基于CAN—GPRS的智能樓宇的通信系統(tǒng)設計

余國衛(wèi)　王鏡宇

摘要：要搭建基于CAN-GPRS的智能樓宇的通信系統(tǒng)需要考慮兩個方面的問題，一個是系統(tǒng)拓撲，一個是系統(tǒng)接口。該文則詳細地論證了這兩個方面，并結合實驗對設計思路進行了驗證。

關鍵詞： CAN；GPRS；智能樓宇

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）09-2140-02

智能樓宇是現(xiàn)代建筑的發(fā)展主流，一般使用CAN基于CAN總線技術。但是CAN總線的特點是一根總線，這對布局復雜的小區(qū)，要對所有樓群的信息進行采集，布線是極為不便的，一個樓體設置一個CAN總線，一個小區(qū)將產生多條CAN總線，這么多CAN總線要與一臺上位機連接，實踐中是很困難的?；贕PRS的無線網(wǎng)絡雖然沒有布線的麻煩，基站價格昂貴，高昂的成本是用戶難以接受的。還有一些智能樓宇系統(tǒng)使用Zigbee來進行，但是由于Zigbee屬于高頻信號，沿地面?zhèn)鬏斁嚯x較短，加之信號易受干擾，傳輸穩(wěn)定性差，所以實用性較差。該文提出的基于CAN-GPRS的智能樓宇的通信系統(tǒng)則可以很好地平衡這兩個問題。

1 通信協(xié)議

1.1 GPRS通信協(xié)議

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務）是第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信（3G）的過渡技術，該技術可提供高達115kb/s的傳輸速率（最高值為171.2kb/s），下一代GPRS業(yè)務的速度可以達到384Kb/s。與GSM CSD業(yè)務比較，速度有很大的提高，而且業(yè)務將以數(shù)據(jù)流量計費，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這一計費方式更適應數(shù)據(jù)通信的特點，而GSM CSD業(yè)務則以時間計費。業(yè)務另一較大的優(yōu)勢是能夠充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)，可以使運營商在全國范圍內以最小的投入為用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務。這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道，從而提高了資源的利用率，真正實現(xiàn)資費低廉。用戶可能連接的時間長達數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用，可使用戶的使用費用大大降低?；贕PRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，4GPRS技術提供更加低廉的成本、性能可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，已經被廣泛應用諸多領域中。遠程數(shù)據(jù)采集或控制模塊通過無線終端登陸GPRS網(wǎng)絡，從而與Internet上數(shù)據(jù)中心建立端對端連接，可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集控制模塊與數(shù)據(jù)中心的無線數(shù)據(jù)傳輸。將GPRS技術應用到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中可實現(xiàn)對多個監(jiān)測點無線控制和數(shù)據(jù)傳輸，由于數(shù)據(jù)中心已接入Internet，更方便了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡化發(fā)展。

1.2 CAN2.0總線協(xié)議

控制器局域網(wǎng)絡（CAN）是一種串行通信協(xié)議能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。其應用范圍從高速網(wǎng)絡的低成本多路接線域。在汽車電子，發(fā)動機控制單元，傳感器，防滑系統(tǒng)，等。使用能與比特率高達1兆位/秒。同時它是成本有效的連接建立汽車車身電子，例如燈簇，電動門窗等代替線束另有要求。

控制器局域網(wǎng)（CAN）是一種串行通信協(xié)議，初期應用范圍在汽車電子、發(fā)動機控制單元等，現(xiàn)已在航天、電力、石化、冶金、紡織、造紙、倉儲等行業(yè)廣泛采用。能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制，傳輸速度高達1兆位/秒。如今在火車、輪船、機器人、樓宇自控、醫(yī)療器械、數(shù)控機床、智能傳感器、過程自動化儀表等自控設備中，都廣泛采用CAN技術。

CAN的主要技術特點：

1）采用短幀結構，直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。

2）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)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，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)，從而節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。

3）網(wǎng)絡上的節(jié)點信息具有不同的優(yōu)先級，節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能。

4）CAN上的節(jié)點數(shù)主要決定于總線驅動電路，目前可達110個；當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送。

5）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)。

6）只需通過報文濾波即可實現(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)，無需專門的"調度"。

2 通信系統(tǒng)總體方案設計

2.1 總體拓撲

一個小區(qū)一般包括多個樓體，一個樓體包括多個單元，一個單元包括多個樓層，一個樓層包括多個監(jiān)控對象。但是智能有一個

監(jiān)控中心和一個智能智能樓宇管理系統(tǒng)，要把這些東西都集成起來，通信系統(tǒng)起著至關重要的作用。

2.2 CAN子系統(tǒng)方案

一個樓體中需要監(jiān)控的有效距離很長，但使用CAN總線布線長度可以達到10KM，因而不存在問題。但是一個CAN總線最多只能掛接110個設備，當監(jiān)控對象數(shù)量十分巨大時，一條CAN總線就無法勝任了，因此需要結合單片機進行多路數(shù)據(jù)采集，來克服總線可接站點容量不足的問題。

2.3 GPRS子系統(tǒng)方案

基于GPRS的無線通信網(wǎng)絡，已經存在覆蓋全國的服務體系，因而可以實現(xiàn)大范圍的環(huán)境狀況監(jiān)測，通過有關接口還能夠將數(shù)據(jù)輸入到有線Internet網(wǎng)絡，傳輸成本大大降低，可以在更大范圍內進行數(shù)據(jù)資源的分析和共享。

本系統(tǒng)使用51單片機對CAN網(wǎng)進行控制，然后使用GPRS終端模塊將CAN監(jiān)控系統(tǒng)和GPRS網(wǎng)絡進行連接。模塊體積小、重量輕、功耗低，MC35的工作電壓為3.3～4.8V，典型電壓為4.2V。工作在EGSM900和GSM1800兩個頻段，其中工作于EGSM900時功耗為2W，工作于GSM1800時功耗為1W，常適宜于國內市場。網(wǎng)絡終端模塊選擇西門子公司的MC35i，支持語音通訊，具有GPRS、USSD和CSD三種數(shù)據(jù)傳輸方式以及SMS和FAX功能。

3 系統(tǒng)有關接口設計

系統(tǒng)外圍電路，各種接口電路是決定能否正常完成規(guī)定功能的基礎，本系統(tǒng)中最重要的接口電路是CAN-232轉換接口。

3.1 接口硬件設計

CAN總線需要連接監(jiān)控設備，還需要連接GPRS模塊，因此需要設計有關的接口?？紤]到監(jiān)控終端設備和GPRS模塊MC35i都提供了232接口，因此只需要設計CAN-232接口模塊就可以滿足要求。

3.1.1 工作原理

RS232與CAN協(xié)議控制器之間電平并不匹配，因此需要設計電平轉換電路。同時CAN總線綿延數(shù)公里，難免受干擾，為了保證工作站點穩(wěn)定工作，需要使用防止干擾的光電隔技術。

3.1.2 電路設計

使用SJA1000芯片，支持CAN2.0標準協(xié)議，提供SPI總線接口，設計施工十分方便。

3.2 軟件工作流程設計

要完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)一穩(wěn)定可靠傳輸，除了硬件基礎外，軟件性能起到至關重要的作用。該文針對智能樓宇根據(jù)監(jiān)控對象是千差萬別的，要求各不相同，設計了如下的軟件工作流程。CAN總線站點為多主發(fā)送，因此信號采用定時發(fā)送。該文設計的系統(tǒng)使用CAN標準幀，每幀只有8個字節(jié)，使用兩個字節(jié)來標示監(jiān)控對象的信息，包括信息種類，設備種類，設備狀況。只有6個字節(jié)用于有效數(shù)據(jù)的傳送，對于一些信息數(shù)據(jù)單元，可能無法完全表達，因此，需要對該信息進行分組，才可以進行傳輸。同時，為了節(jié)約通信資源，盡量使用位信息進行監(jiān)控信息的表達，同時還可以利用一些軟件算法，對所有數(shù)據(jù)進行壓縮。接口要求使用雙向透明傳輸，所以整個流程需要對成處理，壓縮后要解壓，分組后要重組。

4 結論

本文對有關模塊進行了功能性驗證，效果良好，充分說明了本文提出的通信方案不僅可行，而且效率較高，完全可以在實際工程中推廣使用。該文提出的方案的優(yōu)勢包括：

1）將實現(xiàn)更大區(qū)域的覆蓋；2）將適應更加復雜信息的傳輸；3）可以監(jiān)控數(shù)量具大，種類繁多的對象；4）可以實時傳輸數(shù)據(jù)，無需上位機系統(tǒng)進行查詢。

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