基于CAN+RS485控制网络的智能小区监控系统的研究和实现

苗晓锋，王胜

基于CAN+RS485控制网络的智能小区监控系统的研究和实现

苗晓锋，王胜

为了构建合理、可靠的智能小区监控系统，对CAN网络技术和RS-485控制网络进行了研究。分析了RS-485主从式多机通信和对等式多机通信网络控制的优缺点，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，更能满足智能小区监控系统中控制网络的需求。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模型。在此基础上，实现了智能小区监控系统软硬件的设计，经验证，本系统达到了智能小区监控系统的基本要求。

CAN；RS-485；智能小区；多机通信；监控系统

0 引言

随着现代科学技术的发展，智能小区监控系统系统集成度越来越高，监控系统的数字化、网络化、信息化、智能化是重点的发展方向，对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重要环节，而基于底层网络实现合理/可靠的智能小区监控系统是本领域的重点研究方向。

1 智能小区监控系统控制网络总线结构

对于智能小区监控系统，由于其节点相对分散而数量巨大，在设计过程中，既要达到节点数和节点的灵活性方面的要求，又要避免底层网络的层次关系过于复杂，所以选择合适的网络结构对于智能小区监控系统而言是关键的技术之一[1]。

RS-485总线，采用平衡发送和差分接收，因此具有很强的抗共模干扰能力，加上总线收发器具有高的灵敏度，能检测到低至200MV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备[2]。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，RS-485总线符合在单幢多层住宅构建的智能网络单元内数据传输的要求。

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。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点[3]。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此，可在各节点之间实现自由通信，并且结构简单，只有2根线与外部相连，内部集成了错误探测和管理模块。由于其极高的可靠性，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、小区安防、环境监控等众多领域[4-5]。

本文设计的智能小区监控系统底层网络，采用了“CAN＋RS485”总线的分层结构。由于智能小区节点相对分散而数量巨大，而单层CAN总线网络的节点容限有限，为了不使底层网络过于复杂，将底层网络分成上下两层（上层为RS-485，底层采用CAN）。这样弥补了单独的CAN底层网络和RS-485网络各自的缺点，充分发挥了两者自身的性能优势。

2 智能小区监控系统控制网络总线结构总体设计

由于CAN总线有硬件通信协议，其通信性能和效率基本已经稳定，而RS-485的通信协议与软件支持有关，因此“CAN＋RS485”控制网络的整体性能与RS-485网络性密切相关。对于RS-485多机通信模式，一般采用的是主从式多机通信。但主从式多机通信模式存在的问题是网络中有一个主机作为主控机，各从机间不能直接通信，必须间接通过主机实现从机间的通信。并且RS-485主机还担负着CAN与485网络接口的功能，所以，由于负担过重必会产生瓶颈效应，影响整个485网络性能[6-8]。

本文采用对等式多机通信，在此通信方式下，所有RS-485总线上的单机都可能成为主机，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。当前主机完成工作后，自动退出主机模式，作为普通单机。这样避免多个节点同时争夺主机资格而导致的混乱和无序。

在对等式多机通信方式下，等待时间的控制尤为关键。等待延时控制方式一般分为固定时间延时和动态延时。固定时间延时是指当检测到当前网络有节点间的通信时，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。固定时间延时对于延时时间的控制不能做到准确，使系统资源浪费和网络效率降低。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，通知其它节点进入等待状态，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，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。综合考虑，本文将采用动态延时控制方式。

智能小区监控系统网络结构图如图1所示：

图1 智能小区监控系统网络结构图

从网络总线上来说，CAN网络连接大门口机、楼门口机和CAN节点，485网络上有住户机和门口机，以太网连接上位机、数据库服务器、TCP/IP接口。在此网络底层结构上，由中央管理单元、大门单元、楼门单元、住户单元等构成智能小区监控系统，对应有中央单元控制、大门单元控制、楼门单元控制、住户单元控制。系统实现的功能包括门口可视对讲、视频监控、安全防卫、呼叫管理员、信息发布、内部呼叫、来客访问、紧急呼叫等。

3 智能小区监控系统硬件设计

智能小区监控系统一般由住户单元、楼门单元、大门单元、区域单元、管理控制单元组成。根据小区容量大小的不同可以做适当的调整，在容量不大时，可以不采用区域单元，直接将楼门单元接到管理单元。

中央管理单元总控各个控制区域中的大门控制单元、楼门控制单元、住户控制单元以及室内机的音视频通道选择、视频监视等，同时和上位机交互整个监控网络的信息和数据。它与PC机以RS232联接，与监控网络以CAN总线连接。系统管理控制单元相关连接，如图2所示：

图2 系统管理控制单元

楼门控制单元可以监管楼门门口机，有与住户通信通道和管理员通信通道。它主要负责下属的RS-485网络住户节点与CAN网络及上位机的信息交换，楼门口机与上位机之间的音视频通道切换和实现上位机对楼门口机的控制。作为楼门控制单元的核心，楼门控制器最主要的任务之一是作对讲及影像的模拟量通道控制管理，其中包括楼门口机与住户通道、楼门口机和控制中心通道、大门口机和住户通道、控制中心到住户通道以及控制中心发送广播的专用通道。它的第二个主要任务是对CAN信息报文和RS-485信息报文进行转换和传输控制，实现CAN和RS-485信息包的存储和解包、CAN和RS-485信息包的相互转换、发送和接收。楼门控制器的原理框图，如图3所示：

图3 楼门控制器原理框图

楼门口机模块负责对楼门的控制和监管。实现住户机对楼门的监控、以及上位机对楼门口机的监管，报告楼门的状态，发布信息等。楼门口机的原理框图如图4所示：

图4 楼门口机原理框图

其中音频收发进行音频信号的接收与发送；键盘提供住户号码键入，由控制器处理与传送；控制器由单片机、CAN总线控制器及相关外围电路组成，进行控制信号的发送与接收，完成相关控制功能；显示屏显示时间、温度、天气、问候、呼叫号码等；摄像机产生现场视频模拟量信号，由控制器控制其模拟量通道开启。

另外，大门控制单元可以在楼门控制单元的基础上删减部分功能实现，住户单元可以连接目前市场上的智能家居系统，安保室内机负责对住户门窗、火警、求救、信息服务、来客访问、住户间语音对话、楼门监看以及声光自动报警等服务，还有与管理员通话、与上位机PC信息交互等服务。部分硬件电路--楼门控制单元PC电路板图如图5所示：

图5 门口控制器PC电路板图

4 智能小区监控系统软件设计

智能小区监控系统的软件设计对于整个系统的稳定性和可靠性有着非常重要的作用。对于CAN总线，在软件编程中我们采用CAN2.OB协议，充分发挥了CAN总线的特点。在软件编程中，实行仲裁机制和信息校验来保证系统的可靠性，设置任务的优先级，将实时性任务设为最高优先级提高系统实时性，软件设计尽量模块化、标准化，便于将来的维护和功能的增强。

软件开发中针对winbond公司的W78E052C40微处理器，在windows环境下，采用单片机C语言进行开发，软件开发平台是uVision2集成开发环境（KEIL公司8051开发工具中的PK51专业开发套件）。

为了提高系统资源利用率，将信息流划分为长信息和短信息，不同的信息类型采用不同处理机制，软件控制中充分发挥中断和定时的功能，使系统保持快捷的反应能力。软件设计包括楼门控制单元软件设计、楼门口机单元软件设计和安保室内机单元软件设计等。

5 总结

本文在研究CAN总线和RS-485总线的基础上，结合智能小区监控系统需要实现的功能，设计并改进了“CAN+RS485”底层网络，实现了智能小区监控系统的控制网络。改进包括RS-485采用对等式多机通信网络控制，而不用主从式多机通信，对等式多机通信中采用动态延时方式。在此基础上对智能小区监控系统软硬件进行了研究和实现，硬件包括住户单元、楼门单元、大门单元、管理控制等单元，软件包括楼门控制单元、楼门口机单元及安保室内机等单元的软件设计，该系统满足构建合理、可靠的智能小区监控系统，实现小区安全防范、信息采集的要求。

[1]童晓渝,房秉毅,张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信,2010,34(9):16-20.

[2]田卫.RS-485总线分支线短路故障检测技术[J].微电子学与计算机,2011,28(4):176-179.

[3]朱恒军,于泓博,王发智.基于CAN总线的大棚温度测控系统设计[J].微电子学与计算机,2012,29(5),183-187.

[4]杨小东,王毅,潘筱.远程监控系统串口通信抗干扰算法研究[J].微电子学与计算机,2012,29(2):78-85.

[5]Yun M,Yu Xin B.Research on the architecture and key technology of Internet ofThings(IoT)applied on smart grid[C].Advances in Energy Engineering(ICAEE),2010 International Conference on.IEEE,2010:69-72.

[6]高志国.基于RS-485总线信号的可靠性研究[J].信息技术,2011,47(2):42-44.

[7]杜华程,许同乐,黄湘俊.杨艳辉基于CAN总线的智能传感器节点设计与应用[J].传感器与微系统,2015,34(2):82-84.

[8]宋跃,杨雷,雷瑞庭,王健伟.基于ARM9与LINUX的RS485总线的通信接口设计[J].仪表 技术与传感器，2014,5:35-37.

Research and Implementation of Intelligent Community Monitoring System Based on CAN+RS485 Control Network

Miao Xiaofeng1,Wang Sheng2
(1.Shaanxi Radio and TV University,Xi’an 710068,China; 2.Shaanxi Business College,Xi’an 710119,China)

In order to construct a reasonable and reliable intelligent community monitoring system,network technology of CAN and RS-485 control network are studied.This paper analyzes the advantages and disadvantages of RS-485 master-slave multi machine communication and the equation multi machine communication,finds the dynamic delay more efficient than fixed delay in equation multi machine communication,and it can meet the demand of control network of intelligent community monitoring system.This paper designs and improves the network of CAN+RS485,realizes the control system network of the community security alarm and long distance transmission.On this basis,hardware and software of intelligent community monitoring system are designed.The system meets demand of intelligent community by the verification.

CAN;RS-485;Intelligent Community;Multi Machine Communication;Monitoring System

TP311

A

1007-757X(2015)06-0029-03

2015.03.09）

苗晓锋（1972-），男，汉，陕西省岐山县人，陕西广播电视大学，陕西工商职业学院，副教授，研究方向：计算机应用技术，西安，710119

王 胜（1974-），男，西安市人，陕西广播电视大学，陕西工商职业学院，副教授，博士，研究方向：计算机应用技术，西安，710068