需要进行 IO 的分配, PLC 有 3 个 输入点和 3 个输出点,输出是直接作用步进电机驱动 器,驱动器再作用于步进电机,从而实现智能开关窗的 功能。详细分配如表 1 所示。
3.2 电路接线图
硬件接线图,如图 4 所示。
3.3 控制程序设计
3.3.1 控制窗户运动程序
根据程序设计要求,需要新建一个 DB 块,并勾选 “去优化”后,建立变量表,详细如表 2 所示。
控制窗户系统的使用需要启用轴程序,调用 MC_ Power 使能,控制窗开关程序,则需要调用 MC_ MoveJog,回零程序调用 MC_Home,半开与开合度 控制程序,则调用 MC_MoveAbsolute,读取实时位置 与实时速度程序,调用 MC_ReadParam,从而达到智 能控制的目的。
3.3.2 定时功能控制程序
读取 PLC 本地时间调用 RD_LOC_T,设置 PLC 本地时间调用 WR_LOC_T,从而实现定时开窗与定时关 窗程序。
4 系统测试结果与分析
测试过程为仿真测试,用到的软件有博图 V16、S7- PLCSIM Advanced V3.0、Visual Studio 2022.
(1)实时监控测试,包括窗户开合度和 PLC 本地 时间, 连接 PLC 后通过手动修改窗户实时位置数据后 台,可在上位机界面看到显示模块、实时动画显示和开 合度控制的进度条能实时并正确显示。
(2) 开关窗功能测试, 通过上位机的按钮控制, 能 把数据写入 PLC 并驱动步进电机进行窗户的开与关, 同时能将开合状态反馈到显示模块。
(3)定时功能测试,通过上位机控制界面的定时功 能,可以任意设定开窗和关窗的时间,通过测试,功能 可以准确实现。
(4)语音识别测试,语言识别则需要外置的麦克 风,设定关键词,通过获取语言控制指令,能正确的控 制窗户的基本功能的使用。
经过系统的仿真测试, 本系统工作正常。能实现相 应的功能,并能准确的监控窗户开合程度、开关窗户、 定时功能与语音识别等功能。
5 结论与展望
本文在分析了智能窗户软件的基本需求后,对智能 窗户系统进行了研究。根据需求,系统开发了一个比较 完整的智能窗户系统的上位机软件。通过仿真运行测试 验证,本系统工作正常,上位机软件能实现相应的功 能,效果良好。
同时本系统趋于经济效益和使用便利化需要继续完 善系统,首先,系统智能化程度,拓展更多的功能,比 如防煤气中毒功能、防风功能等;其次,开发更多平台 的软件,如安卓、iOS 等平台;最后,成本问题,使用 成本更低的控制核心。
参考文献
[1] 谢亮.基于情景识别的智能家居控制系统设计[D].重庆:重庆 大学,2020.
[2] 朱孜,钟应 .浅议建筑智能门窗发展意义及发展趋势[J].低碳 世界,2021.11(05):136-137.
[3] 谭丽.PLC与上位机的通信[J].科技资讯,2018.16(17):20-21. [4] 周岚.多线程在WinForm窗体开发中的应用研究[J].软件工 程,2017.20(3):21-23.
[5] 张志阳 .基于 .NET的通用TCP通信程序设计[J].科技广场, 2016(4):77-81.
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