基于CAN+RS485控制網(wǎng)絡(luò)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

苗曉鋒，王勝

基于CAN+RS485控制網(wǎng)絡(luò)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

苗曉鋒，王勝

為了構(gòu)建合理、可靠的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，對CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RS-485控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究。分析了RS-485主從式多機(jī)通信和對等式多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對等式多機(jī)通信中動態(tài)延時(shí)方式比固定延時(shí)多機(jī)通信更高效，更能滿足智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中控制網(wǎng)絡(luò)的需求。設(shè)計(jì)并改進(jìn)了CAN+RS485底層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)安全報(bào)警與遠(yuǎn)程傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)達(dá)到了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求。

CAN；RS-485；智能小區(qū)；多機(jī)通信；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)集成度越來越高，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化是重點(diǎn)的發(fā)展方向，對系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)現(xiàn)，是進(jìn)一步提高小區(qū)智能化系統(tǒng)各項(xiàng)性能的重要環(huán)節(jié)，而基于底層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)合理/可靠的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)是本領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

1 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)

對于智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，由于其節(jié)點(diǎn)相對分散而數(shù)量巨大，在設(shè)計(jì)過程中，既要達(dá)到節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)的靈活性方面的要求，又要避免底層網(wǎng)絡(luò)的層次關(guān)系過于復(fù)雜，所以選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)而言是關(guān)鍵的技術(shù)之一[1]。

RS-485總線，采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，加上總線收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測到低至200MV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅(qū)動多個負(fù)載設(shè)備[2]。RS-485總線沒有硬件通訊協(xié)議，其通訊協(xié)議完全依賴軟件支持，其數(shù)據(jù)的丟失率正比于總線數(shù)據(jù)的流量，其網(wǎng)絡(luò)不適合長期處于連續(xù)或長字串的收發(fā)狀態(tài)。但由于其在長線傳輸?shù)目垢蓴_能力以及傳輸速率方面的優(yōu)勢，RS-485總線符合在單幢多層住宅構(gòu)建的智能網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

CAN總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)[3]。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此，可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信，并且結(jié)構(gòu)簡單，只有2根線與外部相連，內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。由于其極高的可靠性，獨(dú)特靈活的設(shè)計(jì)和低廉的價(jià)格，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能大廈、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域[4-5]。

本文設(shè)計(jì)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)，采用了“CAN＋RS485”總線的分層結(jié)構(gòu)。由于智能小區(qū)節(jié)點(diǎn)相對分散而數(shù)量巨大，而單層CAN總線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容限有限，為了不使底層網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜，將底層網(wǎng)絡(luò)分成上下兩層（上層為RS-485，底層采用CAN）。這樣彌補(bǔ)了單獨(dú)的CAN底層網(wǎng)絡(luò)和RS-485網(wǎng)絡(luò)各自的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了兩者自身的性能優(yōu)勢。

2 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

由于CAN總線有硬件通信協(xié)議，其通信性能和效率基本已經(jīng)穩(wěn)定，而RS-485的通信協(xié)議與軟件支持有關(guān)，因此“CAN＋RS485”控制網(wǎng)絡(luò)的整體性能與RS-485網(wǎng)絡(luò)性密切相關(guān)。對于RS-485多機(jī)通信模式，一般采用的是主從式多機(jī)通信。但主從式多機(jī)通信模式存在的問題是網(wǎng)絡(luò)中有一個主機(jī)作為主控機(jī)，各從機(jī)間不能直接通信，必須間接通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)從機(jī)間的通信。并且RS-485主機(jī)還擔(dān)負(fù)著CAN與485網(wǎng)絡(luò)接口的功能，所以，由于負(fù)擔(dān)過重必會產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，影響整個485網(wǎng)絡(luò)性能[6-8]。

本文采用對等式多機(jī)通信，在此通信方式下，所有RS-485總線上的單機(jī)都可能成為主機(jī)，只要有某一個成為主機(jī)，則其它單機(jī)就成為此總線上的從機(jī)。當(dāng)單機(jī)需要作為主機(jī)時(shí)若此時(shí)總線上沒有主機(jī)，則可以成為主機(jī)；若此時(shí)總線上有主機(jī)則需要等待當(dāng)前主機(jī)完成工作后，才可能成為主機(jī)。當(dāng)前主機(jī)完成工作后，自動退出主機(jī)模式，作為普通單機(jī)。這樣避免多個節(jié)點(diǎn)同時(shí)爭奪主機(jī)資格而導(dǎo)致的混亂和無序。

在對等式多機(jī)通信方式下，等待時(shí)間的控制尤為關(guān)鍵。等待延時(shí)控制方式一般分為固定時(shí)間延時(shí)和動態(tài)延時(shí)。固定時(shí)間延時(shí)是指當(dāng)檢測到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)都固定延時(shí)相同時(shí)間，延時(shí)時(shí)間到后各個節(jié)點(diǎn)再爭取通信權(quán)。固定時(shí)間延時(shí)對于延時(shí)時(shí)間的控制不能做到準(zhǔn)確，使系統(tǒng)資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)效率降低。而動態(tài)延時(shí)是指當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)取得通信權(quán)時(shí)，發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)廣播，通知其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)通信完畢時(shí)再發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)廣播，通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信結(jié)束，其它節(jié)點(diǎn)可以爭取通信權(quán)，所以網(wǎng)絡(luò)利用率高，但在網(wǎng)絡(luò)控制方面比固定延時(shí)要復(fù)雜一些。綜合考慮，本文將采用動態(tài)延時(shí)控制方式。

智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

從網(wǎng)絡(luò)總線上來說，CAN網(wǎng)絡(luò)連接大門口機(jī)、樓門口機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)，485網(wǎng)絡(luò)上有住戶機(jī)和門口機(jī)，以太網(wǎng)連接上位機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、TCP/IP接口。在此網(wǎng)絡(luò)底層結(jié)構(gòu)上，由中央管理單元、大門單元、樓門單元、住戶單元等構(gòu)成智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，對應(yīng)有中央單元控制、大門單元控制、樓門單元控制、住戶單元控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括門口可視對講、視頻監(jiān)控、安全防衛(wèi)、呼叫管理員、信息發(fā)布、內(nèi)部呼叫、來客訪問、緊急呼叫等。

3 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)一般由住戶單元、樓門單元、大門單元、區(qū)域單元、管理控制單元組成。根據(jù)小區(qū)容量大小的不同可以做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在容量不大時(shí)，可以不采用區(qū)域單元，直接將樓門單元接到管理單元。

中央管理單元總控各個控制區(qū)域中的大門控制單元、樓門控制單元、住戶控制單元以及室內(nèi)機(jī)的音視頻通道選擇、視頻監(jiān)視等，同時(shí)和上位機(jī)交互整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的信息和數(shù)據(jù)。它與PC機(jī)以RS232聯(lián)接，與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以CAN總線連接。系統(tǒng)管理控制單元相關(guān)連接，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)管理控制單元

樓門控制單元可以監(jiān)管樓門門口機(jī)，有與住戶通信通道和管理員通信通道。它主要負(fù)責(zé)下屬的RS-485網(wǎng)絡(luò)住戶節(jié)點(diǎn)與CAN網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)的信息交換，樓門口機(jī)與上位機(jī)之間的音視頻通道切換和實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對樓門口機(jī)的控制。作為樓門控制單元的核心，樓門控制器最主要的任務(wù)之一是作對講及影像的模擬量通道控制管理，其中包括樓門口機(jī)與住戶通道、樓門口機(jī)和控制中心通道、大門口機(jī)和住戶通道、控制中心到住戶通道以及控制中心發(fā)送廣播的專用通道。它的第二個主要任務(wù)是對CAN信息報(bào)文和RS-485信息報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳輸控制，實(shí)現(xiàn)CAN和RS-485信息包的存儲和解包、CAN和RS-485信息包的相互轉(zhuǎn)換、發(fā)送和接收。樓門控制器的原理框圖，如圖3所示：

圖3 樓門控制器原理框圖

樓門口機(jī)模塊負(fù)責(zé)對樓門的控制和監(jiān)管。實(shí)現(xiàn)住戶機(jī)對樓門的監(jiān)控、以及上位機(jī)對樓門口機(jī)的監(jiān)管，報(bào)告樓門的狀態(tài)，發(fā)布信息等。樓門口機(jī)的原理框圖如圖4所示：

圖4 樓門口機(jī)原理框圖

其中音頻收發(fā)進(jìn)行音頻信號的接收與發(fā)送；鍵盤提供住戶號碼鍵入，由控制器處理與傳送；控制器由單片機(jī)、CAN總線控制器及相關(guān)外圍電路組成，進(jìn)行控制信號的發(fā)送與接收，完成相關(guān)控制功能；顯示屏顯示時(shí)間、溫度、天氣、問候、呼叫號碼等；攝像機(jī)產(chǎn)生現(xiàn)場視頻模擬量信號，由控制器控制其模擬量通道開啟。

另外，大門控制單元可以在樓門控制單元的基礎(chǔ)上刪減部分功能實(shí)現(xiàn)，住戶單元可以連接目前市場上的智能家居系統(tǒng)，安保室內(nèi)機(jī)負(fù)責(zé)對住戶門窗、火警、求救、信息服務(wù)、來客訪問、住戶間語音對話、樓門監(jiān)看以及聲光自動報(bào)警等服務(wù)，還有與管理員通話、與上位機(jī)PC信息交互等服務(wù)。部分硬件電路--樓門控制單元PC電路板圖如圖5所示：

圖5 門口控制器PC電路板圖

4 智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有著非常重要的作用。對于CAN總線，在軟件編程中我們采用CAN2.OB協(xié)議，充分發(fā)揮了CAN總線的特點(diǎn)。在軟件編程中，實(shí)行仲裁機(jī)制和信息校驗(yàn)來保證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級，將實(shí)時(shí)性任務(wù)設(shè)為最高優(yōu)先級提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，軟件設(shè)計(jì)盡量模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，便于將來的維護(hù)和功能的增強(qiáng)。

軟件開發(fā)中針對winbond公司的W78E052C40微處理器，在windows環(huán)境下，采用單片機(jī)C語言進(jìn)行開發(fā)，軟件開發(fā)平臺是uVision2集成開發(fā)環(huán)境（KEIL公司8051開發(fā)工具中的PK51專業(yè)開發(fā)套件）。

為了提高系統(tǒng)資源利用率，將信息流劃分為長信息和短信息，不同的信息類型采用不同處理機(jī)制，軟件控制中充分發(fā)揮中斷和定時(shí)的功能，使系統(tǒng)保持快捷的反應(yīng)能力。軟件設(shè)計(jì)包括樓門控制單元軟件設(shè)計(jì)、樓門口機(jī)單元軟件設(shè)計(jì)和安保室內(nèi)機(jī)單元軟件設(shè)計(jì)等。

5 總結(jié)

本文在研究CAN總線和RS-485總線的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了“CAN+RS485”底層網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)。改進(jìn)包括RS-485采用對等式多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)控制，而不用主從式多機(jī)通信，對等式多機(jī)通信中采用動態(tài)延時(shí)方式。在此基礎(chǔ)上對智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了研究和實(shí)現(xiàn)，硬件包括住戶單元、樓門單元、大門單元、管理控制等單元，軟件包括樓門控制單元、樓門口機(jī)單元及安保室內(nèi)機(jī)等單元的軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)滿足構(gòu)建合理、可靠的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)安全防范、信息采集的要求。

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Research and Implementation of Intelligent Community Monitoring System Based on CAN+RS485 Control Network

Miao Xiaofeng1,Wang Sheng2
(1.Shaanxi Radio and TV University,Xi’an 710068,China; 2.Shaanxi Business College,Xi’an 710119,China)

In order to construct a reasonable and reliable intelligent community monitoring system,network technology of CAN and RS-485 control network are studied.This paper analyzes the advantages and disadvantages of RS-485 master-slave multi machine communication and the equation multi machine communication,finds the dynamic delay more efficient than fixed delay in equation multi machine communication,and it can meet the demand of control network of intelligent community monitoring system.This paper designs and improves the network of CAN+RS485,realizes the control system network of the community security alarm and long distance transmission.On this basis,hardware and software of intelligent community monitoring system are designed.The system meets demand of intelligent community by the verification.

CAN;RS-485;Intelligent Community;Multi Machine Communication;Monitoring System

TP311

A

1007-757X(2015)06-0029-03

2015.03.09）

苗曉鋒（1972-），男，漢，陜西省岐山縣人，陜西廣播電視大學(xué)，陜西工商職業(yè)學(xué)院，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，西安，710119

王 勝（1974-），男，西安市人，陜西廣播電視大學(xué)，陜西工商職業(yè)學(xué)院，副教授，博士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，西安，710068