智能化小区可视对讲系统中控制网络的设计

张小敏　卫铭斐

[摘要]为了构建低廉、可靠的小区可视对讲系统，实现小区安全防范、信息采集的要求，我们对现场总线技术和它的一种解决方案 — CAN网络技术进行了研究。我们分析了RS-485主从式多机通信的缺点，提出了对等式多机通信网络控制。通过对网络有效利用率的研究，发现对等式多机通信中动态延时方式比固定延时多机通信更高效，更能满足可视对讲系统中控制网络的需求。在此基础上，我们结合我国目前小区智能化系统的现状及未来的发展趋势，设计并改进了“CAN+RS485”底层网络，实现了小区可视对讲系统的控制网络。

[关键字]CAN；RS-485；现场总线；智能小区；串行通信

Design of Control Network in Visual-speaking System of Intelligent Community

Zhang Xiao-min1,Wei Ming-fei2

(Shanxi technicians'school of electric powerXi'an ；Xi'an university of architecture ＆ technology Xi'an )

[Abstract] In order to construct low-priced, reliable video-intercommunication system in the community, and meet the demands of safety and information acquisition in the intelligent community, bus technology and one of its settle programs — CAN technology are studied. After researching the defects of RS485 in master-slave mode, control network of equivalent mode in multiple computer's communication is put forward in this paper. The dynamic time delay control is proved to enhance highly network communication efficiency compared with constant time lag in multiple computer's communication, and measure up to the needs of video-intercommunication system. Based on our country's condition and development tendency of intelligent building system in the future, CAN+RS485 bottom network is designed and modified, in order to achieve an intelligent control network of video-intercommunication system in the community.

[Key words]CAN ; RS485 ; Field Bus ; Intelligent Community ; Serial Communication

1.引言

随着现代科学技术的发展，小区可视对讲系统集成度越来越高，首先实现了多门口机多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能。对讲系统的数字化、网络化、信息化、智能化是楼宇监控今后发展的方向，而对小区可视对讲系统底层网络的研究和实现，是进一步提高小区智能化系统各项性能的关键。

2.小区可视对讲系统中的控制网络总线技术

小区可视对讲系统在向综合安全防范系统发展，功能包括访客可视对讲、住宅门窗安防、紧急呼叫、异常自动报警、出入口管理和信息服务等，要实现这些功能关键是控制网络的技术特性。目前可视对讲中控制网络常用的总线有Lonworks总线、CAN(Controller Area Network)总线及RS-485总线[1,2,3]等。

Lonworks总线成本比较昂贵，虽然兼容TCP/IP协议，但是并不能取代上层局域网直接挂接到INTERNET上。另外，它的仲裁方式决定了它会因数据的无限重发而导致网络的瘫痪，这使Lonworks与CAN相比，优势并不明显[3]。

RS-485总线，是指一种标准异步串行通信接口。RS-485串行总线接口具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上的一个发送器驱动多个负载设备。RS-485总线没有硬件通讯协议，其通讯协议完全依赖软件支持，其数据的丢失率正比于总线数据的流量，其网络不适合长期处于连续或长字串的收发状态。但由于其在长线传输的抗干扰能力以及传输速率方面的优势，485总线能满足在单幢多层住宅中构建智能网络单元内的数据传输要求。

CAN总线，又称控制器局域网，是Bosch公司推出的一种多主机局部网。由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、环境监控等众多领域[4,5]。CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层[6]，用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议。CAN总线在数据通讯方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性，不会因数据传输而导致网络瘫痪，其采用短帧结构，数据出错率极低[2,3]。

3.CAN＋RS458控制网络的提出

本文设计的小区可视对讲系统底层网络模型，采用了“CAN＋RS485”总线的分层结构。考虑到可视对讲底层网络的主干通道要求传输较大数据量的信息，而CAN总线在有较大数据容量系统网络方面的应用有较强的处理能力和优势，所以CAN总线是构成小区智能化系统底层网络的较好解决方案之一。

但就智能小区而言，由于其节点相对分散而数量巨大（一般有数百到数千个不等），且单层CAN总线网络的节点容限为110个（在不加接续器的情况下），所以为了不使底层网络过于复杂和降低成本，将底层网络分成两层：上层为CAN网络层，下层为RS-485网络层。这样，既达到了节点数和节点的灵活性方面的要求，避免了单独由CAN总线构建的底层网络的层次关系过于复杂，又利用了多主CAN网络性能方面的优势，弥补了单独的CAN底层网络及RS-485网络各自的缺点，充分发挥了两者自身的性能优势。

4.CAN＋RS458控制网络的改进

对于CAN＋RS458控制网络，由于CAN有硬件通信协议，其通信性能和效率基本已经稳定，而RS-485的通信协议只能依靠软件支持，同时RS-485的网络控制能力不强，因此CAN＋RS458控制网络的整体性能与RS-485网络性能的开发和利用有密切关系。

对于RS-485多机通信模式，一般采用的是主从式多机通信，本设计的改进之处在于采用另一种多机通信方式——对等式多机通信。

对等式多机通信与主从式多机通信的区别是主机不是固定在某一单机上，而是所有RS-485总线上的单机都可能成为主机，但是一次不可以有一个以上的主机同时存在。在这些单机中，只要有某一个成为主机，则其它单机就成为此总线上的从机。当前主机完成工作后，自动退出主机模式，作为普通单机。当单机需要作为主机时若此时总线上没有主机，则可以成为主机；若此时总线上有主机则需要等待当前主机完成工作后，才可能成为主机。

对等式多机通信虽然可以适应灵活多变的住户节点控制和通信,但是由于其控制原理是：当485通信链路中有一个节点取得发送资格后，其它各节点都要等待足够的时间长度，以此来避免多个节点同时争夺发送资格，引起发送数据的混乱和系统工作的无序，因而对于等待时间的控制非常重要。等待延时控制方式一般有两种：固定时间延时和动态延时。

对于固定时间延时是指当检测到当前网络有节点间的通信，其它节点都固定延时相同时间，延时时间到后各个节点再争取通信权。而动态延时是指当某个节点取得通信权时，发送一个网络广播通知其他节点等待，当通信完毕时再发送一个网络广播通知网络节点通信结束，其它节点可以争取通信权。

固定时间延时对于延时时间的控制不能做到准确，它根据信息长短不同；而在延时时间控制方面，只能粗略的划分为长信息延时和短信息延时。时间的粗陋估计对于网络利用率是很大浪费，使系统资源浪费和网络效率降低。对于动态延时，采用节点动态时间控制，达到了只要网络空闲，则任意节点可以即时进行通信，所以网络利用率高，但在网络控制方面比固定延时要复杂一些。

下面通过分析多机网络通信的网络有效利用率问题来说明采用对等式多机通信的优点：

（1）对于主从式多机通信，其网络有效利用率可以用公式（1）表示：

其中表示网络有效利用率，N表示网络中总共节点数，m表示网络中排队通信的总节点数，tm表示网络排队通信的第m个节点需要占用网络进行通信的时间，tm求和表示网络中所有等待排队通信节点需要占用网络的总通信时间。t表示网络中非排队节点被节点主机轮询占用的时间，(N-1-m)t表示所有非排队节点被节点主机轮询的总时间。所以式中分子代表网络被使用的时间，分母代表总时间, 为网络有效性因子，可见 。

（2）对于对等式固定延时多机通信，由于采用的不是主从节点轮询方式控制，非排队通信的节点不会占用网络资源，其网络有效利用率可由节点的固定延时时间和实际通信时间来决定,可以用公式（2）表示：

其中t代表节点实际通信时间，T表示节点通信固定延时时间。而T一般选取最大通信估算时间的2倍，而最大通信估算时间可能是实际通信时间t的1～10倍，当T=2t时 取最大值；当T=20t时 取最小值；所以 的取值范围一般在0.05～0.5之间。

（3）对于对等式动态延时多机通信，由于通信节点采用即时广播通知获取通信权限，可以近似认为在式（2）中T=t，所以 近似为1。

通过以上分析和研究发现，小区可视对讲系统底层控制网络由于其节点关系复杂，通信方式多样，故对等式多机通信比主从多机通信更适应，而且通过对网络有效利用率的分析研究，发现对等式多机通信中动态延时方式比固定延时方式更高效。RS-485各种通信控制方式的性能和特点对比如下表：

RS-485通信性能和特点对比表

5.CAN＋RS458控制网络的实现

小区可视对讲系统最大的意义是为住户提供一个先进、方便、安全、舒适的环境，在安防系统自身规范要求的基础上，融合实际的调查研究结果，系统有以下几个方面的功能需求：

(1)系统由住户单元、楼门单元、大门单元、中央管理单元组成。

(2)系统由4级控制组成：中央单元控制、大门单元控制、楼门单元控制、住户单元控制。

(3)系统实现的功能有来客访问、呼叫管理员、视频监控、信息发布、内部呼叫、门口可视对讲、安全防卫、紧急呼叫。

(4)系统可以实现远距离通信，必要时可加信号放大中继单元。

(5)系统容量灵活可调。

小区可视对讲系统中控制网络要尽量降低网络的复杂性和建设成本。考虑到可视对讲底层网络的主干通道要求传输较大数据量的信息，采用了“CAN＋RS485”总线的分层结构。CAN网络作为RS-485网络的上层网络使得整个控制网络稳定性比单独的CAN网络稳定性大大增强，同时比单独采用CAN网络的节点容量扩充很多，这种结构对于可视对讲控制环境很适应。可视对讲监控系统结构如下图所示。

可视对讲系统控制网络结构

(1)大门口机、N个门口机和CAN接口由CAN网络连接。

(2)N个门口机由控制盒连接在485网络上，485网络上有N个住户机。

(3)以太网连接上位机、数据库服务器、TCP/IP接口。

6.小结

本文在研究CAN总线和RS-485总线的基础上，结合小区可视对讲系统需要实现的功能，设计并改进了“CAN+RS485”底层网络，实现了小区安全报警与远程传输的控制系统网络。该控制网络将能够更有效的满足构建低廉、可靠的小区可视对讲系统，实现小区安全防范、信息采集的要求。

参考文献

[1]秦兆海.智能楼宇技术设计与施工[M].北京:北方交通大学出版社,2003.P14-P31.

[2]陈中明.现代总线技术在楼宇自动化领域的应用研究[J].布线世界.2001,5.P26-P29.

[3]赵建东,陈小乐.基于Internet的智能家庭网络控制器的实现[J].电子技术应用.2002,12.P46-P48.

[4]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.P11-P17.

[5]郭宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.P32-P34.

[6]S. Vitturi. On the use of Ethernet at low level of factory communication systems. Computer Standards&Interfaces.2002;,23.P267-P277.

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文