基于以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)的樓宇自動(dòng)化系統設計

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

隨著(zhù)現代化城市建設的發(fā)展，出現了越來(lái)越多的高層建筑，如何統一管理和監控建筑內公用的機電設備，成為當今樓宇自動(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，設計了一種基于以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)的樓宇自動(dòng)化控制系統。采用分層管理和控制，與傳統控制結構相比，每個(gè)現場(chǎng)設備節點(diǎn)都具有通信和控制能力，各自可以獨立控制而不依賴(lài)于主控計算機，同時(shí)也具有簡(jiǎn)單的故障自動(dòng)修復功能，因而只要控制規律確定以后，平時(shí)主控機只需要監視設備節點(diǎn)既可，這樣就提高了整個(gè)系統的自動(dòng)化水平。所選的以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)的組合，相比其他總線(xiàn)，軟硬件技術(shù)成熟、安全可靠、傳輸速度快且成本低廉、易于擴展和維護。

1 網(wǎng)絡(luò )結構設計
系統結構如圖1所示。系統設計兩層網(wǎng)絡(luò )，第1層是以太網(wǎng)，由路由器和交換機組成，負責連接主控機和各個(gè)區域的上位機，各上位機內嵌簡(jiǎn)單的TCP／IP協(xié)議棧，通過(guò)以太網(wǎng)將其下的設備節點(diǎn)的狀態(tài)實(shí)時(shí)的反饋到主控機中，也可以接受主控機發(fā)送出的控制指令。以太網(wǎng)提供了冗余網(wǎng)絡(luò )結構，主控機的位置可以隨時(shí)移動(dòng)，通過(guò)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，負責連接設備節點(diǎn)，將采集到的數據傳送至上位機，并接收上位機的命令消息。由于上位機實(shí)際上起到了一個(gè)網(wǎng)關(guān)的作用，因此兩層網(wǎng)絡(luò )結構擴大了通信的帶寬，減輕了總線(xiàn)的負擔。再加上CAN特有的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，即使在網(wǎng)絡(luò )負重很大的情況下，也不會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )癱瘓情況。

2 硬件方案
上位機以NXP LPC2478為主芯片，由電源穩壓模塊、以太網(wǎng)收發(fā)器，隔離變壓器、CAN收發(fā)器等組成。LPC2478以ARM7為內核，它包括1個(gè)10／100以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)、1個(gè)帶4 kB終端RAM的USB全速設備／主機／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的片內振蕩器、98 kB RAM、以及一個(gè)外部存儲器控制器來(lái)支持上述的各種串行通信接口。電源穩壓模塊將輸入電源電壓濾波并穩定在3．3 V左右，可以防止電壓瞬時(shí)的下降導致的程序跑飛。CAN收發(fā)器采用PCA82C250，以太網(wǎng)接口用常見(jiàn)的的RJ45型網(wǎng)線(xiàn)接口。
設備節點(diǎn)使用STC89C52單片機作為微控制器，外擴SJA1000為CAN控制器，為便于調試，擴展電平轉換芯片MAX232作為備用調試通道。根據不同需要，還要連接不同的傳感器和其他執行機構，比如中央空調系統，可連接DS18B20溫度傳感器將溫度采集并以數字量直接傳送給STC 89C52，STC89C52則按預先設置好的方案，控制壓縮機工作。必要時(shí)可以由主控機發(fā)送控制命令，修改預先設置的方案參數。
將上位機的網(wǎng)口連接至交換機網(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)。