基于以太網(wǎng)和CAN總線的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種使用以太網(wǎng)技術(shù)和CAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化的方案，并給出了軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)辦法。該方案由主控計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)通訊節(jié)點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)CAN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)分層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其中以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由路由器和嵌入了TCP／IP協(xié)議棧的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)CAN節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、AD／DA轉(zhuǎn)換模塊、CAN模塊、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)具有容錯(cuò)性好、實(shí)時(shí)性高，管理方便等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)智能遙控，故障發(fā)現(xiàn)，集中管理等功能。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；CAN總線；樓宇自動(dòng)化；控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的高層建筑，如何統(tǒng)一管理和監(jiān)控建筑內(nèi)公用的機(jī)電設(shè)備，成為當(dāng)今樓宇自動(dòng)化研究的熱點(diǎn)方向之一。以“分散控制，集中管理”為基本思想，設(shè)計(jì)了一種基于以太網(wǎng)和CAN總線的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)。采用分層管理和控制，與傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)相比，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都具有通信和控制能力，各自可以獨(dú)立控制而不依賴于主控計(jì)算機(jī)，同時(shí)也具有簡單的故障自動(dòng)修復(fù)功能，因而只要控制規(guī)律確定以后，平時(shí)主控機(jī)只需要監(jiān)視設(shè)備節(jié)點(diǎn)既可，這樣就提高了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。所選的以太網(wǎng)和CAN總線的組合，相比其他總線，軟硬件技術(shù)成熟、安全可靠、傳輸速度快且成本低廉、易于擴(kuò)展和維護(hù)。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩層網(wǎng)絡(luò)，第1層是以太網(wǎng)，由路由器和交換機(jī)組成，負(fù)責(zé)連接主控機(jī)和各個(gè)區(qū)域的上位機(jī)，各上位機(jī)內(nèi)嵌簡單的TCP／IP協(xié)議棧，通過以太網(wǎng)將其下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)實(shí)時(shí)的反饋到主控機(jī)中，也可以接受主控機(jī)發(fā)送出的控制指令。以太網(wǎng)提供了冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主控機(jī)的位置可以隨時(shí)移動(dòng)，通過新的路由器接入網(wǎng)絡(luò)即可。第2層是CAN網(wǎng)絡(luò)，由CAN控制器和收發(fā)器組成，負(fù)責(zé)連接設(shè)備節(jié)點(diǎn)，將采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，并接收上位機(jī)的命令消息。由于上位機(jī)實(shí)際上起到了一個(gè)網(wǎng)關(guān)的作用，因此兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了通信的帶寬，減輕了總線的負(fù)擔(dān)。再加上CAN特有的非破壞性總線仲裁技術(shù)，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)重很大的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

2 硬件方案
上位機(jī)以NXP LPC2478為主芯片，由電源穩(wěn)壓模塊、以太網(wǎng)收發(fā)器，隔離變壓器、CAN收發(fā)器等組成。LPC2478以ARM7為內(nèi)核，它包括1個(gè)10／100以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、1個(gè)帶4 kB終端RAM的USB全速設(shè)備／主機(jī)／OTG控制器、4個(gè)UART、兩路CAN通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口、3個(gè)I2C接口和1個(gè)I2S接口。同時(shí)還帶有1個(gè)4 MHz的片內(nèi)振蕩器、98 kB RAM、以及一個(gè)外部存儲(chǔ)器控制器來支持上述的各種串行通信接口。電源穩(wěn)壓模塊將輸入電源電壓濾波并穩(wěn)定在3．3 V左右，可以防止電壓瞬時(shí)的下降導(dǎo)致的程序跑飛。CAN收發(fā)器采用PCA82C250，以太網(wǎng)接口用常見的的RJ45型網(wǎng)線接口。
設(shè)備節(jié)點(diǎn)使用STC89C52單片機(jī)作為微控制器，外擴(kuò)SJA1000為CAN控制器，為便于調(diào)試，擴(kuò)展電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232作為備用調(diào)試通道。根據(jù)不同需要，還要連接不同的傳感器和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如中央空調(diào)系統(tǒng)，可連接DS18B20溫度傳感器將溫度采集并以數(shù)字量直接傳送給STC 89C52，STC89C52則按預(yù)先設(shè)置好的方案，控制壓縮機(jī)工作。必要時(shí)可以由主控機(jī)發(fā)送控制命令，修改預(yù)先設(shè)置的方案參數(shù)。
將上位機(jī)的網(wǎng)口連接至交換機(jī)網(wǎng)口，路由器的LAN口也和交換器連接，路由器的WAN口連接進(jìn)入樓宇局域網(wǎng)。