基于局域网的校园节能控电系统

高强 郭娟 郝建

摘要：该系统采用双层网络结构，保证整个网络的先进性及设备端口、网络结构和网络协议的扩展性，可以实现对校园用电的远程和自动控制，降低运行维护费用，节约管理成本，促进节能型校园的建设。

关键词：双层网络；控制；节能型校园随着我国经济的发展，各部门对能源的需求越来越大，而能源价格也在不断的上涨。但是用电的占据了很大一部分的电能消耗。尤其是照明时间较长、照明场所较多的机构，比如高等学校。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施校园节能控电措施，这不仅可以节约能源，而且也会产生明显的经济效益。基于此，本文设计了一种校园节能控电装置，适用于教室、图书馆阅览室等大面积室内场所和室外广场或道路的照明控制，可以有效地对照明灯具进行节能控制。

通讯网络的构架及其实现是校园节能控电系统的重要组成部分之一。网络技术的选用对整个系统网络建设的成功与否起着决定性的作用。合适的网络不但能够保证整个网络的高性能，还能保证整个网络的先进性及设备端口、网络结构和网络协议的扩展性，同时还具有较优的性能价格比。

1网络结构的确定

总线形局域网已经广泛应用于分散终端集中控制领域，并且日益发展成为一种成熟的应用技术，被誉为自动化控制领域的计算机局域网[1]。在总线形拓扑中，传输介质是一条总线，网络内的所有分布式网络终端都可通过相应的硬件接口接至总线上。因此安装费用低，扩展和维护都很方便，某个网络终端的故障不会影响总线上的其它终端通信，可靠性高；只要正确解决对总线的介质访问，所有网络终端之间可实现点对点通信，网络延迟小，而且方便实现广播通信。通过总线形网络，分散的网络终端可以很方便地共享控制信息，同时用户还可以实时查询分散网络终端的运行状态，从而可以更好的对其进行实时控制。

2网络系统方案的选择

智能监控网络主要由基于RS232C总线通讯、基于RS485总线通讯和基于CAN总线的通讯几种方式。以下将分别介绍和比较RS232C、RS485及CAN总线在网络中的应用。

2.1 RS232C串行总线接口

RS232C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)与BELL等公司一起于1962年制定并于1969年最后一次修订而成的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行传输中，主控模板与从属模块间的连接电缆和机械特性、电气特性、信号功能及传送过程，两端都必须遵循的共同约定。

RS232C的标准总线为25线，不过在实际应用中RS232C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3～9条引线。RS232C中常用的信号线只有9条。计算机一般使用的都是9芯插座异步通信的连接器[2]。RS232C标准功能如图：

由上图可见，RS232C标准有两个地。一个是保护地PG，它直接连到系统的屏蔽罩上，如果保护地连在一起是安全的场合，那么两个设备的保护地才能连到一起。另一个是信号地GND，对所有其他信号提供一个公共参考点。由于信号地不一定与保护地绝缘，因此信号地必须连接起来，这是RS232C存在的一个固有潜在接地回路的问题。此外，由于RS232C接口标准的发送器和接收器之间有公共信号地，不可能使用两端信号，从而导致共模噪声会固有的耦合到信号传输系统中。传输距离越长，干扰就越严重。因此，为了可靠的传输信息，不得不增大电压摆幅。可见，RS232C标准对短距离通讯是很有用的，但对长距离通讯不可靠，并会带来严重的后果。而且RS232C是数据设备以相对较慢的数据速率(20Kbs)在较短的距离内(典型值为15m)进行单端数据传输定制的。因此目前在智能控制系统网络的应用中趋于淘汰。

2.2 RS485标准

在智能教室底层网络中，为了减少系统由于布线带来的成本，采用基于电力线载波布线，这样信号和强电在同一根线上传输，传输过程中不可避免地存在强电场的干扰，信号的可靠性受到影响，而且随着传输距离的增大，信号的衰减较快，我们已知RS232C总线存在可靠性、速率和传输距离等因素，所以一般不予采纳RS232C总线。基于RS485的教室控制系统是较为理想的一种远程控制系统，该总线网络技术成熟，结构简单，可靠性高，良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点，它采用主从式的通信方式，任何时候只允许一个节点向网络发送数据，所以RS485采用的主从结构命令型通信方式可以防止数据通讯故障，数据通信时必须由主节点接收到管理主机的命令，然后由主节点向各个从节点传达命令，从节点的数据依次送到主节点，最后再由主节点将各从节点的数据发送至管理主机。

但是，RS485只规定了平衡驱动器和接收器的电特性而没有规定接插件传输电缆和应用层通信协议，使用时存在总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点，同时数据的容错没有考虑，其容错和应用层的协议完全依赖软件的支持，这就增加了系统通讯软件的负担。RS485总线多采用单主机的工作方式[3]，若令其工作在多主机方式，则其通讯的可靠性与通讯网络的负荷量成反比。特别是当系统节点工作在多种通讯模式下时，通讯的失误率与重发率将随着网络负荷量的增长而成倍增长，如果主节点出现故障，则整个系统会陷入瘫痪状态。此外，RS485收发器件中收发缓冲区比较小，这也不利于由它构成的网络长期处于长子串或连续的收发状态。不过，由于RS485具有相当高噪声抑制、相对高的传输速率、传输距离较远和宽共模范围的通信平台，因此在小系统网络中有着广泛的应用。

2.3 CAN总线

基于RS232C和RS485总线技术的缺陷，采用现场总线技术构成数字化、开放式、多点通讯的底层网络成为现代教室智能化系统的一种趋势。而面对种类繁多的现场总线，如何选择一种技术先进，有发展前途，将来不会被迅速淘汰，同时也能达到我们的设计要求并且价格适中的总线呢？经过参阅大量国内外资料，发现CAN总线拥有很多其他总线所没有的优点，我们最后决定采用CAN总线技术来实现楼层控制器与主控上位机的网络模型。

CAN属于总线式串行通讯网络[4]，由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN总线突出的优越性主要表现为：CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点，可方便地构成多机备份系统。CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级别低的节点会主动地停止发送数据，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失；CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据；CAN总线数据链路层协议的平等式通信方式，即使主机出现故障，系统其余部分仍然可运行；CAN总线较为宽松的电气特性，使灵活的配置多种介质物理层成为可能，也使CAN总线在这方面的应用范围更加广泛。此外，开发系统廉价，其单元节点百元的成本，以及其相对较低的技术层次和技术难度，决定了CAN总线必定会有广大的发展空间和发展前景。

2.4 CAN和RS485

针对它们各自的特点，我们采用符合国际标准ISO11898的CAN总线技术和目前自动化装置常用的RS485总线构成双层网络结构，这种网络结构有效地解决了系统的建设成本高、数据管理困难、可靠性不高以及扩展性能差等问题。

由于教室采集器的工作环境不算恶劣，所以本系统下层网络采用RS485总线，它具有结构简单、成本低廉、对布线要求不高的特点；而且RS485总线在9600bps下最远传输距离可以达到1200米，完全能够完成一层教学楼中教室控制器与楼层控制器远程通讯的距离需求；再加上它们之间的通讯数据量小，数据结构简单，所以RS485总线能够可靠地完成下层数据采集的需要。上层网络采用兼容性能好、可靠性能高、数据传输速度快、传输距离远的CAN总线。CAN总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；有CRC校验和出错标定能力；而且具有故障节点自动脱离CAN总线等功能，特别适合数据交换频繁的楼层控制器与主控上位机之间的通信。经过实际工作证明，本方案弥补了单独的RS485网络或CAN网络各自的缺点，充分利用了两者的性能优势。其中RS485网络是完成教室控制器与楼层控制器之间的通讯，CAN网络则完成楼层控制器与主控上位机之间大量的数据交换。为了降低系统的设计成本，RS485与CAN皆采用价格低廉的双绞线连接。

3结束语

该系统采用双层网络结构，可以实现对校园用电的远程和自动控制。本系统的运用，避免了“长明灯”现象，减少了人为浪费，降低了运行维护费用，节约了管理成本，适合现代化校园的节能控电系统。

[参考文献]

[1]Deveaux，M．J，Rahman，M．H．A study of integrated bus LAN protocals．Electrical and Computer Engineering，1993．Canadian Conference，1993.

[2]李學海．PIC单片机实用教程(提高篇)[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]陈夏清．应用于数据采集系统中的485总线与CAN总线比较[J]．工业控制计算机，2004(5)：52-55.

[4]李正军．现场总线及其应用技术[M]:北京：机械工业出版社，2005.