基于GPRS和CAN的樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)

吳紅生，秦會斌，毛祥根，丁 亮

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高，人們對生活品質(zhì)的要求也隨之提高。小區(qū)樓宇的智能化以及設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化也逐步成為人們選擇住宅時考慮的重要因素。此外，像學(xué)校、大型商場以及公司等組織，隨著配套照明設(shè)施的增多，也迫切需要一種網(wǎng)絡(luò)化的樓宇照明系統(tǒng)，以便于科學(xué)、便捷地實現(xiàn)對照明設(shè)施的管理與控制。

目前，樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸可以采用有線和無線兩種方式。有線方式一般采用現(xiàn)場總線的方式，而無線傳輸方式有紅外、藍(lán)牙、WIFI、GPRS以及ZigBee 等。其中，紅外、藍(lán)牙以及WIFI 的傳輸距離都比較近，不適用于遠(yuǎn)距離無線通信。ZigBee通訊距離一般為幾百米，可以擴展，但是目前在穿墻能力方面并不理想，所以也不適合用于樓宇內(nèi)通信。相比較而言，GPRS 通信距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，而且它內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，可以很方便地用于長距離通信或控制。它在遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用情況證明其完全可以滿足該監(jiān)控系統(tǒng)的需求［1-4］。

從經(jīng)濟性與可行性出發(fā)，本研究提出一種樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案采用GPRS 與CAN 總線結(jié)合的方式。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)是一個分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)，有著分散控制、集中操作、配置靈活等特點。它主要包括監(jiān)控軟件和底層硬件控制模塊兩部分。監(jiān)控軟件采用C/S 模型，客戶端提供良好的人機界面，服務(wù)器完成客戶端與GPRS 的信息交互以及數(shù)據(jù)庫的信息存取。底層硬件控制模塊主要分為GPRS 無線通信模塊、CAN 總線通信模塊、調(diào)光、數(shù)據(jù)采集等其他功能電路。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

操作客戶端與監(jiān)控中心通過Internet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，而監(jiān)控中心與底層控制節(jié)點通過兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信。初級網(wǎng)絡(luò)為CAN總線組成的單線局域網(wǎng)，它完成了底層各個節(jié)點之間信息交互。每個單線局域網(wǎng)中，有一個通信節(jié)點，它利用GPRS無線通信的方式將底層控制節(jié)點采集到的信息發(fā)送給監(jiān)控中心軟件，同時也將監(jiān)控中心軟件發(fā)送過來的命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制節(jié)點。這樣，也就完成了上位機軟件與底層控制節(jié)點的信息交互，從而實現(xiàn)照明設(shè)備遠(yuǎn)程的管理與監(jiān)控。

1.2 底層終端的設(shè)計與實現(xiàn)

底層終端節(jié)點主要分為通信節(jié)點和控制節(jié)點。通信節(jié)點配有GPRS通信模塊和CAN通信接口，通過有線與無線結(jié)合的方式，完成底層與上位機的數(shù)據(jù)通信?？刂乒?jié)點帶有PWM調(diào)光模塊、電參數(shù)檢測模塊、開關(guān)燈模塊以及CAN接口，主要完成照明控制與信息檢測。

1.2.1 通信節(jié)點的設(shè)計

通信節(jié)點的原理框圖如圖2所示［5-7］。

圖2 通信節(jié)點原理框圖

主控制模塊采用基于ARMCortex-M3 內(nèi)核的STM32F103 處理器，它具有512 KB 的Flash，12 位ADC，DMA 控制器以及支持CAN 協(xié)議2.0A 和2.0B。它片內(nèi)含有多個串行接口，便于通過RS232 與GPRS進(jìn)行串口通信以及測試。

GPRS模塊采用西門子的MC52i，它屬于工業(yè)級別的GPRS模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，可以根據(jù)配置進(jìn)行多達(dá)5種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，如TCP、FTP、HTTP、SMTP 以及POP3 等。CAN 收發(fā)器采用TJA1050，通過光耦6N137與單片機進(jìn)行隔離，在實現(xiàn)穩(wěn)定通信的同時，達(dá)到了較高的性價比。

通信節(jié)點開機工作時，會完成GPRS 模塊的初始化，包括服務(wù)模式的選擇、網(wǎng)絡(luò)連接模式的配置以及服務(wù)屬性的配置。監(jiān)控中心的IP地址以及端口號，在完成配置后會保存在通信節(jié)點，便于開機初始化后自動重連。每個通信節(jié)點都存有一個固定的ID號，該號碼與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫的ID 相對應(yīng)。GPRS 連接時，會發(fā)送它的ID號，完成信息的匹配。這樣，當(dāng)GPRS斷開時，監(jiān)控中心也可以很快地找到其匹配信息，并把信息反饋給管理員。

GPRS的網(wǎng)絡(luò)通信流程要求研究者選擇服務(wù)模式，服務(wù)模式有URC模式和Polling模式，這里選擇默認(rèn)的URC模式。URC模式能夠通知數(shù)據(jù)的發(fā)送情況、服務(wù)的關(guān)閉情況以及錯誤是否已經(jīng)發(fā)生，這些在Polling 模式中是沒有的。本研究通過AT^SICS選擇網(wǎng)絡(luò)連接模式，它有CSD 和GPRS 模式，選擇GPRS 模式。然后就是通過AT^SISS 配置服務(wù)屬性，在連接和服務(wù)都配置好之后，就可以通過AT^SISO命令打開網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 控制節(jié)點的設(shè)計

控制節(jié)點的主要完成數(shù)據(jù)的采集與控制，其總體框圖如圖3所示。

圖3 控制節(jié)點整體框圖

在功能模塊上，除了CAN通信，其主要涉及到DMA多路電流/電壓的采集、PWM調(diào)光以及開關(guān)燈的控制。

為了提高電流、電壓數(shù)據(jù)的檢測精度，這里引入了一種簡易的數(shù)字濾波算法—去極值平均濾波算法。針對單一通道，該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到10 次，然后篩選出最大值、次大值、最小值以及次小值，并將剩下6 個求均值，這樣可以避免脈沖干擾造成的數(shù)值偏差。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集時，DMA需要配置通道的數(shù)據(jù)傳輸量、設(shè)置通道的優(yōu)先級以及工作模式等；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的數(shù)據(jù)大小時進(jìn)入DMA中斷，修改指定的標(biāo)志位；然后外部程序會根據(jù)標(biāo)志位對指定緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，針對提取出的數(shù)據(jù)同樣采用濾波算法，剔除掉其中的不良數(shù)據(jù)。

當(dāng)控制設(shè)備出現(xiàn)故障時，例如電流、電壓過高或者出現(xiàn)斷路等，控制節(jié)點會立即將報警信息發(fā)送給通信節(jié)點。通信節(jié)點通過GSM/GPRS短消息將消息發(fā)送給管理員并向監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)報警信息。這樣不僅改善了信息反饋的通道，也提高了故障報警的效率。

2 通信方式與協(xié)議的制定

2.1 通信方式介紹

照明監(jiān)控系統(tǒng)在通信的過程中融合了Socket網(wǎng)絡(luò)通信、GPRS無線通信以及CAN通信。這3種通信方式在通信的數(shù)據(jù)量以及通信方式上都有較大的差別。研究者在通信協(xié)議的制定上也必須兼顧其中的任何一種。

監(jiān)控軟件的通信方式均為Socket 網(wǎng)絡(luò)通信，采用TCP 協(xié)議。TCP 作為一個可靠的面向連接的協(xié)議，它允許源于一個機器的字節(jié)流被無錯誤地傳輸?shù)絀nter?net 上的任何其他機器［8］。而且在傳輸數(shù)據(jù)量上相對其他兩種通信方式，也無太多限制。

GPRS無線通信模塊通過串口與單片機完成數(shù)據(jù)交互，并以無線的方式將消息發(fā)送給監(jiān)控中心。串口通信的數(shù)據(jù)封裝了AT指令集，單片機會通過封包、解包的方式完成對串口通信數(shù)據(jù)的封裝與解析。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量沒有固定的限制，但是從穩(wěn)定性以及可靠性方面考慮，一次性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不宜太多。

CAN 總線上傳輸?shù)膸袷接袛?shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀以及過載幀。數(shù)據(jù)傳輸采用CAN標(biāo)準(zhǔn)報文格式，在傳輸執(zhí)行信息以及返回數(shù)據(jù)信息的過程中，均采用數(shù)據(jù)幀格式。

數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它由7 個不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC 校驗碼場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾［9］。

圖4 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

幀起始位標(biāo)志著數(shù)據(jù)幀或者遠(yuǎn)程幀的開始，僅有一個顯性位構(gòu)成。仲裁場由11 位標(biāo)識符和RTR位組成，在數(shù)據(jù)幀里，RTR 必須為1。數(shù)據(jù)域的長度為0～8位，這里數(shù)據(jù)域的長度設(shè)為8個字節(jié)。

為了便于過濾在總線傳輸?shù)牟幌嚓P(guān)的數(shù)據(jù)，每個節(jié)點都有其對應(yīng)的ID。在數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符設(shè)為接收節(jié)點的ID，而接收節(jié)點的過濾器也只過濾出標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符為其ID號的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，這樣接收節(jié)點只能收到發(fā)給它的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收也就有了一定的針對性。

2.2 協(xié)議的制定

在3種通信方式中，只有CAN總線通信在傳輸數(shù)據(jù)上有較多的限制。一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最多也只有8個字節(jié)［10］。所以上位機與底層節(jié)點的通信信息，其長度均設(shè)為8 字節(jié)。在通信協(xié)議中，為了便于區(qū)分節(jié)點的信息，協(xié)議中用2個字節(jié)表示節(jié)點的ID號。

通信的協(xié)議格式如表1所示。協(xié)議中，除了數(shù)據(jù)位占3個字節(jié)以外，其余類型各占1個字節(jié)。其中，第3 字節(jié)表示GPRS 的ID 號，第4 字節(jié)為節(jié)點在CAN 總線中的ID號。

表1 通信協(xié)議格式

在同一CAN網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點對應(yīng)的GPRS 的ID號均相同，通信節(jié)點對應(yīng)的CAN 總線上的ID 號設(shè)為0，控制節(jié)點依次遞增。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

樓宇照明監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分分為上位機軟件和底層驅(qū)動軟件，其主要體現(xiàn)了系統(tǒng)的集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和即時響應(yīng)。上位機軟件主要完成操作界面的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)庫的存取。底層驅(qū)動軟件主要用于系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)，包括GPRS無線通信的實現(xiàn)、照明控制、參數(shù)采集以及CAN通信的實現(xiàn)等。

底層驅(qū)動軟件設(shè)計包括通信節(jié)點和控制節(jié)點的軟件設(shè)計，軟件流程圖如圖5所示。

通信節(jié)點通過有線與無線結(jié)合的方式，完成了數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能?？刂乒?jié)點實現(xiàn)了照明控制、信息檢測以及實時報警等功能。這樣不僅使系統(tǒng)達(dá)到了遠(yuǎn)程控制的功能，而且在設(shè)備出現(xiàn)故障時能夠讓管理人員快速得知具體信息，從而縮短了設(shè)備維修的周期。

4 結(jié)束語

本研究介紹了CAN網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的樓宇照明系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)結(jié)合樓宇中的實際情況，在通信網(wǎng)絡(luò)上采用分層設(shè)計思想，很好地解決了遠(yuǎn)程通信過程中數(shù)據(jù)通信鏈路的建立、通信協(xié)議的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)的集中管理以及信息的實時反饋，實現(xiàn)了穩(wěn)定、便捷、高效的數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)有效地減少了樓宇照明設(shè)備管理上的人力資源消耗，并提高了設(shè)備的維護效率，并在一定程度上減少了資源建設(shè)成本，也為照明設(shè)備的使用與管理人員的工作提供了便利。

圖5 底層軟件流程圖

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