CAN總線在酒店客房智能化系統(tǒng)中的應(yīng)用

牛躍聽，薛明晰，高 飛

（總裝軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050000）

隨著社會的進步和人們生活品質(zhì)的提高，酒店客房以及家居逐步實現(xiàn)智能化控制。房間的燈光控制（諸如臺燈、地?zé)?、廊燈、夜燈、頂燈、吧燈）、家電控制（諸如空調(diào)、電視、排風(fēng)扇）及服務(wù)控制（諸如呼叫、請勿打擾、清理衛(wèi)生）等都實現(xiàn)了在客人的床頭位置自動控制，也可以通過遙控器控制，并實時把房間里面的狀態(tài)通過總線上傳到酒店的服務(wù)臺。如果酒店或家庭配有藝術(shù)化色調(diào)的燈具，就可以達到更人性化的燈光效果，例如：讀書時一鍵選擇“閱讀燈光背景模式”；用餐時一鍵選擇“餐廳燈光背景模式”；睡覺前半小時一鍵選擇“暖色調(diào)燈光背景模式”等。

酒店的服務(wù)臺也可以在計算機上面的“酒店客房管理系統(tǒng)軟件”上實時掌握客房內(nèi)狀態(tài)，操作控制客房內(nèi)的家電、燈光、應(yīng)答客人服務(wù)。如果計算機連接互聯(lián)網(wǎng)，進而還可以實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)智能家居。

相對于485總線，CAN總線以其具有“成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸距離遠（最遠長達10 km）、數(shù)據(jù)傳輸速率高（最高達1 Mb/s）、無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的逐位仲裁、借助驗收濾波器的多地址幀傳遞、遠程數(shù)據(jù)請求、可靠的錯誤檢測和出錯處理功能、發(fā)送的信息遭到破壞后自動重發(fā)、暫時錯誤和永久性故障節(jié)點的判別以及故障節(jié)點的自動脫離、脫離總線的節(jié)點不影響總線的正常工作”等優(yōu)點，將逐步取代基于485總線構(gòu)建的酒店客房智能化管理系統(tǒng)。

1 CAN總線酒店客房智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

圖1是酒店客房智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)主要包括酒店服務(wù)臺、CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)、客房終端。

圖1 CAN總線酒店客房智能化系統(tǒng)示意圖

客房終端把房間內(nèi)的各種燈具、家電、服務(wù)需求按鍵綜合到一塊控制板（客戶終端），各種燈具、家電、服務(wù)需求的控制信息通過CAN總線發(fā)送至CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器CANET-200，實現(xiàn)開關(guān)、按鈕、傳感器、照明設(shè)備、其他執(zhí)行器和多控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，以及各操作單元之間的協(xié)作，并對各單元不斷變化的狀態(tài)實時控制。

如果酒店一個樓層內(nèi)房間較多（例如多于80個，小于110個），每一個樓層內(nèi)的所有房間通過CAN總線連接組網(wǎng)，然后連接一臺CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。如果一個樓層內(nèi)房間較少，可以相鄰樓層內(nèi)的房間通過CAN總線組網(wǎng)，再連接到CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。但是房間總數(shù)不要超過110個，因為一條CAN總線上最多接110個節(jié)點。

不同樓層之間通過以太網(wǎng)和酒店服務(wù)臺的計算機連接組網(wǎng)，服務(wù)臺處的計算機是可以直接控制客房終端，以及實時讀取客房終端狀態(tài)的前臺設(shè)備。

CAN總線在較低的通信波特率下，例如5 kb/s，通信距離可以達到10 km。圖1中可以用CAN中繼器代替CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)低成本組網(wǎng)連接。之所以選擇使用CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，是考慮到通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制客房終端，或者將來適用于網(wǎng)絡(luò)控制家庭用戶內(nèi)的設(shè)備，實現(xiàn)遠程智能化家居控制。

2 酒店智能化系統(tǒng)通信協(xié)議及CAN地址分配

Basiccan和Pelican都是CAN總線通信協(xié)議，CAN控制器SJA1000支持兩種協(xié)議的通信。Basiccan具有11位標(biāo)識符，占有 2 B，支持標(biāo)準(zhǔn)幀格式；Pelican具有 29位標(biāo)識符，占有4 B，支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀。

考慮到Pelican通信協(xié)議在組網(wǎng)的靈活方便和可擴充性方面的優(yōu)勢，酒店客房智能化系統(tǒng)客戶終端的CAN總線通信協(xié)議選用Pelican。但是Pelican通信協(xié)議也有其弊端：其標(biāo)識符相對于標(biāo)準(zhǔn)幀格式下多占用兩個字節(jié)，在通信時間上相對較長。酒店客房智能化系統(tǒng)客戶終端的CAN總線通信波特率為400 b/s。多占用的兩個字節(jié)，16 bit，通信占用的時間僅有16 bit/（400 b/s*1 024 bit/K）=39 μs。因此，這對通信速率的影響微不足道。

CAN總線酒店智能化系統(tǒng)地址分配表如表1所示。CAN地址分配在寄存器方面涉及到ACR和AMR；在地址識別方面涉及到Pelican模式下29位標(biāo)識符的分配使用問題。使用ID28～ID21高8位作為樓層ID識別，共可以識別256個樓層；使用ID20～ID0作為樓層內(nèi)的客房終端ID識別；CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器CANET-200也可以設(shè)置不同的TCP/IP地址，用于一臺CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器連接的多個客戶終端群的地址識別。分層式的CAN地址配置，以及CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的TCP/IP地址，可以實現(xiàn)故障終端的快速定位，方便售后的維護使用。

表1 CAN總線酒店智能化系統(tǒng)地址分配表

3 客戶終端硬件電路設(shè)計

3.1 客戶終端硬件電路

酒店客房智能化系統(tǒng)客戶終端采用STC89C58單片機作為節(jié)點的微處理器，主要涉及到6大部分硬件電路：多控制按鍵、多繼電器驅(qū)動、CAN總線傳輸、燈具調(diào)光、多電源電路、ADC采集設(shè)計?？蛻舳说挠布?gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 CAN總線酒店智能化系統(tǒng)客戶端節(jié)點硬件原理圖

多按鍵中斷設(shè)計采用兩片74LS48和一片74HC08搭建編碼電路，實現(xiàn) 16路按鍵（SW0～SW15）輸入，4位BCD編碼 （74HC08_A0～74HC08_A3）輸出和一個中斷（74HC08_INT）輸出，在中斷程序中識別具體按鍵狀態(tài)。

多繼電器驅(qū)動電路設(shè)計通過串聯(lián)3片74HC595實現(xiàn)24路輸出，其中的16路輸出通過驅(qū)動芯片UN2003驅(qū)動16個繼電器；8路輸出用于控制服務(wù)狀態(tài)指示燈。

CAN總線傳輸電路設(shè)計中采用PHILIPS公司的 “獨立CAN總線通信控制器SJA1000”芯片、CAN總線收發(fā)器選用TJA1040芯片；為了增加抗干擾特性，采用6N137高速光耦及DC-DC隔離模塊構(gòu)成光電隔離電路。

客戶終端需要3種電源：直流5 V、直流 9 V、CAN電路隔離直流5 V。為此，選用市電交流220 V輸入，兩路交流輸出8 V、9 V的電源模塊。8 V交流輸出經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后，調(diào)理輸出5 V直流電源，用于單片機等芯片的供電；經(jīng)過DC-DC隔離模塊B0505_25W后，輸出的隔離5 V電源，用于CAN總線部分電路的供電；9 V交流輸出經(jīng)過調(diào)理后，用于驅(qū)動控制16路繼電器。

3.2 客戶終端硬件成本分析

項目的開發(fā)一般分為需求分析、解決方案、項目的實現(xiàn)、項目的總結(jié)和改進。其中在解決方案階段中的“開發(fā)成本分析”是影響企業(yè)利潤的關(guān)鍵。

16路按鍵、16路繼電器、CAN總線芯片SJA1000數(shù)據(jù)/地址和控制總線占用13個I/O，另外還有主副開關(guān)、ADC0832芯片等占用多個I/O。如果選用引腳I/O豐富的 MCU，諸如 LPC2100、LPC2292等，則可以使硬件設(shè)計變得簡單。但是考慮到芯片的價格，以及與之對應(yīng)的利潤、售后換件維修成本因素等，決定選用STC89C58單片機，其價格只有6～8元人民幣。

STC89C58單片機只有40個引腳，怎樣解決I/O不夠用的問題呢？

16路按鍵設(shè)計，采用74LS148和 74HC08搭建“16轉(zhuǎn)4”帶有中斷的按鍵設(shè)計，配合中斷只需讀出4個I/O的編碼，即可識別出按鍵狀態(tài)；

16路繼電器和LED指示燈設(shè)計，采用8位串行輸入-移位輸出寄存器74HC595和驅(qū)動芯片UN2003設(shè)計，只需占用3個I/O即可實現(xiàn)要求的控制功能。選用74HC595的弊端是串行驅(qū)動繼電器速度相對較慢，但是足以滿足酒店客房智能化系統(tǒng)的需求。

STC89C58單片機的其他I/O資源供芯片SJA1000、主副開關(guān)、ADC0832芯片等使用。

4 CAN總線酒店客房智能化系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括 “上位機管理軟件設(shè)計”、“CAN總線通信軟件設(shè)計”、“客戶終端數(shù)據(jù)的采集、控制與信息處理軟件設(shè)計”。CAN總線通信程序流程圖如圖3所示。

圖3 CAN總線通信程序流程圖

上位機管理軟件設(shè)計采用C#編寫，主要完成酒店客房內(nèi)的門鎖、燈具、家電、溫度傳感器、服務(wù)需求等信息的管理，以及顯示實時的動態(tài)數(shù)據(jù)；向客戶終端下發(fā)控制狀態(tài)字；存儲歷史數(shù)據(jù)和打印報表。

CAN總線通信軟件設(shè)計采用C語言編寫，主要實現(xiàn)CAN總線通信協(xié)議、與上位機的握手協(xié)議的制定。在CAN總線通信軟件設(shè)計中，SJA1000的初始化程序至關(guān)重要，其流程圖如圖4所示。

客戶終端數(shù)據(jù)的采集、控制、信息處理軟件用C語言編寫，主要實現(xiàn)3種功能：一是采集客房內(nèi)的門鎖、燈具、家電、溫度傳感器、服務(wù)需求的實時狀態(tài)；二是接收上位機的控制狀態(tài)字，控制客房內(nèi)的燈具、家電的開關(guān)狀態(tài)；三是對采集的狀態(tài)信息進行編碼信息處理，以及對接收到的控制狀態(tài)字進行解碼信息處理。

圖4 SJA1000初始化程序流程圖

CAN總線作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本較低的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式，將在智能家居、樓宇自動化領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)經(jīng)過研發(fā)、試驗、調(diào)試，已經(jīng)在酒店客房智能化系統(tǒng)中得到應(yīng)用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、高效，滿足實用要求。

[1]PhilipsSemiconductors.CAN Specification Version 2.0，Parts A and B.1992.

[2]Philips Semiconductors.Data Sheet SJA1000，Stand-alone CAN Controller.

[3]Philips Semiconductors.Preliminary Data Sheet TJA1040，High speed CAN transceiver.2001 Nov 12.

[4]宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列單片機器件手冊.2007.

[5]廣州致遠電子有限公司，群星系列CAN接口應(yīng)用.2009.