劉志英　郭曉澎　楊　瑩

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西　太原　03300000066； 2.山西省交通科學(xué)研究院，山西　太原　03300000066；33..山西省交通科學(xué)研究院，山西　太原　03300000066）

基于CANCAN總線的智能樓宇分布式控制系統(tǒng)

劉志英1郭曉澎2楊瑩3

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西太原03300000066； 2.山西省交通科學(xué)研究院，山西太原03300000066；33..山西省交通科學(xué)研究院，山西太原03300000066）

智能樓宇系統(tǒng)能夠給人們提供輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，未來(lái)它將是每一個(gè)樓宇必備的設(shè)備。本文所設(shè)計(jì)的智能樓宇系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)、基于射頻識(shí)別的門(mén)禁系統(tǒng)以及集成以太網(wǎng)通訊功能的主控制器系統(tǒng)。本文將著力介紹基于CAN總線的智能樓宇分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，給出以STM32F107為主控制器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)CAN總線通信模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、燈光調(diào)節(jié)模塊、射頻識(shí)別模塊的電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)給出詳細(xì)的說(shuō)明。

智能樓宇；CAN總線；以太網(wǎng)；射頻識(shí)別；燈光調(diào)節(jié)

1　背景介紹

圖1　總體結(jié)構(gòu)框圖

隨著大量電子設(shè)備的推廣使用，建筑電子化的趨勢(shì)逐步顯現(xiàn)，人們開(kāi)始將電器、通訊設(shè)備與安防系統(tǒng)設(shè)備這些具有獨(dú)立功能的事物綜合在一起，形成了建筑自動(dòng)化的概念。隨著通信與信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了通過(guò)總線技術(shù)對(duì)建筑中各種設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理的系統(tǒng)，也就是現(xiàn)在智能建筑的原型［1］。目前通常把智能建筑定義為利用IT技術(shù)和綜合布線技術(shù)，通過(guò)信息管理平臺(tái)將大樓中各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合成一個(gè)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段數(shù)字化技術(shù)取得了更加迅猛的發(fā)展并日益滲透到各個(gè)領(lǐng)域，隨著Internet網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，建筑信息化、智能化將是一個(gè)不可避免的趨勢(shì)。

2　總體設(shè)計(jì)方案

圖1所示是本文設(shè)計(jì)的一種新的基于CAN總線的智能建筑分布式控制系統(tǒng)，它包含三個(gè)模塊：主控制系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)以及燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)，三者之間采用CAN總線進(jìn)行通訊，并將各模塊的工作運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)以太網(wǎng)傳至上位機(jī)軟件，由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式智能建筑控制網(wǎng)絡(luò)。

本文設(shè)計(jì)的分布式控制系統(tǒng)通訊采用CAN總線，主要是考慮到CAN總線作為一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有開(kāi)發(fā)維護(hù)成本低、總線利用率高、傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)可達(dá)10km）、傳輸速率高（最高可達(dá)1Mbps）、抗干擾性強(qiáng)、多節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)。

與上位機(jī)間的通訊采用以太網(wǎng)，由主控制器來(lái)完成。而且萬(wàn)兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)大大提高了以太網(wǎng)通訊的速度，將沖突出現(xiàn)的可能大大降低，提高了以太網(wǎng)的性能［2-4］。

不論是CAN總線還是以太網(wǎng)，都有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)就是方便系統(tǒng)的擴(kuò)展，我們可以隨意地向以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)中增加或刪除節(jié)點(diǎn)。這也正是本文設(shè)計(jì)的分布式控制系統(tǒng)采用這兩種通訊模式的原因。

3　硬件電路設(shè)計(jì)

3.1RFID門(mén)禁系統(tǒng)

門(mén)禁系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，利用讀卡器芯片MFRC530及射頻卡Mifare S50構(gòu)成射頻識(shí)別系統(tǒng)。

Mifare S50卡是一款近耦合式射頻卡，集成了ISO14443A協(xié)議，支持8位并行通訊方式，同時(shí)也可以選用SPI串行通訊方式。這里選用這款芯片的最大原因在于其模擬以及射頻信號(hào)收發(fā)部分采用5V供電，但其支持?jǐn)?shù)字接口部分的3.3V獨(dú)立供電，這樣可以省去STM32F107到MFRC530之間的電平轉(zhuǎn)換電路［5］。

圖2　板載天線電路

這里分別將STM32F107和MFRC530配置為SPI主、從器件，通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)主芯片與讀卡器芯片的通訊。另外再利用電路腐蝕在PCB上形成一個(gè)板上天線，圖2所示就是一個(gè)天線的濾波，調(diào)理電路。

另外板子上還設(shè)計(jì)了一個(gè)EEPROM器件X25043，該器件集成了看門(mén)狗功能，本設(shè)計(jì)使用該芯片來(lái)防止程序跑偏后的死機(jī)，同時(shí)其具備的電壓檢測(cè)功能可使主芯片電壓不足時(shí)進(jìn)入復(fù)位模式。更重要的是用其來(lái)存儲(chǔ)建筑內(nèi)各個(gè)房間及辦公室的門(mén)禁信息，以便與射頻卡中讀出的信息進(jìn)行對(duì)比。

3.2可控硅調(diào)光模塊

燈光調(diào)節(jié)部分采用PWM調(diào)制技術(shù)，通過(guò)STM32F107控制器自帶的高級(jí)時(shí)鐘功能來(lái)產(chǎn)生PWM波形，燈則采用LED照明燈，隨著國(guó)家對(duì)于白熾燈的逐步禁止，LED燈以其低功耗和高亮度的特點(diǎn)已經(jīng)成為照明市場(chǎng)上的一個(gè)新趨勢(shì)，考慮到照明用的燈為220V供電，由于STM32F107GPIO的耐壓最大值為5V，所以直接用STM32F107控制器的GPIO口來(lái)控制燈的開(kāi)斷是不可能，也不安全。所以這里采用三端可控硅元件BTA06來(lái)控制燈的亮滅，并且采用一個(gè)光耦MOC3021對(duì)控制電路和強(qiáng)電照明電路實(shí)現(xiàn)隔離。如圖3所示。

圖3　調(diào)光電路

這里控制器的GPIO口連接圖上的OUT1端，高低電平的變化來(lái)控制光耦的通斷，而LED1端接E27燈座，此時(shí)將220V的強(qiáng)電接在E27燈座的另一端以及N3口上。由此我們就可以通過(guò)調(diào)節(jié)GPIO口輸出的PWM波形的占空比來(lái)調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)光的亮度。

3.3CAN總線通訊模塊

傳統(tǒng)的CAN總線組網(wǎng)方案是由主控制器、CAN總線控制器（如PCA82C250）、CAN總線收發(fā)器（如SJA1000）以及CAN總線控制器與收發(fā)器間隔離電路四部分組成，其中CAN總線隔離電路一般采用DC/DC隔離電源、高速光耦（如6N137）、匹配電阻以及濾波電容組成。這種方案在CAN總線產(chǎn)生早期經(jīng)常使用，至今仍是一種使用較為普遍的方案。但是這種電路方案PCB布板面積大，器件眾多，使用起來(lái)較為復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)的CAN總線模塊采用全新的設(shè)計(jì)方案，由集成CAN總線控制器的主控芯片以及帶隔離功能的CAN總線收發(fā)器（如CTM1051A）組成［6］。這種方案可以降低器件成本，最主要的是可以減少PCB的面積，方便將產(chǎn)品小型化、模塊化。其電路連接方式如圖4。

這里采用CTM1051A作為CAN總線收發(fā)器，它將傳統(tǒng)的由隔離電源和光耦以及相匹配的電容電阻組成的隔離電路，完全集成到了一個(gè)器件中。考慮到CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)終端上需要添加匹配電阻，所以在電路設(shè)計(jì)上采用了如圖4所示的方式，當(dāng)電路板作為CAN總線的終端時(shí)，只需要將P6的跳帽跳上即可，而當(dāng)電路板作為CAN總線的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，將跳帽拔下即可，非常方便。

圖4　CAN總線電路

圖5　

3.4以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)部分由集成了以太網(wǎng)控制器的STM32F107作為主控制器，外接以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DM9161A，并連接內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45接口HR911105A。

STM32F107與DM9161A的連接方式有兩種，一種是MII接法，MII是將不同類型的PHY器件與相同網(wǎng)絡(luò)控制器相連接的通用總線。這種接法數(shù)據(jù)接口需要16個(gè)信號(hào)線，而管理接口則需要兩個(gè)信號(hào)線，總共18根線，這將大量占用主控制器的GPIO端口，為節(jié)省資源，這里采用第二種接法RMII，即簡(jiǎn)化的MII接口。使用這種接法我們只需9根信號(hào)線，另外，由于DM9161A需要50MHz的頻率輸入，可以對(duì)其外接晶振，也可以從外部輸入時(shí)鐘信號(hào)，這里使用STM32F107的MCO端口輸出的50MHz時(shí)鐘源作為DM9161A的信號(hào)輸入。

4　以太網(wǎng)軟硬件調(diào)試

主控制器與PC機(jī)的通訊過(guò)程主要是采用以太網(wǎng)，這種通訊方式便于組網(wǎng)，新增子節(jié)點(diǎn)只要設(shè)置合適的網(wǎng)關(guān)和IP地址就可以方便地加入到整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)中，利于后續(xù)的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)［7-8］。本節(jié)將主要介紹以太網(wǎng)模塊的程序編寫(xiě)以及軟硬件調(diào)試流程。

通訊過(guò)程中，主控制器需要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成一個(gè)以太網(wǎng)幀，格式如表1。

主控制器上的MAC地址，可以通過(guò)對(duì)STM32F107以太網(wǎng)MAC地址寄存器的寫(xiě)操作自己設(shè)定。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址則可以通過(guò)以下步驟查詢：開(kāi)始—運(yùn)行—輸入cmd—輸入ipconfig/all，效果如圖6。

表1　基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀

圖6　計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡MAC地址

這里需要對(duì)PC機(jī)和主控制器設(shè)定IP地址，主控制器的IP地址通過(guò)設(shè)定STM32F107寄存器來(lái)完成。計(jì)算機(jī)IP地址的設(shè)定方法是：打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接—本地連接—屬性—Internet協(xié)議—使用下面的IP地址—設(shè)定一個(gè)32位的IP地址即可，需要注意同步設(shè)置網(wǎng)關(guān)，兩者必須在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。以上設(shè)定都完成后，就可以進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)了，這里有兩種方式。

第一種方式：按照?qǐng)D6步驟查詢出PC機(jī)的MAC地址，即主控制器要發(fā)送的以太網(wǎng)幀的目的地址，這種方法有一定的缺陷，那就是和不同PC機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，每次都需要查詢?cè)揚(yáng)C機(jī)MAC地址，并在程序中重新設(shè)定。

第二種方式：采用ARP協(xié)議即地址轉(zhuǎn)換協(xié)議來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上其他基于IP地址協(xié)議的計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)地址。這樣對(duì)不同的PC機(jī)，只需要設(shè)定IP地址即可，不必再去查詢其MAC地址。

這里采用第二種方式，其過(guò)程如下：

（1）設(shè)定計(jì)算機(jī)IP地址為192.0.2.1。設(shè)定主控制器IP地址為192.0.2.2。

（2）主控制器發(fā)送ARP包，用于詢問(wèn)IP地址為192.0.2.1的結(jié)點(diǎn)，請(qǐng)它將自己的以太網(wǎng)接口48位MAC地址發(fā)送給主控制器，接收ARP包的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)分析接收到的數(shù)據(jù)，IP地址與ARP包中不同者，不會(huì)響應(yīng)。而IP地址與ARP包中相同者，則會(huì)響應(yīng)ARP包，自動(dòng)將MAC地址回傳。

（3）接收到目標(biāo)MAC地址的主控制器，隨即將該地址作為目的地址與要發(fā)送的數(shù)據(jù)還有自身地址一起封裝成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀并發(fā)送。

（4）PC接收該幀，存在相應(yīng)的存儲(chǔ)器中。完成一次收發(fā)過(guò)程。

對(duì)于以太網(wǎng)傳輸?shù)恼_性驗(yàn)證，使用軟件“網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手”，如圖7，它可以監(jiān)控相應(yīng)IP地址節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了智能建筑的概念及發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)。重點(diǎn)對(duì)可控硅照明調(diào)光模塊、RFID門(mén)禁模塊、CAN通訊模塊、以太網(wǎng)通訊模塊的軟硬件實(shí)現(xiàn)及調(diào)試進(jìn)行了介紹。另外采用現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式智能建筑控制系統(tǒng)增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力，方便對(duì)門(mén)禁、燈光等設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行采集與匯總。系統(tǒng)可靠性高，并且具備了開(kāi)放式、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行良好，各模塊功能均可正常實(shí)現(xiàn)。

圖7　網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手

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Distributed Control System for Intelligent buildings based On CAN Bus

Liu Zhiying1Guo Xiaopeng2YangYing3
（1.Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006，2.Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006，3. Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006）

The system of intelligent building can offer people aeasy，ordered，and highly efficient life style，in the future，it will become a required device for all the buildings..In this paper，the designed intelligent building system is divided into three subsystems：the system of light regulation，the system of entrance guard based on radio frequency identification and the system of main controller integrated with Ethernet communication function.This paper will focus on the network node design of distributed control system for intelligent building based on CAN bus，and give a node design scheme with STM32F107 as main controller.It gives a detailed description on the electrical line design and software implementation of the CAN bus communication module，Ethernet communications module，lighting adjustment module and RFID module.

intelligent Hbuilding；CAN bus；Ethernet；radio frequency identification；light regulation

TM923

A

1003-5168（2015）10-0022-4

2015-9-15

劉志英（1988-），女，碩士研究生，助理工程師，研究方向：嵌入式軟件開(kāi)發(fā)和基于javascript的網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)。