基于短距無線通信及CAN總線的照明光源控制研究

重慶城市管理職業(yè)學(xué)院 張建碧

1.前言

目前我國照明用電量占建筑用電的20%-30%，智能照明電氣公司生產(chǎn)的場景控制器和調(diào)光產(chǎn)品基本上都采用開環(huán)控制，根據(jù)區(qū)域要求打開光源并調(diào)節(jié)光的輸出，這樣很難達(dá)到該環(huán)境最合理的照度，通常調(diào)節(jié)好一個照度水平后，不會再根據(jù)該環(huán)境的光線強(qiáng)度來改變照度。這種不合理的控制光源方法，增加了用電量，造成大量污染。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是本世紀(jì)最具影響力的技術(shù)之一，如果將無線傳感技術(shù)應(yīng)用到照明控制系統(tǒng)中，不僅會大大減少成本，而且節(jié)約資源，避免不必要的浪費。

本文提出的照明控制系統(tǒng)主要利用短距離無線通信和CAN總線技術(shù)，應(yīng)用于小環(huán)境光源照明控制，由無線通信基站、無線通信從站和終端節(jié)點組成。本方案適合小環(huán)境光源控制，克服了自動化程度低、管理比較混亂、控制相對分散的傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)的缺點，為人們生活提供一個更加智能化的環(huán)境。

2.原理及技術(shù)

本研究方案主要應(yīng)用到短距離無線通信技術(shù)和CAN總線技術(shù)。其中，短距離無線通信技術(shù)采用低功率短距離無線通信技術(shù)，采用nRF905無線射頻收發(fā)芯片。無線通信基站由STC89C52和nRF905無線收發(fā)器組成。STC89C52為改基站的控制芯片，用來產(chǎn)生控制信號，并對從站返回的狀態(tài)做出反應(yīng)，確保照明光源運轉(zhuǎn)正常；nRF905無線收發(fā)器為基站信號發(fā)送設(shè)備，通過nRF905完成對控制信號的發(fā)送和對從站發(fā)送的照明光源狀態(tài)信號的接收。

圖1 nRF905無線通訊接口

圖2 SJA1000與PAC82C250硬件圖

2.1 短距離無線通信

隨著通信和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用步伐不斷加快，正日益走向成熟。一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息且傳輸距離限制在較短范圍（幾十米）以內(nèi)，就可稱為短距離無線通信。短距離無線通信技術(shù)的工作頻段為ISM頻段，使用這類頻段不需要任何許可證，通常只要求發(fā)射不超過一定的功率（通常低于1W），只要不干擾其它頻段即可。目前常見的短距離無線通信經(jīng)常應(yīng)用于以下幾個ISM頻段：27MHz頻段；2.4GHz頻段和315MHz；433MHz和868MHz等頻段。

2.2 CAN總線

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，是最有前途的現(xiàn)場總線之一。

3.選用部件

本方案所用設(shè)備主要為PHILIPS半導(dǎo)體生產(chǎn)PCA89C250收發(fā)器、SJA1000控制器和挪威Nordic公司nRF905無線收發(fā)器。

PCA82C250是CAN控制器的物理接口，其主要作用是：給BUS提供差動發(fā)送信號，給CAN控制器提供差動接受信號。該芯片采用5V直流電供電，PCA82C50是針對汽車中高速通訊的應(yīng)用而設(shè)計，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。

SJA1000是一種CAN獨立控制器，通常用于自動化領(lǐng)域，用來控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000與控制器Basic CAN最主要的不同在于SJA1000提供了Pelican的全新工作模式，在該模式下，CAN總線符合全部的CAN2.0B協(xié)議。

挪威Nordic公司的nRF905芯片主要應(yīng)用于小面積區(qū)域。nRF905在無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線監(jiān)測、無線開鎖、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4.系統(tǒng)硬件

4.1 nRF905通訊模塊

nRF905與STC89C52單片機(jī)硬件接口如圖1所示。

4.2 CAN控制收發(fā)器

本方案用到的PCA82C250芯片是為CAN協(xié)議配置的物理總線接口，能夠為CAN總線提供差動發(fā)送能力，為SJA1000提供差動接收能力。圖2為SJA1000與PAC82C250組成的硬件圖。

5.系統(tǒng)軟件

硬件操作需要通過軟件來實現(xiàn)。軟件的基本操作包括初始化和常規(guī)服務(wù)兩部分。初始化服務(wù)包括SJA1000和nRF905兩個芯片的初始化，SJA1000發(fā)送和接收的配置，nRF905的發(fā)送和接收的配置；常規(guī)服務(wù)包括：無線通信基站、無線通信從站、無線終端節(jié)點之間的通信。

5.1 CAN總線操作

初始化SJA1000芯片，配置SJA_MOD寄存器，進(jìn)入復(fù)位模式，確定驗收濾波器模式；配置SJA_CDR0寄存器，選擇PeliCAN模式，禁止SJA1000的CLKOUT引腳；配置總線定時寄存器波特率設(shè)置為125Kbps，配置輸出控制寄存器為正常輸出模式，TX0為下拉，TX1為下拉；配置命令寄存器釋放接收緩沖器，配置驗收濾波寄存器。

5.2 無線數(shù)據(jù)操作

初始化nRF905，nRF905所有配置都是通過SPI接口進(jìn)行，SPI接口由5個寄存器組成，只有在掉電模式和Standby模式是激活的。置高PWR_UP，置低TRX_CE使nRF905工作于Standby模式。SPI接口包括5個內(nèi)部寄存器：狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送有效數(shù)據(jù)寄存器、接收有效數(shù)據(jù)寄存器。通過配置RF配置寄存器可使nRF905正常運行。

5.3 CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送

CAN發(fā)送：發(fā)送緩沖器配置分為描述符區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，描述符區(qū)第一個字節(jié)是幀信息字節(jié)，它說明了幀格式（標(biāo)準(zhǔn)幀格式或擴(kuò)展幀格式）、遠(yuǎn)程或數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)長度。標(biāo)準(zhǔn)幀格式有兩個字節(jié)的識別碼，擴(kuò)展幀格式有4個字節(jié)的識別碼，數(shù)據(jù)長度最長為8個字節(jié)，發(fā)送緩沖器長13個字節(jié)。配置發(fā)送緩沖器工作在擴(kuò)展幀格式，發(fā)送數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)長度為8個字節(jié)，識別碼與下位機(jī)匹配，發(fā)送數(shù)據(jù)為nRF905無線接收的數(shù)據(jù)。檢測狀態(tài)寄存器，接收狀態(tài)位為0、發(fā)送完成狀態(tài)位為1且發(fā)送緩沖器狀態(tài)位為1，則將發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)放入TX緩沖器，命令寄存器SJA_CMR發(fā)送請求位置1，發(fā)送數(shù)據(jù)。

5.4 CAM總線數(shù)據(jù)接收

CAN接收：中斷寄存器SJA_IR接收中斷位置高，開始接收RX緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，存儲完成后接收緩沖器位置高釋放RX緩沖區(qū)；釋放仲裁丟失捕捉寄存器和錯誤捕捉寄存器。

5.5 無線數(shù)據(jù)發(fā)送

nRF905發(fā)送：TRX_CE=0，TXEN=0，nRF905處于SPI編程；CSN置低，SPI等待一條指令W_TX_PAYLOAD=“00100000”，寫TX有效數(shù)據(jù)，寫操作從字節(jié)0開始；發(fā)送TX緩存存放數(shù)據(jù)；CSN置高；CSN置低，SPI等待一條指令，W_TX_ADDRESS=“00100010”，寫TX地址，全部寫操作從字節(jié)0開始；發(fā)送TX緩存存放地址；CSN置高；TRX_CE置高開始發(fā)送；發(fā)送完成后TRX_CE置低。

5.6 無線數(shù)據(jù)接收

nRF905接收：TRX_CE=1，TXEN=0，nRF905處于接收狀態(tài)；DR=1&&TRX_CE==1&&TXEN==0是否為1，判斷是否有新數(shù)據(jù)傳入且數(shù)據(jù)接收完成，TRX_CE=0進(jìn)入Standby模式；CSN置低，SPI等待一條指令，R_RX_PAYLOAD=“00100100”，讀RX有效數(shù)據(jù)，讀操作從字節(jié)0開始；CSN置高；TRX_CE=1。

5.7 無線通信基站控制

常規(guī)服務(wù)即無線通信基站工作包括：在完成對nRF905芯片的初始化后使TXEN和TRX_CE引腳置低，nRF905處于SPI編程，將nRF905所發(fā)地址及數(shù)據(jù)寫入緩存，置高TRX_CE和TXEN引腳，發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送不成功則重新發(fā)送，如果成功，置低TRX_CE，等待下一個數(shù)據(jù)發(fā)送。

6.系統(tǒng)測試

將CAN收發(fā)器單片機(jī)的串行接口與PC機(jī)串口相連，利用PC機(jī)串口通信程序?qū)?shù)據(jù)通過串口發(fā)送給CAN接收器，實現(xiàn)CAN節(jié)點的收發(fā)數(shù)據(jù)測試。串行通信的參數(shù)設(shè)置為：串口端口號：1；波特率：9600bps；數(shù)據(jù)位：8位；停止位：1位。

在使用串口時先要打開串口，然后將數(shù)據(jù)傳給CAN節(jié)點單片機(jī)。發(fā)送數(shù)據(jù)中要包含無線控制器的下位機(jī)地址和其他控制信息，如在實驗中使用的節(jié)點地址為0x00020406、其他控制數(shù)據(jù)為34。34對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)為00110100。實驗表明，本方案給出的無線與有線混合的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作正常。

無線通信基站發(fā)送0X34到無線通信從站，從站接收信號后通過CAN總線發(fā)送至終端節(jié)點，終端節(jié)點接收并在數(shù)碼管顯示接收數(shù)據(jù)，并控制下面LED燈相應(yīng)的暗滅，顯示正常發(fā)送RXOK信號通過CAN總線傳輸至無線通信從站，從站將信號發(fā)送至基站，基站接收信號并將數(shù)碼管置零，等待下一個發(fā)送信息。

7.小結(jié)

該系統(tǒng)能利用有線與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合完成對光源的控制，取得了較好的效果，綜合了有線和無線網(wǎng)絡(luò)的各自優(yōu)點，使得網(wǎng)絡(luò)控制成本更低、網(wǎng)絡(luò)利用率更高、系統(tǒng)智能化更強(qiáng)，便于網(wǎng)絡(luò)的管理和應(yīng)用，適合學(xué)校、家庭、政府、企業(yè)等場所應(yīng)用，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將具有可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]盧志強(qiáng).無線控制網(wǎng)絡(luò)的研究[D].西安:西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[2]黃曉霞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在綠色照明系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[3]黃艷玲.智能控制技術(shù)在住宅照明控制中的應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

[4]孫宗智,王濤.一種智能照明控制系統(tǒng)方案的研究[J].信息技術(shù)與信息化,2010(1):55-57.

[5]張岳軍.智能照明系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].浙江:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[6]董珀.智能照明控制系統(tǒng)及其新技術(shù)研究[D].上海:東華大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.