高強 郭娟 郝建

摘要：該系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡結構，保證整個網(wǎng)絡的先進性及設備端口、網(wǎng)絡結構和網(wǎng)絡協(xié)議的擴展性，可以實現(xiàn)對校園用電的遠程和自動控制，降低運行維護費用，節(jié)約管理成本，促進節(jié)能型校園的建設。

關鍵詞：雙層網(wǎng)絡；控制；節(jié)能型校園隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，各部門對能源的需求越來越大，而能源價格也在不斷的上漲。但是用電的占據(jù)了很大一部分的電能消耗。尤其是照明時間較長、照明場所較多的機構，比如高等學校。因此，有必要在保證照明質量的前提下，實施校園節(jié)能控電措施，這不僅可以節(jié)約能源，而且也會產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益?；诖耍疚脑O計了一種校園節(jié)能控電裝置，適用于教室、圖書館閱覽室等大面積室內(nèi)場所和室外廣場或道路的照明控制，可以有效地對照明燈具進行節(jié)能控制。

通訊網(wǎng)絡的構架及其實現(xiàn)是校園節(jié)能控電系統(tǒng)的重要組成部分之一。網(wǎng)絡技術的選用對整個系統(tǒng)網(wǎng)絡建設的成功與否起著決定性的作用。合適的網(wǎng)絡不但能夠保證整個網(wǎng)絡的高性能，還能保證整個網(wǎng)絡的先進性及設備端口、網(wǎng)絡結構和網(wǎng)絡協(xié)議的擴展性，同時還具有較優(yōu)的性能價格比。

1網(wǎng)絡結構的確定

總線形局域網(wǎng)已經(jīng)廣泛應用于分散終端集中控制領域，并且日益發(fā)展成為一種成熟的應用技術，被譽為自動化控制領域的計算機局域網(wǎng)[1]。在總線形拓撲中，傳輸介質是一條總線，網(wǎng)絡內(nèi)的所有分布式網(wǎng)絡終端都可通過相應的硬件接口接至總線上。因此安裝費用低，擴展和維護都很方便，某個網(wǎng)絡終端的故障不會影響總線上的其它終端通信，可靠性高；只要正確解決對總線的介質訪問，所有網(wǎng)絡終端之間可實現(xiàn)點對點通信，網(wǎng)絡延遲小，而且方便實現(xiàn)廣播通信。通過總線形網(wǎng)絡，分散的網(wǎng)絡終端可以很方便地共享控制信息，同時用戶還可以實時查詢分散網(wǎng)絡終端的運行狀態(tài)，從而可以更好的對其進行實時控制。

2網(wǎng)絡系統(tǒng)方案的選擇

智能監(jiān)控網(wǎng)絡主要由基于RS232C總線通訊、基于RS485總線通訊和基于CAN總線的通訊幾種方式。以下將分別介紹和比較RS232C、RS485及CAN總線在網(wǎng)絡中的應用。

2.1 RS232C串行總線接口

RS232C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)與BELL等公司一起于1962年制定并于1969年最后一次修訂而成的一種串行總線的物理接口標準，此標準規(guī)定了串行傳輸中，主控模板與從屬模塊間的連接電纜和機械特性、電氣特性、信號功能及傳送過程，兩端都必須遵循的共同約定。

RS232C的標準總線為25線，不過在實際應用中RS232C的25條引線中有許多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用3～9條引線。RS232C中常用的信號線只有9條。計算機一般使用的都是9芯插座異步通信的連接器[2]。RS232C標準功能如圖：

由上圖可見，RS232C標準有兩個地。一個是保護地PG，它直接連到系統(tǒng)的屏蔽罩上，如果保護地連在一起是安全的場合，那么兩個設備的保護地才能連到一起。另一個是信號地GND，對所有其他信號提供一個公共參考點。由于信號地不一定與保護地絕緣，因此信號地必須連接起來，這是RS232C存在的一個固有潛在接地回路的問題。此外，由于RS232C接口標準的發(fā)送器和接收器之間有公共信號地，不可能使用兩端信號，從而導致共模噪聲會固有的耦合到信號傳輸系統(tǒng)中。傳輸距離越長，干擾就越嚴重。因此，為了可靠的傳輸信息，不得不增大電壓擺幅?？梢?，RS232C標準對短距離通訊是很有用的，但對長距離通訊不可靠，并會帶來嚴重的后果。而且RS232C是數(shù)據(jù)設備以相對較慢的數(shù)據(jù)速率(20Kbs)在較短的距離內(nèi)(典型值為15m)進行單端數(shù)據(jù)傳輸定制的。因此目前在智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的應用中趨于淘汰。

2.2 RS485標準

在智能教室底層網(wǎng)絡中，為了減少系統(tǒng)由于布線帶來的成本，采用基于電力線載波布線，這樣信號和強電在同一根線上傳輸，傳輸過程中不可避免地存在強電場的干擾，信號的可靠性受到影響，而且隨著傳輸距離的增大，信號的衰減較快，我們已知RS232C總線存在可靠性、速率和傳輸距離等因素，所以一般不予采納RS232C總線?；赗S485的教室控制系統(tǒng)是較為理想的一種遠程控制系統(tǒng)，該總線網(wǎng)絡技術成熟，結構簡單，可靠性高，良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點，它采用主從式的通信方式，任何時候只允許一個節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，所以RS485采用的主從結構命令型通信方式可以防止數(shù)據(jù)通訊故障，數(shù)據(jù)通信時必須由主節(jié)點接收到管理主機的命令，然后由主節(jié)點向各個從節(jié)點傳達命令，從節(jié)點的數(shù)據(jù)依次送到主節(jié)點，最后再由主節(jié)點將各從節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至管理主機。

但是，RS485只規(guī)定了平衡驅動器和接收器的電特性而沒有規(guī)定接插件傳輸電纜和應用層通信協(xié)議，使用時存在總線效率低、系統(tǒng)的實時性差、通訊的可靠性低、后期維護成本高、網(wǎng)絡工程調(diào)試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點少、應用不靈活等缺點，同時數(shù)據(jù)的容錯沒有考慮，其容錯和應用層的協(xié)議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統(tǒng)通訊軟件的負擔。RS485總線多采用單主機的工作方式[3]，若令其工作在多主機方式，則其通訊的可靠性與通訊網(wǎng)絡的負荷量成反比。特別是當系統(tǒng)節(jié)點工作在多種通訊模式下時，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡負荷量的增長而成倍增長，如果主節(jié)點出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)會陷入癱瘓狀態(tài)。此外，RS485收發(fā)器件中收發(fā)緩沖區(qū)比較小，這也不利于由它構成的網(wǎng)絡長期處于長子串或連續(xù)的收發(fā)狀態(tài)。不過，由于RS485具有相當高噪聲抑制、相對高的傳輸速率、傳輸距離較遠和寬共模范圍的通信平臺，因此在小系統(tǒng)網(wǎng)絡中有著廣泛的應用。

2.3 CAN總線

基于RS232C和RS485總線技術的缺陷，采用現(xiàn)場總線技術構成數(shù)字化、開放式、多點通訊的底層網(wǎng)絡成為現(xiàn)代教室智能化系統(tǒng)的一種趨勢。而面對種類繁多的現(xiàn)場總線，如何選擇一種技術先進，有發(fā)展前途，將來不會被迅速淘汰，同時也能達到我們的設計要求并且價格適中的總線呢？經(jīng)過參閱大量國內(nèi)外資料，發(fā)現(xiàn)CAN總線擁有很多其他總線所沒有的優(yōu)點，我們最后決定采用CAN總線技術來實現(xiàn)樓層控制器與主控上位機的網(wǎng)絡模型。

CAN屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡[4]，由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線突出的優(yōu)越性主要表現(xiàn)為：CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點不分主從，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點，可方便地構成多機備份系統(tǒng)。CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級別低的節(jié)點會主動地停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而有效地避免了總線沖突，使信息和時間均無損失；CAN節(jié)點只需通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點，一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的平等式通信方式，即使主機出現(xiàn)故障，系統(tǒng)其余部分仍然可運行；CAN總線較為寬松的電氣特性，使靈活的配置多種介質物理層成為可能，也使CAN總線在這方面的應用范圍更加廣泛。此外，開發(fā)系統(tǒng)廉價，其單元節(jié)點百元的成本，以及其相對較低的技術層次和技術難度，決定了CAN總線必定會有廣大的發(fā)展空間和發(fā)展前景。

2.4 CAN和RS485

針對它們各自的特點，我們采用符合國際標準ISO11898的CAN總線技術和目前自動化裝置常用的RS485總線構成雙層網(wǎng)絡結構，這種網(wǎng)絡結構有效地解決了系統(tǒng)的建設成本高、數(shù)據(jù)管理困難、可靠性不高以及擴展性能差等問題。

由于教室采集器的工作環(huán)境不算惡劣，所以本系統(tǒng)下層網(wǎng)絡采用RS485總線，它具有結構簡單、成本低廉、對布線要求不高的特點；而且RS485總線在9600bps下最遠傳輸距離可以達到1200米，完全能夠完成一層教學樓中教室控制器與樓層控制器遠程通訊的距離需求；再加上它們之間的通訊數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)結構簡單，所以RS485總線能夠可靠地完成下層數(shù)據(jù)采集的需要。上層網(wǎng)絡采用兼容性能好、可靠性能高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離遠的CAN總線。CAN總線采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低；有CRC校驗和出錯標定能力；而且具有故障節(jié)點自動脫離CAN總線等功能，特別適合數(shù)據(jù)交換頻繁的樓層控制器與主控上位機之間的通信。經(jīng)過實際工作證明，本方案彌補了單獨的RS485網(wǎng)絡或CAN網(wǎng)絡各自的缺點，充分利用了兩者的性能優(yōu)勢。其中RS485網(wǎng)絡是完成教室控制器與樓層控制器之間的通訊，CAN網(wǎng)絡則完成樓層控制器與主控上位機之間大量的數(shù)據(jù)交換。為了降低系統(tǒng)的設計成本，RS485與CAN皆采用價格低廉的雙絞線連接。

3結束語

該系統(tǒng)采用雙層網(wǎng)絡結構，可以實現(xiàn)對校園用電的遠程和自動控制。本系統(tǒng)的運用，避免了“長明燈”現(xiàn)象，減少了人為浪費，降低了運行維護費用，節(jié)約了管理成本，適合現(xiàn)代化校園的節(jié)能控電系統(tǒng)。

[參考文獻]

[1]Deveaux，M．J，Rahman，M．H．A study of integrated bus LAN protocals．Electrical and Computer Engineering，1993．Canadian Conference，1993.

[2]李學海．PIC單片機實用教程(提高篇)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]陳夏清．應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的485總線與CAN總線比較[J]．工業(yè)控制計算機，2004(5)：52-55.

[4]李正軍．現(xiàn)場總線及其應用技術[M]:北京：機械工業(yè)出版社，2005.