鐘旺平 蔡小偉 張材仕 鄒鵬輝 林福龍 張中正

摘 ? 要：為解決學生逃課滯留宿舍，僅靠人力難以監(jiān)督的問題，文章提出一種以學生課表為中心，基于PLC的宿舍管理系統(tǒng)。每間宿舍配備HMI觸摸屏用于學生課表管理，以S7-1214C PLC為主站管理多間宿舍，以STC15單片機為從站采集傳感器信息。根據(jù)課程表對宿舍進行有課、無課及特殊情況分類管理，輔助宿舍燈光自動控制、樓道燈光控制及損壞檢測、防盜報警系統(tǒng)等功能。

關鍵詞：宿舍管理;可編程邏輯控制;單片機;人機交互

1 ? ?目前高校宿舍管理所面臨的問題

據(jù)研究表明，高等學校專業(yè)課逃課比例在19%以上[1]，大學發(fā)生失火和丟失物品的現(xiàn)象嚴重，宿舍樓走廊燈損壞后不能及時進行登記檢修。傳統(tǒng)的宿舍管理中，幾乎任何需求都是以人力進行操作，比如開燈（可調解亮度）、收衣服等，都受人的主觀因素影響。當人在不方便管理時，會造成一些資源浪費，例如光線夠亮時還開電燈[2]。對比以往的宿舍管理方式，在傳統(tǒng)模式下，主要依靠人工進行宿舍監(jiān)控管理，出現(xiàn)了浪費人力、管理漏洞等較多問題。本文提出了以學生課表為中心，基于可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）的宿舍管理系統(tǒng)。每間宿舍配備人機交互（Human Machine Interface，HMI）觸摸屏用于學生課表管理，以S7-1214C PLC為主站管理多間宿舍，以STC15單片機為從站采集傳感器信息。根據(jù)課程表，對宿舍進行“有課”“無課”“特殊情況”分類管理。在有課情況下，如果宿舍內人體檢測模塊檢測到有人時，宿管室WinCC上位機會產(chǎn)生報警信號，并且存放到報警報表中。在“無課”或者“特殊情況”下，宿舍照明燈會根據(jù)亮度傳感器進行關、開控制。當紅外傳感器檢測到有人經(jīng)過時，走廊照明燈燈亮。同時，電燈旁的亮度傳感器對燈光強度進行檢測，從而判斷照明燈是否損壞。如果檢測到照明燈未正常工作，該信息將傳送到宿管室上位機上，實現(xiàn)了實時報修的功能，大大減少了檢修人員的工作量。

2 ? ?總體方案設計

智能宿舍管理系統(tǒng)控制由PLC統(tǒng)一管理，并增加單片機，進行數(shù)據(jù)采集工作。宿舍內的燈光控制由單片機采集外部信號，經(jīng)處理器初步處理后，通過Modbus-RTU協(xié)議傳送給PLC，PLC進一步對其進行控制[3]。走廊燈光控制由紅外檢測模塊采集外部信號，直接傳送給PLC進行處理。走廊亮度檢測模塊采集的外部信號也直接傳送到PLC進行照明燈判斷檢修。宿舍火災報警系統(tǒng)包括煙霧檢測模塊、溫度檢測模塊、火焰檢測模塊，采集外部環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過單片機綜合處理后，直接接到PLC I/O口，再經(jīng)PLC分析、處理后執(zhí)行動作。宿舍安全防盜報警系統(tǒng)由紅外檢測模塊采集外部信號，傳送給PLC處理。S7-1214C PLC通過PROFINET協(xié)議與觸摸屏、WinCC通信，S7-1214C PLC通過Modbus-RTU協(xié)議與單片機通信，單片機通過I/O口與各傳感器通信，系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

3 ? ?系統(tǒng)設計

3.1 ?燈光控制系統(tǒng)

當學生“無課”或宿管室啟動“特殊情況”按鈕時，宿舍內的亮度探測模塊感測到外部亮度數(shù)值再通過單片機計算、分析后，調節(jié)LED燈的開關，進而極大限度地滿足人們各種照明環(huán)境的需求，為宿舍節(jié)約用電。走廊區(qū)域：在相應的時間段內（時間段可以通過樓管室觸摸屏設置），走廊處的紅外傳感器感應到有人，電燈打開并延遲一定時間后斷開。此外，如果走廊電燈開啟了，而該電燈附近的亮度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)未達到閥值，就認定為電燈發(fā)生故障，記錄在宿管室上位機的報警報表中。

3.2 ?火災自動報警系統(tǒng)

由于在火災發(fā)生前期，宿舍內會產(chǎn)生煙、火光，并且溫度升高。這些變化的環(huán)境因素將被傳感器采集后轉變?yōu)殡娦盘?，?jīng)模數(shù)轉換器（Analog to Digital，A/D）轉換成數(shù)字信息，并傳送火災控制系統(tǒng)[4]。其中，溫度傳感器采集的溫度經(jīng)單片機，根據(jù)標準火災溫度—時間曲線[5]來進行火災溫度判定。為避免檢測出錯，采取單片機檢測到滿足煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骷盎馂臏囟扰卸ㄟ@3種條件或手動火災報警按鈕功能時，產(chǎn)生火災報警信號。發(fā)生火災的宿舍、隔壁宿舍、所在的樓層以及每棟宿舍樓的樓管室的指示燈工作。上位機可記錄首次報警時間并查閱歷史報警記錄，使該棟宿舍樓的安全通道門打開，讓門禁解除，以便人員的有效疏散。

3.3 ?主PLC控制系統(tǒng)的硬件選型與配置

系統(tǒng)硬件電路以S7-1214C PLC為主站管理多間宿舍，STC15單片機為從站采集傳感器信息[6-7]。PLC與單片機之間采用Modbus-RTU通信協(xié)議通信。同時，PLC通過PROFINET協(xié)議將系統(tǒng)運行的過程實時地傳輸?shù)紿MI上，PLC又通過PROFINET協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)交換機將宿管室上位機和Web客戶端連接。宿舍內的傳感器和執(zhí)行機構都接于單片機，傳感器的數(shù)據(jù)采集由單片機做一個簡單的處理后，通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC經(jīng)過分析后，作出判斷，再傳給單片機，執(zhí)行相關的動作。

3.4 ?單片機系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)采用STC15L2K61S2單片機，具有外部中斷功能，STC15單片機運算速度快、可靠性高，和同價位的單片機相比，具有更大的容量[8]。因此，總體來看，STC15單片機在性能上比較優(yōu)越，所以選用該款單片機。本次STC15L2K61S2單片機與外部的亮度傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、人體傳感器等傳感器連接，且單片機與S7-1214C PLC通過Modbus-RTU協(xié)議進行通信[9-10]。

3.5 ?人機交互系統(tǒng)

監(jiān)控畫面的顯示由HMI觸摸屏和WinCC組態(tài)軟件兩部分執(zhí)行，實現(xiàn)環(huán)境的實時監(jiān)控、操作。觸摸屏選用西門子KTP700 Basic型觸摸屏，設計通過網(wǎng)線、交換機與下位機PLC進行通信，實現(xiàn)觸摸屏信息的輸入、讀取及PLC上執(zhí)行的命令在觸摸屏上顯示。選用WinCC組態(tài)軟件，保證了管理人員易操作性和監(jiān)控的高效性。S7-1214C PLC通過PROFINET協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將現(xiàn)場情況反映在WinCC上位機上，異常情況記錄也將記錄在WinCC組態(tài)軟件的報表中。

4 ? ?系統(tǒng)軟件設計

4.1 ?PLC軟件設計

系統(tǒng)總體由S7-1200 PLC對燈光控制系統(tǒng)、安全防盜報警系統(tǒng)、火災自動報警系統(tǒng)、節(jié)水系統(tǒng)進行控制，利用S7-1214C PLC實時輪詢的功能，對每間宿舍進行實時數(shù)據(jù)采集，降低漏查率。單片機在宿舍“有課”“無課”兩種情況下，依據(jù)人體傳感器來檢測宿舍內是否有人在，“無課”情況下，宿舍燈光依據(jù)亮度傳感器進行開關調節(jié);“有課”情況下，宿舍本應沒人在，但是如果人體傳感器檢測到有人時，就是異常狀態(tài)，將產(chǎn)生報警信號，并將產(chǎn)生警報記錄在報表中。

4.2 ?上位機軟件設計

根據(jù)對系統(tǒng)、現(xiàn)場的實際要求進行分析，對各種組態(tài)軟件性能進行對比分析，選擇WinCC組態(tài)軟件，使用WinCC軟件完成上位機各個監(jiān)控畫面的制作、報表設置，以及權限設置[13]。實際硬件中，WinCC與下位機PLC通過PROFINET協(xié)議通信。界面有：WinCC主界面、WinCC房間監(jiān)控畫面、WinCC報警監(jiān)控畫面、WinCC報警監(jiān)控表畫面、WinCC課程表畫面、WinCC走廊監(jiān)控畫面等。

5 ? ?結語

文中提出一種以學生課表為中心，基于PLC的宿舍管理系統(tǒng)。集WinCC上位、S7-1214C PLC、觸摸屏及單片機四者共同組成，實現(xiàn)遠程監(jiān)控學生未上課在宿舍報警、宿舍燈光手自動控制、樓道燈光控制及損壞檢測、防盜報警等功能。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能在一定程度上解決學生逃課問題，能優(yōu)化宿舍管理，減少了管理上的漏洞，減輕了人力資源壓力，具有一定有應用前景。

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