基于CANCAN總線的智能樓宇分布式控制系統(tǒng)

劉志英　郭曉澎　楊　瑩

（1.山西省交通科學研究院，山西　太原　03300000066； 2.山西省交通科學研究院，山西　太原　03300000066；33..山西省交通科學研究院，山西　太原　03300000066）

基于CANCAN總線的智能樓宇分布式控制系統(tǒng)

劉志英1郭曉澎2楊瑩3

（1.山西省交通科學研究院，山西太原03300000066； 2.山西省交通科學研究院，山西太原03300000066；33..山西省交通科學研究院，山西太原03300000066）

智能樓宇系統(tǒng)能夠給人們提供輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式，未來它將是每一個樓宇必備的設備。本文所設計的智能樓宇系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：燈光調節(jié)系統(tǒng)、基于射頻識別的門禁系統(tǒng)以及集成以太網通訊功能的主控制器系統(tǒng)。本文將著力介紹基于CAN總線的智能樓宇分布式控制系統(tǒng)的網絡節(jié)點設計，給出以STM32F107為主控制器的節(jié)點設計方案，對CAN總線通信模塊、以太網通訊模塊、燈光調節(jié)模塊、射頻識別模塊的電路設計和軟件實現(xiàn)給出詳細的說明。

智能樓宇；CAN總線；以太網；射頻識別；燈光調節(jié)

1　背景介紹

圖1　總體結構框圖

隨著大量電子設備的推廣使用，建筑電子化的趨勢逐步顯現(xiàn)，人們開始將電器、通訊設備與安防系統(tǒng)設備這些具有獨立功能的事物綜合在一起，形成了建筑自動化的概念。隨著通信與信息技術的發(fā)展，出現(xiàn)了通過總線技術對建筑中各種設備進行統(tǒng)一監(jiān)控管理的系統(tǒng)，也就是現(xiàn)在智能建筑的原型［1］。目前通常把智能建筑定義為利用IT技術和綜合布線技術，通過信息管理平臺將大樓中各種子系統(tǒng)有機結合成一個系統(tǒng)。現(xiàn)階段數(shù)字化技術取得了更加迅猛的發(fā)展并日益滲透到各個領域，隨著Internet網的不斷擴展，建筑信息化、智能化將是一個不可避免的趨勢。

2　總體設計方案

圖1所示是本文設計的一種新的基于CAN總線的智能建筑分布式控制系統(tǒng)，它包含三個模塊：主控制系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)以及燈光調節(jié)系統(tǒng)，三者之間采用CAN總線進行通訊，并將各模塊的工作運行狀態(tài)通過以太網傳至上位機軟件，由此構成一個簡單的分布式智能建筑控制網絡。

本文設計的分布式控制系統(tǒng)通訊采用CAN總線，主要是考慮到CAN總線作為一種有效支持分布式控制和實時控制的現(xiàn)場總線技術，具有開發(fā)維護成本低、總線利用率高、傳輸距離遠（最遠可達10km）、傳輸速率高（最高可達1Mbps）、抗干擾性強、多節(jié)點傳輸?shù)葍?yōu)勢。

與上位機間的通訊采用以太網，由主控制器來完成。而且萬兆以太網的出現(xiàn)大大提高了以太網通訊的速度，將沖突出現(xiàn)的可能大大降低，提高了以太網的性能［2-4］。

不論是CAN總線還是以太網，都有一個共同的優(yōu)點就是方便系統(tǒng)的擴展，我們可以隨意地向以太網網絡和CAN總線網絡中增加或刪除節(jié)點。這也正是本文設計的分布式控制系統(tǒng)采用這兩種通訊模式的原因。

3　硬件電路設計

3.1RFID門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)采用RFID技術，利用讀卡器芯片MFRC530及射頻卡Mifare S50構成射頻識別系統(tǒng)。

Mifare S50卡是一款近耦合式射頻卡，集成了ISO14443A協(xié)議，支持8位并行通訊方式，同時也可以選用SPI串行通訊方式。這里選用這款芯片的最大原因在于其模擬以及射頻信號收發(fā)部分采用5V供電，但其支持數(shù)字接口部分的3.3V獨立供電，這樣可以省去STM32F107到MFRC530之間的電平轉換電路［5］。

圖2　板載天線電路

這里分別將STM32F107和MFRC530配置為SPI主、從器件，通過SPI總線實現(xiàn)主芯片與讀卡器芯片的通訊。另外再利用電路腐蝕在PCB上形成一個板上天線，圖2所示就是一個天線的濾波，調理電路。

另外板子上還設計了一個EEPROM器件X25043，該器件集成了看門狗功能，本設計使用該芯片來防止程序跑偏后的死機，同時其具備的電壓檢測功能可使主芯片電壓不足時進入復位模式。更重要的是用其來存儲建筑內各個房間及辦公室的門禁信息，以便與射頻卡中讀出的信息進行對比。

3.2可控硅調光模塊

燈光調節(jié)部分采用PWM調制技術，通過STM32F107控制器自帶的高級時鐘功能來產生PWM波形，燈則采用LED照明燈，隨著國家對于白熾燈的逐步禁止，LED燈以其低功耗和高亮度的特點已經成為照明市場上的一個新趨勢，考慮到照明用的燈為220V供電，由于STM32F107GPIO的耐壓最大值為5V，所以直接用STM32F107控制器的GPIO口來控制燈的開斷是不可能，也不安全。所以這里采用三端可控硅元件BTA06來控制燈的亮滅，并且采用一個光耦MOC3021對控制電路和強電照明電路實現(xiàn)隔離。如圖3所示。

圖3　調光電路

這里控制器的GPIO口連接圖上的OUT1端，高低電平的變化來控制光耦的通斷，而LED1端接E27燈座，此時將220V的強電接在E27燈座的另一端以及N3口上。由此我們就可以通過調節(jié)GPIO口輸出的PWM波形的占空比來調節(jié)可控硅的導通角，從而調節(jié)光的亮度。

3.3CAN總線通訊模塊

傳統(tǒng)的CAN總線組網方案是由主控制器、CAN總線控制器（如PCA82C250）、CAN總線收發(fā)器（如SJA1000）以及CAN總線控制器與收發(fā)器間隔離電路四部分組成，其中CAN總線隔離電路一般采用DC/DC隔離電源、高速光耦（如6N137）、匹配電阻以及濾波電容組成。這種方案在CAN總線產生早期經常使用，至今仍是一種使用較為普遍的方案。但是這種電路方案PCB布板面積大，器件眾多，使用起來較為復雜。本文設計的CAN總線模塊采用全新的設計方案，由集成CAN總線控制器的主控芯片以及帶隔離功能的CAN總線收發(fā)器（如CTM1051A）組成［6］。這種方案可以降低器件成本，最主要的是可以減少PCB的面積，方便將產品小型化、模塊化。其電路連接方式如圖4。

這里采用CTM1051A作為CAN總線收發(fā)器，它將傳統(tǒng)的由隔離電源和光耦以及相匹配的電容電阻組成的隔離電路，完全集成到了一個器件中?？紤]到CAN總線網絡的兩個終端上需要添加匹配電阻，所以在電路設計上采用了如圖4所示的方式，當電路板作為CAN總線的終端時，只需要將P6的跳帽跳上即可，而當電路板作為CAN總線的中間節(jié)點時，將跳帽拔下即可，非常方便。

圖4　CAN總線電路

圖5　

3.4以太網模塊

以太網部分由集成了以太網控制器的STM32F107作為主控制器，外接以太網物理層收發(fā)器DM9161A，并連接內部集成了網絡隔離變壓器的RJ45接口HR911105A。

STM32F107與DM9161A的連接方式有兩種，一種是MII接法，MII是將不同類型的PHY器件與相同網絡控制器相連接的通用總線。這種接法數(shù)據(jù)接口需要16個信號線，而管理接口則需要兩個信號線，總共18根線，這將大量占用主控制器的GPIO端口，為節(jié)省資源，這里采用第二種接法RMII，即簡化的MII接口。使用這種接法我們只需9根信號線，另外，由于DM9161A需要50MHz的頻率輸入，可以對其外接晶振，也可以從外部輸入時鐘信號，這里使用STM32F107的MCO端口輸出的50MHz時鐘源作為DM9161A的信號輸入。

4　以太網軟硬件調試

主控制器與PC機的通訊過程主要是采用以太網，這種通訊方式便于組網，新增子節(jié)點只要設置合適的網關和IP地址就可以方便地加入到整個通訊網絡中，利于后續(xù)的擴展開發(fā)［7-8］。本節(jié)將主要介紹以太網模塊的程序編寫以及軟硬件調試流程。

通訊過程中，主控制器需要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成一個以太網幀，格式如表1。

主控制器上的MAC地址，可以通過對STM32F107以太網MAC地址寄存器的寫操作自己設定。而計算機網卡的MAC地址則可以通過以下步驟查詢：開始—運行—輸入cmd—輸入ipconfig/all，效果如圖6。

表1　基于IEEE802.3標準的以太網幀

圖6　計算機網卡MAC地址

這里需要對PC機和主控制器設定IP地址，主控制器的IP地址通過設定STM32F107寄存器來完成。計算機IP地址的設定方法是：打開網絡連接—本地連接—屬性—Internet協(xié)議—使用下面的IP地址—設定一個32位的IP地址即可，需要注意同步設置網關，兩者必須在同一個網段內。以上設定都完成后，就可以進行以太網數(shù)據(jù)的收發(fā)了，這里有兩種方式。

第一種方式：按照圖6步驟查詢出PC機的MAC地址，即主控制器要發(fā)送的以太網幀的目的地址，這種方法有一定的缺陷，那就是和不同PC機進行通訊時，每次都需要查詢該PC機MAC地址，并在程序中重新設定。

第二種方式：采用ARP協(xié)議即地址轉換協(xié)議來發(fā)現(xiàn)網絡上其他基于IP地址協(xié)議的計算機的以太網地址。這樣對不同的PC機，只需要設定IP地址即可，不必再去查詢其MAC地址。

這里采用第二種方式，其過程如下：

（1）設定計算機IP地址為192.0.2.1。設定主控制器IP地址為192.0.2.2。

（2）主控制器發(fā)送ARP包，用于詢問IP地址為192.0.2.1的結點，請它將自己的以太網接口48位MAC地址發(fā)送給主控制器，接收ARP包的各個網絡結點分析接收到的數(shù)據(jù)，IP地址與ARP包中不同者，不會響應。而IP地址與ARP包中相同者，則會響應ARP包，自動將MAC地址回傳。

（3）接收到目標MAC地址的主控制器，隨即將該地址作為目的地址與要發(fā)送的數(shù)據(jù)還有自身地址一起封裝成一個標準的以太網幀并發(fā)送。

（4）PC接收該幀，存在相應的存儲器中。完成一次收發(fā)過程。

對于以太網傳輸?shù)恼_性驗證，使用軟件“網絡調試助手”，如圖7，它可以監(jiān)控相應IP地址節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)。

5　結語

本文介紹了智能建筑的概念及發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢。重點對可控硅照明調光模塊、RFID門禁模塊、CAN通訊模塊、以太網通訊模塊的軟硬件實現(xiàn)及調試進行了介紹。另外采用現(xiàn)場總線的分布式智能建筑控制系統(tǒng)增強了現(xiàn)場級信息集成能力，方便對門禁、燈光等設備運行信息進行采集與匯總。系統(tǒng)可靠性高，并且具備了開放式、可擴展性等特點，實際系統(tǒng)運行良好，各模塊功能均可正常實現(xiàn)。

圖7　網絡調試助手

［1］許宏科，王維敏.現(xiàn)場總線技術在隧道監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］.山西交通科技，2003（5）：52-54.

［2］張杰.智能建筑的物聯(lián)感知系統(tǒng)設計［J］.數(shù)字技術與應用，2015（12）：147-148.

［3］鄔寬明.總線原理和應用系統(tǒng)設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［4］高亮.智能建筑綜合布線系統(tǒng)及其項目管理研究［J］.信息通信，2015（12）：292-293.

［5］李志濤.總線自動化測試設備的設計與研究［J］.汽車電器，2015（12）：48-53.

［6］謝寧.一種具有CAN總線通信的稱重設備設計［J］.中國計量，2015（12）：70-71.

［7］秦磊.大型商務樓智能化系統(tǒng)關鍵技術的研究［J］.數(shù)字技術與應用，2015（12）：102-103.

［8］汪偉.基于DeviceNet現(xiàn)場總線的公路隧道照明工程控制系統(tǒng)研究［J］.山西交通科技，2007（5）：60-62.

Distributed Control System for Intelligent buildings based On CAN Bus

Liu Zhiying1Guo Xiaopeng2YangYing3
（1.Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006，2.Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006，3. Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan Shanxi 030006）

The system of intelligent building can offer people aeasy，ordered，and highly efficient life style，in the future，it will become a required device for all the buildings..In this paper，the designed intelligent building system is divided into three subsystems：the system of light regulation，the system of entrance guard based on radio frequency identification and the system of main controller integrated with Ethernet communication function.This paper will focus on the network node design of distributed control system for intelligent building based on CAN bus，and give a node design scheme with STM32F107 as main controller.It gives a detailed description on the electrical line design and software implementation of the CAN bus communication module，Ethernet communications module，lighting adjustment module and RFID module.

intelligent Hbuilding；CAN bus；Ethernet；radio frequency identification；light regulation

TM923

A

1003-5168（2015）10-0022-4

2015-9-15

劉志英（1988-），女，碩士研究生，助理工程師，研究方向：嵌入式軟件開發(fā)和基于javascript的網頁開發(fā)。